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低温条件下处理低有机负荷废水是厌氧消化工艺发展和应用过程中面临的主要挑战之一。该条件下,厌氧消化污泥的代谢活性受到显著的抑制作用,微生物的底物利用效率和生长速率都将明显下降。因此,增强体系内的电子传递效率,提高微生物的代谢活性,加快污染物的降解是突破这一瓶颈的关键所在。然而,以此为突破口的相关研究工作较为缺乏。基于此,本论文提出构建生物电化学体系(Bio-Electrochemical System,BES),利用电化学作用,增强厌氧消化体系内的电子传递作用,提高体系内微生物的代谢作用和互生群落的演替,以实现低有机负荷废水高效低温厌氧消化处理。研究主要发现如下:本研究提出了利用BES增强低温厌氧消化处理低有机负荷废水的新方法。实验中,与对照反应器相比,BES反应体系具有更高的抗温度冲击能力:在最适电压0.4V条件下,BES在所测试温度范围内(20,12,8 ℃)均能够显著增强厌氧消化体系的COD(Chemical Oxygen Demand)去除效率和产甲烷能力。能量平衡评估证实BES辅助低温厌氧消化技术具有经济可行性。厌氧微生物的生理特性分析表明电化学作用能够刺激微生物的代谢活性,释放更多的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS),加快了电极生物膜的形成。高通量测序显示,氢营养型产甲烷菌:Methanobacterium,Methanoregula和Methanospirillum是低温条件下BES内的优势菌属。在BES阴极生物膜上,产氢菌属Acetobbacteroides和Anaerolinea明显富集,表明BES内形成了以“H2介导型”协同作用为核心的群落结构。本研究通过批次实验和连续实验探究了电极修饰材料—石墨烯(Graphene,Gr),对于废水厌氧消化产甲烷作用的影响。短期实验结果显示25,100 mg/g VSS(Volatile Suspended Solids)的Gr暴露能够显著增强厌氧消化体系的产甲烷速率,分别提高17.0%和51.4%。进一步实验揭示Gr显著促进了乙酸营养型产甲烷作用,而对氢营养型产甲烷作用的影响并不显著。长期实验在低温条件下进行(20～10 ℃),结果显示25 mg/g VSS的Gr能够促进厌氧甲烷消化速率提高14.3%,而100 mg/g VSS的Gr则会对体系的产甲烷作用产生轻微的抑制效应。高通量测序分析表明,低温条件下,微生物群落中古菌丰度能够保持相对稳定,Methanoregula,Methanoseata和Methanospirillum是群落中的优势菌属。石墨烯可能增强厌氧消化体系内Methanosaeta和Geobbacter菌属之间的种间直接电子传递作用。本研究考察了电极修饰材料—二氧化锰纳米颗粒(MnO2 Nanoparticles,NPs)存在条件下,厌氧消化体系的产甲烷性能,纳米颗粒物的转化作用,以及微生物群落的变化情况。结果显示,MnO2 NPs添加量为400 mg/g VSS能够显著提高产甲烷速率约42.0%,气态产物中CH4所占比例达到81.8%。此外,辅酶F420和污泥电子传递体系(Electron Transport System,ETS)活性在MnO2 NPs存在条件下均得到增强,并与MnO2 NPs的浓度呈现出正相关性。伴随厌氧消化作用,实验观察到锰的生物还原氧化作用。微生物群落分析表明,MnO2 NPs存在条件下,产甲烷菌属Methanobacterium,Methanosaeta和Methanosarcina的相对丰度均有所提高。同时,厌氧消化体系内,微生物群落形成了一种以“Mn-C呼吸作用”为核心的新型互生协同关系。最后,本论文使用Gr和MnO2NPs作为修饰材料,利用聚吡咯(Polypyrrole,PPy)覆膜方法对碳毡电极进行修饰。随后,构建了修饰电极BES反应体系以考察其对厌氧消化作用的影响。结果表明,修饰电极的导电性较未修饰电极提高约50%。20℃时,0.4 V电压作用促进Gr/PPy和MnO2 NPs/PPy修饰电极反应器的COD去除效率和产甲烷速率分别提高约12.7%,25.6%,和43.9%,66.3%。12 ℃时,虽然各反应器的产甲烷效率均呈现降低趋势,但Gr/PPy和MnO2 NPs/PPy修饰电极反应器的产甲烷速率依然比对照组高22.8%和39.0%。EPS和ETS分析结果表明,修饰电极能够促进电极生物膜微生物的代谢活性。扫描电镜分析显示,修饰后的碳毡纤维的比表面积显著增加,有利于微生物的附着与生长,进而形成致密结构的电极生物膜。16SrRNA测序表明,氢营养型产甲烷作用在BES内占据优势地位。Gr/PPy和MnO2 NPs/PPy修饰对于微生物群落结构具有差异性影响。