厌氧消化技术是一种可持续的有机废水处理技术,它在降解有机污染物的同时,还可以产生CH4等清洁能源,在近几十年得到了广泛应用。其中升流式厌氧污泥床反应器(UASB)作为目前研究最多、应用最为广泛的高速厌氧反应器,具有典型的气-液-固三相流体系。UASB的产气性能受多种因素的影响,且胞外聚合物作为生物气气泡脱离时最后接触的物质,在厌氧颗粒污泥(AGS)与生物气气泡间的相互作用中起关键作用。因此探讨污泥与单个气泡间的动态作用力对深入研究反应器中的气泡行为,丰富反应器气液传质理论具有重要的指导意义。本论文在分别研究有机负荷率(OLR)和外源聚苯乙烯纳米颗粒(Pd-PS)对厌氧反应器产甲烷性能影响的基础上,利用原子力显微镜(AFM)的气泡胶体探针技术,在单颗粒单气泡的水平直接测量不同种类AGS分别与CH4和C02模拟生物气气泡间的动态作用力,为反应器的气泡生成与运动提供新的见解。主要研究成果概括如下:(1)解析了不同OLR对厌氧消化系统发泡性能的影响规律。随着OLR的提升,反应器中的CH4产量显著降低,H2产量逐渐增加。由于系统的缓冲能力不足,出现了厌氧发泡现象。随着反应负荷的增加,溶液中的表面张力逐渐减小,粘度则逐渐增大,影响了气泡的形成。总挥发性脂肪酸随OLR的提升显著累积,蛋白质浓度也在逐渐累积,其中的可溶性蛋白和胞外聚合物有关,有利于气泡的形成。随着OLR的提升,Firmicutes成为泡沫形成的典型指示微生物。此外,Clostridium菌属的大量繁殖,使得丁酸成为最主要的挥发性脂肪酸,累积在系统中,加剧了厌氧反应器的发泡现象。(2)阐明了 Pd-PS对厌氧消化系统产气性能的促进机制。随着Pd-PS浓度的增加,系统的累积产甲烷量有所增加。对污泥胞外聚合物的蛋白质二级结构进行表征,发现Pd-PS的添加会降低蛋白质浓度,并通过蛋白质的疏松结构暴露污泥内部疏水基团,有利于颗粒污泥的凝聚及稳定存在。Pd-PS的添加会增加胞外聚合物中的羟基、氨基等亲水性官能团,并与腐殖酸类发生作用,造成腐殖酸类物质的减少,改变胞外聚合物的组成。对微生物的群落分析,发现Pd-PS可以通过分解乙酸和利用H2与C02合成这两种途径促进CH4产生,另外,Geobacter菌属相对丰度的提升验证了 Pd可以促进直接种间电子传递方式。(3)揭示了 AGS胞外聚合物对气泡脱附的关键作用。AFM实验的结果显示,对于CH4和CO2这两种模拟生物气气泡来说,蛋白废水中的AGS(AGSp)比啤酒废水中的AGS(AGSb)对CH4及CO2气泡具有更大的粘附力。两种AGS对CH4或CO2气泡的归一化粘附力差异与AGS的表面性质有关,不同种类的AGS会造成气泡产生量或速率的不同。与AGSp的胞外聚合物相比,AGSb的胞外聚合物中具有更高的蛋白质含量和更高的蛋白浓度/多糖浓度(PN/PS)比值。AGSb和AGSp的表面均带负电,与生物气气泡间可能存在静电斥力,但AGSp的C=O含量低于AGSb的,这与油接触角的数据一致,说明AGSp的表面更具疏水性,和疏水性的生物气气泡间存在更大的粘附力。