近年来,随着全球的能源日益匮乏,有机废物/废水的资源化处理受到了广泛关注。有机废物/废水具有有机物含量高的特点,经过厌氧生物处理后可产生大量清洁能源气体——甲烷,但是厌氧发酵产甲烷过程中经常存在着水解不稳定、速率慢、甲烷产量低等问题。微生物直接种间电子传递(DIET)过程被证明有望解决以上问题。本论文通过以下方式在有机废水/废物厌氧发酵中构建并强化DIET产甲烷过程:(1)利用铁(III)氧化物的异化铁还原作用来富集可参与DIET过程的电活性微生物,并通过铁(III)氧化物的导电性加强DIET微生物之间的电子传递速率;(2)构建乙醇型发酵为可参与DIET的电活性微生物提供最适宜底物,进而富集该类微生物。本论文取得了以下研究成果:(1)研究了四种铁(Ⅲ)氧化物(柠檬酸铁、水铁矿、赤铁矿和磁铁矿)在有机废水厌氧发酵过程中有机污染物降解(以苯酚为例)及产甲烷的能力。研究发现加入非晶体柠檬酸铁(III)组中有机物降解最快,Fe²⁺释放最快,其次为弱结晶度的水铁矿组。由于柠檬酸铁(III)和水铁矿较高的还原电势(+0.385 V,p H=7和+0.1至-0.1 V,p H=7),可通过异化铁还原过程富集Fe(III)还原菌,将苯酚降解。而晶体结构较好的磁铁矿和赤铁矿组中,尽管两者还原电势较低(-0.314 V,p H=7.0和-0.287 V,p H=7.0),但其导电能力可使电活性微生物Enterococcus的丰度明显增加,该微生物与产甲烷菌Methanothrix可附着于磁铁矿或赤铁矿表面,加速DIET产甲烷过程,使甲烷产量分别提高了30.2%和135.3%。因此,柠檬酸铁(III)反应组中,苯酚厌氧降解成甲烷过程中的电子回收效率最低,仅为58.9-76.5%,而磁铁矿组的电子回收效率最高,可达93.0-96.5%。(2)提出了利用城市剩余污泥(waste activated sludge,WAS)作为共基质中和餐厨垃圾(Kitchen wastes,KW)厌氧生物乙醇预处理(BEEP)过程中产生的酸,实现了WAS与KW厌氧共发酵(Aco D)及甲烷的大量产生。结果表明,在KW与WAS混合比例为1:2和1:5时,甲烷产生速率最大,接近1200 m L/d,且可参与DIET的电活性微生物(Petrimonas、Bacillus、Sporanaerobacter、Sphaerochaeta和Pseudomonas)得到特别富集。它们与产甲烷菌(Methanosarcina和Methanospirillum)一起进行DIET产甲烷过程,以维持有效和稳定的Aco D互养代谢。对各微生物样品进行电活性分析发现,仅在以KW与WAS混合比例为1:2和1:5的消化器中观察到较高的污泥电导率(15.7±2.2μS/cm和11.4±0.8μS/cm)和电子传递能力(21.4μg/m L/min和29.5μg/m L/min),这进一步证实了在1:2和1:5的混合比例下,消化器内可有效富集参与DIET的电活性微生物。