污水处理厂剩余活性污泥的厌氧消化是实现污泥减量化和能源化(产沼气)的核心技术。然而,传统厌氧消化存在水解速率慢、甲烷产率低、以及消化残渣中仍残留较高丰度的抗生素抗性基因(ARGs)等弊端,制约了其效率和产品的环境安全性。近年来,将微生物电解系统与厌氧消化耦合的“电化学厌氧消化”技术,被证实可以从多个维度强化这一传统过程。通过向消化器中施加一个微小的直流电压(<1.0V),可以刺激电活性微生物的生长和代谢,加速复杂有机物的分解,并可能创造不利于ARGs水平转移的微环境。
本研究运行了两组平行的中温厌氧消化罐,处理某市政污水厂的剩余污泥。实验组罐内设置了石墨棒阳极和石墨毡阴极,通过恒电位仪施加0.6V的稳定电压。连续运行60天的数据对比鲜明。EAD实验组的污泥VSS降解率达到48%,比对照组(35%)高出13个百分点;累计甲烷产率较对照组提升了约40%。挥发性脂肪酸(VFA)的组分分析显示,EAD组以乙酸为主,丙酸积累极少,表明电化学刺激促进了丙酸的互营氧化,打通了复杂底物的代谢链条。电化学阻抗谱分析证实,EAD污泥的电子传递阻抗显著低于对照污泥,表明其发展了更为高效的直接种间电子传递(DIET)网络。
对消化出泥中ARGs的定量分析是本研究的一大亮点。采用高通量定量PCR对16种常见ARGs和I型整合酶基因(intI1)进行检测。结果表明,EAD组的ARGs总绝对丰度在消化后降低了2.1个数量级,而对照组仅降低了0.8个数量级。尤为重要的是,EAD对intI1的削减幅度更大,intI1作为ARGs水平转移的主要媒介,其丰度的大幅下降意味着ARGs在微生物间传播扩散的风险被有效遏制。微生物群落分析表明,EAD组的污泥中潜在的电活性菌(如Geobacter、Syntrophomonas)和氢营养型产甲烷菌丰度显著提高。该研究证实,电化学厌氧消化技术可同步实现剩余污泥的高效产甲烷和ARGs风险的有效削减,是极具前景的下一代污泥安全处置技术。
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