垃圾焚烧渗沥液是一种典型的高浓度有机废水,一般采用厌氧产甲烷生物处理工艺去除渗沥液中大部分有机物和能源回收。但由于垃圾焚烧渗沥液COD浓度极高(~55,000 mg/L),且高盐度、高氨氮和溶解性腐殖质(AHS)等对生物活性有抑制作用的组分,会影响厌氧体系中有机物的互营氧化产甲烷过程,导致挥发性脂肪酸(VFAs)积累和pH下降,进而影响处理效率和甲烷的产生。直接种间电子传递(DIET)由于不需要种间电子载体,被认为是一种更高效的电子传递途径。导电材料可以促进微生物间的DIET,然而对于含有高浓度复杂有机物和VFAs的垃圾焚烧渗沥的强化效果和作用机制尚不清楚。因此,本研究主要探寻导电材料在极端环境下对厌氧生物处理的强化效能,揭示导电材料在厌氧反应器处理垃圾焚烧渗沥液中的强化机制。本文首先通过厌氧产甲烷批量实验研究了复合抑制因子对厌氧产甲烷过程的影响。极差分析结果表明,复合抑制因子浓度在钙离子为6000 mg/L,氨氮为400 m/L和AHS为4000 mg/L时,对污泥产甲烷活性和有机物去除表现出最大的抑制作用,且通过方差分析确定钙离子浓度变化对厌氧产甲烷过程的影响最为显著。厌氧体系中剩余的不同丙酸和丁酸浓度,主要是由于复合抑制因子抑制了厌氧体系中丙酸降解菌和丁酸降解菌的活性基因,以及产甲烷菌的生长,导致丙酸和丁酸的互营氧化产甲烷过程受到阻碍,且对丙酸表现出更为明显的抑制作用。针对垃圾焚烧渗沥液中高有机物浓度和复合抑制因子浓度带来的VFAs积累问题,本文通过在厌氧反应器中投加纳米磁铁矿导电材料研究其生物处理效能。实验结果表明,在有机负荷(OLR)为18.2 kgCOD/(m3.d)时,相比空白反应器,纳米磁铁矿反应器具有更高的COD去除率(89.0%)和甲烷产率(4.8m3STP/(m3·d))。出水中乙酸(13.5 mM)和丙酸(8.5 mM)浓度均明显低于空白反应器(31.7mM和19.4 mM),主要是由于纳米磁铁矿可以促进厌氧体系中VFAs的互营氧化代谢,缓解VFAs(尤其是丙酸)的积累。含有纳米磁铁矿的污泥中具有胞外电子传递能力的Anaerolinaceae菌种大量富集是空白反应器中的两倍,其可以代谢有机物产生电子,电子通过纳米磁铁矿被产甲烷菌(Methasnoarcina和Methanosaeta菌种)利用,还原CO2产生甲烷。为了解决吸附在微生物表面的纳米磁铁矿随污泥流失,导致在高OLR条件下强化效果不明显的问题,本文采用可以作为长久性支撑的碳布导电材料强化厌氧体系的抗有机负荷冲击能力,结果表明碳布导电材料的存在使厌氧体系承受的最大OLR提高了 34%,达到49.4 kgCOD/(m3·d),COD去除率为80.1%,产甲烷速率为15.3 L(STP)/d。多种具有胞外电子传递能力的细菌(Syntrophomonas,Streptococcus和Bacteraoides菌种,总相对丰度30%)和可以接受电子产生甲烷的产甲烷菌(Methanosarcina和Methanospirillum菌种,总相对丰度50%)在碳布表面富集,说明这两种菌可以利用碳布导电材料作为导体进行DIET。碳布反应器增加的污泥电导率是空白反应器的2倍,这主要是由于碳布反应器的污泥中参与DIET的导电菌毛e-pili的增加,进一步证明厌氧体系中微生物通过DIET进行电子传递。本文研究了在厌氧反应器中投加具有较高比表面积和导电性的颗粒活性炭(GAC)的生物处理效能。结果表明,空白反应器在运行的初始17 d内完全恶化,而GAC反应器中高VFAs(尤其是丙酸)浓度逐渐被缓解,有机物去除率升高。将OLR增加至25.0 kgCOD/(m3·d)时,COD去除率稳定在90%以上。进一步增加OLR至36.7 kgCOD/(m3·d),COD去除率下降至~83%,但VFA/碱度保持在0.4以下,表明该体系可以稳定运行且没有酸化风险。宏基因组分析结果表明GAC反应器的厌氧污泥中,已知参与DIET的Geobacter菌种和Methanosarcina菌种随着反应器的运行变得更加丰富,与DIET有关的编码蛋白质的基因(导电的E-pili和外膜c型细胞色素OmcS)丰度显著增加,说明GAC的存在有效地构建了厌氧体系中Geobacter菌种和Methanosarcina菌种间的DIET。