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市政污水处理厂在利用生物法处理污水中会产生大量的剩余污泥，这些污泥中不仅包含许多有机物，还存在氮、磷以及重金属污染物等，对人体和环境造成危害。如何将剩余污泥中碳源有效释放并转化为资源是污泥处理技术的发展方向。本研究针对剩余污泥作为基质在微生物电解池（microbial electrolysis cell,MEC）系统难以持续产氢的问题，开发高铁酸钾联合超声（K2FeO4/ULT）预处理方法有效水解剩余污泥为MEC系统提供充足碳源，并通过开发具有三维结构硒修饰泡沫镍阴极材料（Se@NF）抑制MEC系统中产甲烷过程。采用电化学、材料学以及微生物学方法，研究了Se@NF阴极特性及对MEC系统处理污泥和产氢气效果的影响，阐明了Se@NF阴极上生物膜去除产甲烷相关功能酶从而抑制产甲烷的作用机理，从而建立了MEC系统处理剩余污泥同时持续性产氢的调控策略。
开展了K2FeO4/ULT预处理工艺水解剩余活性污泥研究，对比了原泥和几种常用的污泥预处理方式，其中包括碱处理、高铁酸钾处理、碱和超声联合处理以及高铁酸钾和碱联合处理，结果表明K2FeO4/ULT预处理具有最佳的污泥水解效果。K2FeO4/ULT预处理后污泥的溶解性化学需氧量（Soluble chemical oxygen demand，SCOD）浓度最高可达到10206mg/L,挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFAs）浓度最高达到9160mg/L，超过原泥的4倍以上。经过90min反应后污泥降解程度（Disintegration degree，DD）达到40%，降解效率是原泥的9倍以上。90%以上的污泥粒径从116.4μm降到61.2μm，挥发性悬浮物（Volatile suspended solid，VSS）去除率达到18%，是原泥的3倍以上。同时，揭示了K2FeO4/ULT预处理方法对污泥水解的作用机制，高铁酸钾中六价铁在氧化有机物后被还原成二价铁和三价铁，会催化超声中形成的大量羟基自由基活性，形成协同效应从而更有效的水解污泥。通过K2FeO4/ULT预处理后的污泥共产生了728.2mL（7.3g污泥）甲烷气，是原泥的1.5倍。经过Hiseq测序和Weighted UniFrac聚类为代表的分子生态学分析表明，K2FeO4/ULT预处理后污泥中的群落适合厌氧发酵产生物气，其中主要优势的古菌为产甲烷球菌属和产甲烷杆菌属。
开发了具有三维结构的硒修饰泡沫镍阴极材料，并在0.6V外加电压下运行MEC反应器。对比了退火法和粘合法的阴极制作方式对反应器效能的影响，结果表明退火法在产氢效果方面更有优势，最高产氢速率可以达到0.341±0.017L/L?d,是辊压活性炭阴极MEC反应器的2.6倍，氢气组分含量最高达到81.8%，并且在全部运行过程中几乎检测不到甲烷（＜0.2%）。同时，Se@NF阴极MEC反应器的SCOD去除率最高可以达到76.8%。电化学分析显示Se@NF阴极MEC中电流比辊压活性炭阴极和泡沫镍阴极材料MEC高5.8~9.2倍，验证了高铁酸钾还原得到的三价铁可以有效提高MEC的电流输出。X射线衍射结果表明硒在阴极材料中高度结晶，清晰的布拉格反射与六角形晶格（三角晶体系统）有关。证明在泡沫镍中只存在短程有序的硒，而没有观察到长称有序的硒。通过微生物群落分析，Se@NF阴极MEC的阳极生物膜主要优势菌为产电菌Geobacter，其次为具有发酵产酸能力的Petrimonas和Anaerovirgula。辊压活性炭阴极和泡沫镍阴极生物膜中都含有相对丰度较高的Methanobacterium，而Se@NF阴极生物膜上没有检测到产甲烷古菌，证实了Se@NF阴极具有抑制产甲烷的能力。Se@NF阴极MEC反应器产生的氢气没有被产甲烷古菌利用从而得到了更高的氢气产率。
对比了Se@NF阴极和传统铂碳（Pt@CC）阴极在MEC系统中以0.8V外加电压运行产氢和产甲烷效果。Se@NF阴极MEC在运行过程中最高产氢速率达到0.522±0.057L/L?d，平均氢气产量超过0.4L/L?d，远高于实验过程中产生大量甲烷的Pt@CC阴极MEC。同时，氢气组分含量达到80.67%~89.79%，而甲烷组分含量只有0.11%~0.94%。Se@NF阴极在产氢速率和氢气组分含量方面超过目前为止利用剩余活性污泥为基质MEC的产氢效果。Se@NF阴极MEC的电流密度最高达到152.4±32.6A/m3。X射线光电子能谱分析（XPS）表明在Ni2p和Se3p区，阴极表面主要含有Ni2+和Se6+的高氧化态。通过Illumina Hiseq测序结果表明在阴极生物膜中，Pt@CC阴极组的产甲烷古菌Methanobacterium占据优势，而Se@NF阴极组中几乎检测不到Methanobacterium存在。宏基因组学分析结果表明，Se@NF阴极组的产甲烷代谢通路中，所有的产甲烷模块（甲醇、乙酸盐、二氧化碳和甲胺/二甲胺/三甲胺）中都缺少必要的酶基因（mtd、hmd、rudF、mtrH、mfnA、mfnD以及mtaC），中断了产甲烷代谢途径的通路从而抑制了甲烷产生。另外，本研究还考察了向Se@NF阴极接种产甲烷古菌后反应器的产氢效果，结果表明Se@NF阴极能够在短时间内消除所接种的产甲烷古菌，同时产氢速率没有受到影响。Se@NF阴极制作过程简单且材料成本低廉，适合于扩大化应用。本研究通过K2FeO4/ULT预处理高效水解污泥提供充足碳源，并促进了MEC电流输出，以及Se@NF阴极MEC抑制产甲烷过程，避免氢气被产甲烷过程利用，强化了剩余污泥产氢效能，为今后MEC系统处理剩余污泥同时持续性产氢提供了理论依据。
