微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法
【專利摘要】微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，它涉及一種有機(jī)廢棄生物質(zhì)快速產(chǎn)甲烷的方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有污泥厭氧發(fā)酵工藝存在污泥絮體破壁困難、污泥微生物細(xì)胞中有機(jī)質(zhì)難以充分釋放至液相、污泥有機(jī)質(zhì)利用率和甲烷回收率低的技術(shù)問題。本方法如下：一、污泥預(yù)處理；二、陽極電解菌群功能微生物馴化；三、微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化。本發(fā)明借助微生物催化電解系統(tǒng)的電介導(dǎo)作用更快速的轉(zhuǎn)化了體系中的質(zhì)子，同時以電子形式有效轉(zhuǎn)化復(fù)雜有機(jī)酸成分，消除系統(tǒng)中酸累積的抑制作用，能夠有效促進(jìn)污泥厭氧消化和產(chǎn)甲烷的速率與產(chǎn)量。本發(fā)明屬于微生物電解促進(jìn)剩余污泥產(chǎn)甲烷的領(lǐng)域。
【專利說明】微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種有機(jī)廢棄生物質(zhì)快速產(chǎn)甲烷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]城市污泥對環(huán)境的潛在危害及其高昂的處理費用使得污泥的減量化與資源化成為世界范圍廣泛關(guān)注的問題，而利用剩余污泥產(chǎn)甲烷是實現(xiàn)其資源化的最重要的方式之一，厭氧消化工藝是目前最可行的污泥穩(wěn)定化工藝，與其他生化方法相比，厭氧消化工藝的優(yōu)點包括(I)處理效果好，能夠最大限度的降解污泥中的有機(jī)物；(2)消化污泥的脫水性好，可大大減少污泥體積，實現(xiàn)污泥的減量化和穩(wěn)定化；(3)可伴隨產(chǎn)生高能沼氣，工藝整體能耗低。
[0003]由于污泥的特殊性質(zhì)，現(xiàn)有污泥厭氧發(fā)酵工藝普遍存在著污泥絮體破壁困難、污泥微生物細(xì)胞中有機(jī)質(zhì)難以充分釋放至液相、污泥有機(jī)質(zhì)利用率和甲烷回收率低等問題，且單純通過運行調(diào)控和操作優(yōu)化難以有所突破，因此，如何從機(jī)理上有創(chuàng)造性地改進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵過程，提高污泥利用率和甲烷產(chǎn)率，是廣受關(guān)注的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有污泥厭氧發(fā)酵工藝存在的污泥絮體破壁困難、污泥微生物細(xì)胞中有機(jī)質(zhì)難以充分釋放至液相、污泥有機(jī)質(zhì)利用率和甲烷回收率低的技術(shù)問題，提供了一種微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法。
[0005]微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法按照以下步驟進(jìn)行:
[0006]一、污泥預(yù)處理:調(diào)節(jié)污泥濃度至14000mg/L，利用雙頻超聲對污泥預(yù)處理lOmin，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)污泥pH值為10，然后冷藏待用；
[0007]二、陽極電解菌群功能微生物馴化:以單室MEC反應(yīng)器作為微生物電解厭氧馴化器，電極兩端添加固定外加0.6~0.9V微電壓，30°C條件下培養(yǎng)，單室MEC反應(yīng)器啟動階段，24h為一個周期，且每間隔24h更換一次培養(yǎng)基，在單室MEC反應(yīng)器換完培養(yǎng)基后，反應(yīng)室中持續(xù)通入20min純度為99.998%的氮氣去除殘留的氧氣，在馴化溫度為30°C的條件下，進(jìn)行序批式馴化，檢測串聯(lián)10 ?電阻的電路中電流達(dá)到2.0mA以上，完成馴化，得到帶有陽極功能菌群的微生物電極；
