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厌氧发酵技术作为一种绿色的固体废弃物处理技术,因其占地面积小、能耗低、可持续等优点受到广泛关注。然而,目前仍有诸多问题限制了厌氧发酵技术的发展及大规模应用,酸抑制就是其中之一。针对这一问题,目前主要的应对方法为投加碱性化学试剂或者投加高活性消化污泥,但这些方法存在成本高,效果不显著等缺点。本研究基于生物炭对甲烷发酵过程的促进作用,将其应用于酸化的甲烷发酵系统中产甲烷能力的恢复,旨在探索出更加经济、高效的酸抑制解决方法。本研究首先在确定生物炭最佳制备温度基础上,开展了生物炭对典型挥发性脂肪酸(VFA)互营产甲烷过程的影响,探究生物炭对酸化恢复的可行性。将生物炭投入已酸化的甲烷发酵系统,验证了发酵系统甲烷菌活性的恢复状况。通过对酸抑制和恢复后微生物群落对比分析,探明了生物炭缓解酸抑制的作用机制。主要内容和结果如下:(1)以木屑为原料,在300℃、500℃和700℃下制备生物炭,分析了不同温度下制备的生物炭的产率、元素成分、比表面积、pH值、光谱特性、得失电子能力等基本参数变化。结果表明:500℃下制备的生物炭综合性能突出,具有最大的直接种间电子传递(DIET)潜能。(2)基于生物炭对典型VFA甲烷化过程影响,分析生物炭对酸化的甲烷发酵系统恢复可行性。结果表明:低VFA浓度下(1000mg·COD/L),生物炭只对丁酸的互营氧化效果促进明显,其最大产甲烷速率比空白对照组提升48%。随着VFA浓度升高至6000mg·COD/L,生物炭对几种VFA的降解均表现出促进效果,产甲烷延滞期都得到明显缩短,最大产甲烷速率提升14.5%-30.2%,最大产甲烷潜能提升8%左右。促进作用主要源于生物炭较大的比表面积可以为微生物提供附着生长条件,帮助微生物快速适应高浓度VFA环境,并且该促进作用随着VFA浓度升高而提高。(3)在酸积累的中温餐厨垃圾与污泥共发酵反应器(VFA高达59.7g·COD/L)中投加生物炭发现,反应器的pH由6.7迅速上升至7.3,营造了适宜的甲烷发酵碱性条件,积累的VFA在10d内出现明显下降。验证了生物炭对实际酸化的甲烷发酵系统的恢复效果,这为厌氧发酵系统酸化后快速恢复提供理论依据和技术支持。(4)微生物群落解析结果表明,细菌中Ruminococcus和Syntrophomonas在酸化时的丰度近乎为0,恢复后分别增长至16.6%和2.5%,这两种菌属都可以加快互营氧化过程。产甲烷古菌中Methanosarcina属的丰度由11.0%增长到80.1%。生物炭的加入促进了与直接种间电子传递相关的微生物增殖。投加生物炭后系统内产甲烷菌代谢方式由以氢气为主转变为氢气和乙酸混合营养型,加速了乙酸的降解。(5)对恢复后的反应器重新连续投加基质,验证发酵系统甲烷菌活性的恢复状况。结果表明,反应器性能恢复良好,无需连续补充生物炭依然能够实现稳定高效运行。