开展了K2FeO4/ULT预处理工艺水解剩余活性污泥研究，对比了原泥和几种常用的污泥预处理方式，其中包括碱处理、高铁酸钾处理、碱和超声联合处理以及高铁酸钾和碱联合处理，结果表明K2FeO4/ULT预处理具有最佳的污泥水解效果。K2FeO4/ULT预处理后污泥的溶解性化学需氧量（Soluble chemical oxygen demand，SCOD）浓度最高可达到10206mg/L,挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFAs）浓度最高达到9160mg/L，超过原泥的4倍以上。经过90min反应后污泥降解程度（Disintegration degree，DD）达到40%，降解效率是原泥的9倍以上。90%以上的污泥粒径从116.4μm降到61.2μm，挥发性悬浮物（Volatile suspended solid，VSS）去除率达到18%，是原泥的3倍以上。同时，揭示了K2FeO4/ULT预处理方法对污泥水解的作用机制，高铁酸钾中六价铁在氧化有机物后被还原成二价铁和三价铁，会催化超声中形成的大量羟基自由基活性，形成协同效应从而更有效的水解污泥。通过K2FeO4/ULT预处理后的污泥共产生了728.2mL（7.3g污泥）甲烷气，是原泥的1.5倍。经过Hiseq测序和Weighted UniFrac聚类为代表的分子生态学分析表明，K2FeO4/ULT预处理后污泥中的群落适合厌氧发酵产生物气，其中主要优势的古菌为产甲烷球菌属和产甲烷杆菌属。
开发了具有三维结构的硒修饰泡沫镍阴极材料，并在0.6V外加电压下运行MEC反应器。对比了退火法和粘合法的阴极制作方式对反应器效能的影响，结果表明退火法在产氢效果方面更有优势，最高产氢速率可以达到0.341±0.017L/L?d,是辊压活性炭阴极MEC反应器的2.6倍，氢气组分含量最高达到81.8%，并且在全部运行过程中几乎检测不到甲烷（＜0.2%）。同时，Se@NF阴极MEC反应器的SCOD去除率最高可以达到76.8%。电化学分析显示Se@NF阴极MEC中电流比辊压活性炭阴极和泡沫镍阴极材料MEC高5.8~9.2倍，验证了高铁酸钾还原得到的三价铁可以有效提高MEC的电流输出。X射线衍射结果表明硒在阴极材料中高度结晶，清晰的布拉格反射与六角形晶格（三角晶体系统）有关。证明在泡沫镍中只存在短程有序的硒，而没有观察到长称有序的硒。通过微生物群落分析，Se@NF阴极MEC的阳极生物膜主要优势菌为产电菌Geobacter，其次为具有发酵产酸能力的Petrimonas和Anaerovirgula。辊压活性炭阴极和泡沫镍阴极生物膜中都含有相对丰度较高的Methanobacterium，而Se@NF阴极生物膜上没有检测到产甲烷古菌，证实了Se@NF阴极具有抑制产甲烷的能力。Se@NF阴极MEC反应器产生的氢气没有被产甲烷古菌利用从而得到了更高的氢气产率。
对比了Se@NF阴极和传统铂碳（Pt@CC）阴极在MEC系统中以0.8V外加电压运行产氢和产甲烷效果。Se@NF阴极MEC在运行过程中最高产氢速率达到0.522±0.057L/L?d，平均氢气产量超过0.4L/L?d，远高于实验过程中产生大量甲烷的Pt@CC阴极MEC。同时，氢气组分含量达到80.67%~89.79%，而甲烷组分含量只有0.11%~0.94%。Se@NF阴极在产氢速率和氢气组分含量方面超过目前为止利用剩余活性污泥为基质MEC的产氢效果。Se@NF阴极MEC的电流密度最高达到152.4±32.6A/m3。X射线光电子能谱分析（XPS）表明在Ni2p和Se3p区，阴极表面主要含有Ni2+和Se6+的高氧化态。通过Illumina Hiseq测序结果表明在阴极生物膜中，Pt@CC阴极组的产甲烷古菌Methanobacterium占据优势，而Se@NF阴极组中几乎检测不到Methanobacterium存在。宏基因组学分析结果表明，Se@NF阴极组的产甲烷代谢通路中，所有的产甲烷模块（甲醇、乙酸盐、二氧化碳和甲胺/二甲胺/三甲胺）中都缺少必要的酶基因（mtd、hmd、rudF、mtrH、mfnA、mfnD以及mtaC），中断了产甲烷代谢途径的通路从而抑制了甲烷产生。另外，本研究还考察了向Se@NF阴极接种产甲烷古菌后反应器的产氢效果，结果表明Se@NF阴极能够在短时间内消除所接种的产甲烷古菌，同时产氢速率没有受到影响。Se@NF阴极制作过程简单且材料成本低廉，适合于扩大化应用。本研究通过K2FeO4/ULT预处理高效水解污泥提供充足碳源，并促进了MEC电流输出，以及Se@NF阴极MEC抑制产甲烷过程，避免氢气被产甲烷过程利用，强化了剩余污泥产氢效能，为今后MEC系统处理剩余污泥同时持续性产氢提供了理论依据。