厌氧生物处理技术是处理有机废水最有效的方法之一。厌氧微生物可将复杂有机底物转化为小分子有机酸乃至甲烷,在污染物能源化利用中发挥重要作用。但是,传统厌氧消化一般建立在水解酸化-产甲烷理论之上,其代谢模式为以氢为电子载体的产氢-耗氢过程,即种间氢气传递(IHT)。该过程效率较低,不能满足高效、稳定的厌氧处理技术需求。近期研究发现,铁氧化物可以诱导铁还原微生物进行异化铁还原,即以有机物为底物,将电子传递至胞外的铁氧化物,增强有机物的降解;另外,导电性的铁氧化物(如Fe3O4)还可以作为导体参与直接种间电子传递(DIET),协助微生物将电子传递给产甲烷菌,还原CO2产甲烷,从而开辟了厌氧消化产甲烷的新渠道。因此,铁氧化物的加入有望改善微生物的厌氧代谢,提高微生物的胞外电子传递效率。但是,铁氧化物在厌氧体系内对胞外电子传递的影响以及诱导机理还不明确。基于上述考虑,本研究在常规厌氧反应器内投加铁氧化物,探究异化铁还原与胞外电子穿梭体对胞外电子传递的作用,识别铁氧化物对微生物胞外聚合物(EPS)影响及对种间电子传递模式的改善机制,在以上研究基础上制备具有良好电子传递和电子储存能力的含铁污泥基生物炭,用于改善厌氧处理。主要研究结果如下:(1)为了探究铁氧化物对厌氧体系内电子穿梭过程的影响,本研究将Fe(OH)3投加到厌氧反应器(R1)中,通过异化铁还原,促进酸性橙7(A07)的脱色和降解。与对照组(R2)相比,R1出水的化学需氧量(COD)去除率和脱色率分别提高了 61.7%和32.0%。AO7厌氧脱色的中间产物1-氨基-2-萘酚(1A2N)可继续还原AO7,具有自催化AO7染料降解的潜力,但还原产物1-亚氨基-2-萘醌(1I2NQ)的积累,可使自催化反应无法持续进行。而投加Fe(OH)3的R1中,异化铁还原生成的Fe(Ⅱ)能自发还原112NQ,生成1A2N和Fe(Ⅲ),前者可继续还原AO7,后者则可继续被微生物还原。这就使Fe(Ⅲ)/(Ⅱ)与1I2NQ/1A2N这两对电子穿梭体在反应器内中形成了循环,持续不断地消耗COD,并降解AO7,使R1反应器性能高于R2。另外,铁氧化物的引入也诱导了微生物厌氧代谢的改变,R1中污泥的细胞色素c浓度和污泥电导率分别提升至R2的3.2倍和2.1倍,R1微生物EPS中具有电子穿梭能力的腐殖酸也含量明显高于R2。此外,R1反应器内铁还原菌和发酵菌的丰度高于R2,微生物的群落结构得到优化。综上所述,铁氧化物的投加促进了过程中的电子传递,从而提高了厌氧生物处理效率。(2)为了探究在缺乏外源胞外电子穿梭体的体系中,铁氧化物对微生物代谢方式的影响,本研究向厌氧反应器内投加纳米四氧化三铁(nFe3O4)与纳米零价铁(nZVI),对比两者对微生物EPS分泌和电子传递模式的作用。实验结果表明,导电性的nFe3O4的加入显著提高了厌氧处理的效率,COD去除率和产甲烷量比空白反应器分别提高了 33.1%和403.7%,而nZVI的加入导致反应器性能下降。nFe3O4刺激了 EPS中具有电子传递能力的蛋白质和腐殖酸的分泌,从而使污泥具有更高的接受/贡献电子能力,其充放电量分别达到160.47 μmo1 e-/gTOC和56.02 μmo1 e-/gTOC。这些电活性物质所具备的胞外电子传递能力,使厌氧微生物之间(铁还原菌与甲烷菌)形成DIET渠道,从而还原CO2产甲烷。但在nZVI反应器中,为了避免细胞壁被强还原性的nZVI破坏,微生物增强了 EPS的分泌,且其中不能导电的结构性多糖类物质浓度显著增加。过厚的EPS使氢传质效率降低,即IHT效率受限制,反应器随之崩溃。微生物群落分析和功能基因预测结果显示,nFe3O4反应器中的电活性微生物更多,且微生物具有更强的碳水化合物代谢能力。因此,电导性的nFe3O4及其刺激的电活性物质的大量分泌,使微生物建立了以DIET为主的种间电子传递途径,使反应器维持高效、稳定运行。(3)根据以上研究结果,具有充放电功能和导电功能的材料可能有更好的介入厌氧代谢的功效;考虑到生物炭富含醌/氢醌具有的氧化还原性,结合铁(氢)氧化物经高温灼烧脱氢氧形成的铁氧化物(Fe3O4)所具有的导电性,本研究以城市剩余污泥为原材料,经含FeCl3溶液吸附并调制中性后热解制备得到含铁污泥基生物炭。经优化制备条件发现,在600℃下热解合成的含铁污泥基生物炭,兼具优良的电导性和电容性。该生物炭表面形成的铁氧化物为反尖晶石结构的Fe3O4,其导电性有利于微生物构建DIET模式。该生物炭的比表面积更大,表面官能团丰富,接受/贡献电子容量比不加铁的污泥基生物炭高226%,有利于提高微生物的胞外电子传递效率。在厌氧处理蔗糖、乙酸和染料模拟废水时,投加该含铁污泥基生物炭的反应器COD去除率、甲烷产量和染料脱色率均比空白反应器和不加铁污泥基生物炭反应器明显改善。综上,该污泥基生物炭克服了传统生物炭的电导性和电容性较难兼得的缺点,在充放电和电子传递两个方面,提升了微生物的胞外电子传递效率,从而改善厌氧处理效率。