[0008]三、微生物電介導(dǎo)促 進(jìn)污泥厭氧消化:以步驟二中的微生物電極為陽極，涂鉬碳布為陰極，將兩電極以陰極下置、陽極上置的形式插入?yún)捬跸磻?yīng)器中，然后將步驟一中經(jīng)預(yù)處理的污泥加入到厭氧消化反應(yīng)器，并添加占總體積10 %的新鮮污泥作為接種物，步驟一中經(jīng)預(yù)處理的污泥與新鮮污泥的體積比為10: 1，曝氮氣lOmin，密封厭氧消化反應(yīng)器，電極兩端添加0.8V微電壓,控制發(fā)酵溫度35°C~38°C,磁力攪拌速度100rpm/min,發(fā)酵5~20天，完成微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的過程。
[0009]步驟一中所述利用雙頻超聲對污泥預(yù)處理是在裝有頻率為28kHz和40kHz的超聲波發(fā)生器的槽式超聲儀中進(jìn)行的，超聲預(yù)處理的聲能密度為0.25~1.0kW/L。[0010]
[0011]步驟三中電兩極間距為0.5~5cm。
[0012]步驟三中電極位置為陽極上置，陰極下置。
[0013]本發(fā)明的原理:
[0014]由于剩余污泥的生物可降解性低，完全的厭氧消化需相當(dāng)長的時間，20~30d的停留時間僅能去除30%~50%的揮發(fā)性固體(VSS)，污泥固體細(xì)胞分解和胞內(nèi)生物大分子水解為小分子，是厭氧消化的限速步驟。傳統(tǒng)的厭氧消化過程的處理時間長，產(chǎn)甲烷過程是產(chǎn)甲烷菌 群與發(fā)酵產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌群相互合作的過程。陽極電子傳遞菌與產(chǎn)甲烷菌具有相似的生態(tài)位，本發(fā)明方法是將附著于電極表面的胞外電子傳遞菌構(gòu)筑于傳統(tǒng)厭氧產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中。這類胞外電子傳遞功能菌具有高效的降解有機(jī)物的能力，并能夠?qū)?fù)雜底物直接降解為電子和二氧化碳。通過上置陽極下置陰極的嵌入結(jié)構(gòu)，首先保證產(chǎn)甲烷菌優(yōu)先利用乙酸等最適底物，剩余的C3以上的揮發(fā)酸以及短時間內(nèi)未有效降解的復(fù)雜有機(jī)質(zhì)在上部陽極區(qū)生物分解；在外加輔助電壓下，陽極功能菌群有效降解各類有機(jī)酸并將生物電子傳遞到下部陰極，在陰極表面的催化劑作用下由電子與質(zhì)子直接結(jié)合產(chǎn)生氫氣。這個過程可以通過調(diào)節(jié)外加電壓實現(xiàn)電子傳遞過程的加速和質(zhì)子的進(jìn)一步消耗，減少酸性抑制，利用微生物電催化產(chǎn)氫為氫營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌提供充足的氫氣底物。
[0015]本發(fā)明的有益效果:微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法中，借助生物催化電解系統(tǒng)的電介導(dǎo)作用更快速的轉(zhuǎn)化了體系中的質(zhì)子，同時以電子形式有效轉(zhuǎn)化復(fù)雜有機(jī)酸成分，消除系統(tǒng)中酸累積的抑制作用，能夠有效促進(jìn)污泥厭氧消化，提高產(chǎn)甲烷的速率與產(chǎn)量。經(jīng)預(yù)處理的剩余厭氧發(fā)酵24h后有機(jī)酸達(dá)到4000mg C0D/L,第3天提升至6000mg COD/L，并在微生物電子介導(dǎo)作用下開始產(chǎn)甲烷，穩(wěn)定后最大產(chǎn)甲烷速率為0.138m3CH4/m3/d,比傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵過程提高3倍，VSS去除率提高10~20%。
[0016]本發(fā)明方法用于促進(jìn)污泥厭氧消化。
[0017]本發(fā)明提出的工藝將生物催化電解系統(tǒng)與厭氧體系耦合，借助生物催化電解系統(tǒng)更快速的轉(zhuǎn)化質(zhì)子，同時以電子形式有效轉(zhuǎn)化復(fù)雜有機(jī)酸成分，微生物電解體系能有效提高污泥產(chǎn)甲烷的速率和產(chǎn)量。生物電化學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)工藝結(jié)合能夠科學(xué)的避免新工藝與傳統(tǒng)工藝技術(shù)改造以及現(xiàn)有設(shè)施\設(shè)備更換之間的沖突，現(xiàn)有技術(shù)體系下在保留原有工藝設(shè)施的基礎(chǔ)上通過工藝局部改進(jìn)即可對污泥處理效果和能量收益產(chǎn)生較大的促進(jìn)作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的裝置示意圖，圖中I表示陽極，2表不陰極，3表不外電路,4表不取樣口，5表不攪拌器,6表不氣體收集裝置；
[0019]圖2是實施例一與對比實驗一的甲烷積累量與發(fā)酵時間的關(guān)系圖；其中代表對比實驗一中的甲烷積累量與發(fā)酵時間的關(guān)系曲線；“ ”和分別代表實施例一中兩組平行實驗的甲烷積累量與發(fā)酵時間的關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。[0021]【具體實施方式】一:本實施方式微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法按照以下步驟進(jìn)行:
[0022]一、污泥預(yù)處理:調(diào)節(jié)污泥濃度至14000mg/L，利用雙頻超聲對污泥預(yù)處理lOmin，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)污泥pH值為10，然后冷藏待用； [0023]二、陽極電解菌群功能微生物馴化:以單室MEC反應(yīng)器作為微生物電解厭氧馴化器，電極兩端添加固定外加0.6~0.9V微電壓，30°C條件下培養(yǎng)，單室MEC反應(yīng)器啟動階段，24h為一個周期，且每間隔24h更換一次培養(yǎng)基，在單室MEC反應(yīng)器換完培養(yǎng)基后，反應(yīng)室中持續(xù)通入20min純度為99.998%的氮氣去除殘留的氧氣，在馴化溫度為30°C的條件下，進(jìn)行序批式馴化，檢測串聯(lián)10 ?電阻的電路中電流達(dá)到2.0mA以上，完成馴化，得到帶有陽極功能菌群的微生物電極；
[0024]三、微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化:以步驟二中的微生物電極為陽極，涂鉬碳布為陰極，將兩電極以陰極下置、陽極上置的形式插入?yún)捬跸磻?yīng)器中，然后將步驟一中經(jīng)預(yù)處理的污泥加入到厭氧消化反應(yīng)器，并添加占總體積10%的新鮮污泥作為接種物，步驟一中經(jīng)預(yù)處理的污泥與新鮮污泥的體積比為10: 1，曝氮氣lOmin，密封厭氧消化反應(yīng)器，電極兩端添加0.8V微電壓,控制發(fā)酵溫度35°C~38°C,磁力攪拌速度100rpm/min,發(fā)酵5~20天，完成微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的過程。
[0025]本實施方式步驟二中微生物電解厭氧馴化器的陽極為碳纖維與鈦絲構(gòu)成的碳刷。
[0026]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是步驟一中所述雙頻超聲對污泥預(yù)處理是在裝有頻率為28kHz和40kHz的超聲波發(fā)生器的槽式超聲儀中進(jìn)行的，超聲預(yù)處理的聲能密度為0.25~1.0kW/L。其它與【具體實施方式】一相同。
[0027]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是步驟二中電極兩端添加外加0.8V微電壓。其它與【具體實施方式】一或二之一相同。
[0028]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是步驟二微生物電解厭氧馴化器中陰極為導(dǎo)電碳布制備的涂鉬碳布。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0029]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是步驟三中發(fā)酵溫度為37V。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0030]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是步驟三中發(fā)酵時間為6天。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0031]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是步驟三中發(fā)酵時間為7天。其它與【具體實施方式】一至六之一相同。
[0032]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是步驟三中發(fā)酵時間為8天。其它與【具體實施方式】一至七之一相同。
[0033]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同的是步驟三中電兩極間距為0.5~5cm。其它與【具體實施方式】一至八之一相同。
[0034]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一至九之一不同的是步驟三中電極位置為陽極上置，陰極下置。其它與【具體實施方式】一至九之一相同。
[0035]采用以下實施例和對比實驗驗證本發(fā)明的有益效果:
[0036]實施例一:本實施例微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0037]一.量取800ml剩余污泥，將剩余污泥放入容器中在溫度為4°C條件下自然沉降24h，排掉上清液，將得到的污泥用水調(diào)節(jié)濃度至14000mg/L，利用雙頻超聲(裝有頻率為28kHz和40kHz的超聲波發(fā)生器的槽式超聲儀中進(jìn)行，能量密度0.5kff/L)對污泥預(yù)處理lOmin，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)污泥pH為10后冷藏待用。
[0038]二.利用體積為30ml的聚碳酸酯有機(jī)玻璃單室MEC反應(yīng)器，電路中輔助電源正極連接碳刷陽極，負(fù)極連接涂鉬碳布陰極，電極兩端外加0.8V微電壓，30°C條件下培養(yǎng)，24小時后用乙酸鈉為單一碳源的培養(yǎng)液更換馴化器溶液，序批式馴化一周，檢測電路中串聯(lián)10 ?的負(fù)載中電流達(dá)到2.0mA以上即為馴化成功。
[0039]三.以步驟二中馴化成功的微生物陽極為陽極，涂鉬碳布為陰極，將兩電極以陰極下置、陽極上置的形式插入700ml的玻璃厭氧消化反應(yīng)器中，取步驟一中經(jīng)預(yù)處理的污泥500ml加入反應(yīng)器中，并添加50ml的新鮮剩余污泥作為接種物，曝氮氣IOmin以驅(qū)除污泥中的溶氧，密封厭氧消化反應(yīng)器，電極兩端施加0.8V微電壓，控制發(fā)酵溫度35°C~38°C，磁力攪拌速度100rpm/min,發(fā)酵20天,完成微生物電介導(dǎo)催化的厭氧消化過程。
[0040]其中所用污泥取自哈爾濱太平污水處理廠。
[0041]對比實驗一:
[0042]本對比實驗為未施加微生物電介導(dǎo)的污泥厭氧消化的方法，具體是按以下步驟進(jìn)行的: [0043]一.量取800ml剩余污泥，將剩余污泥放入容器中在溫度為4°C條件下自然沉降24h，排掉上清液，將得到的污泥用水調(diào)節(jié)濃度至14000mgVSS/L，利用雙頻超聲(裝有頻率為28kHz和40kHz的超聲波發(fā)生器的槽式超聲儀中進(jìn)行，能量密度0.5kff/L)對污泥預(yù)處理lOmin，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)污泥pH為10后冷藏待用。
[0044]二.取步驟一中經(jīng)預(yù)處理的污泥500ml加入總體積為700ml的玻璃厭氧消化反應(yīng)器中，并添加50ml的新鮮剩余污泥作為接種物，曝氮氣IOmin以驅(qū)除污泥中的溶氧，密封反應(yīng)器，控制發(fā)酵溫度35°C~38°C,磁力攪拌速度100rpm/min,發(fā)酵20天,完成無微生物電介導(dǎo)催化的污泥厭氧消化過程。
[0045]其中所使用污泥取自哈爾濱太平污水處理廠。
[0046]實施例一中，第24小時微生物電催化促進(jìn)系統(tǒng)在持續(xù)微電壓下使揮發(fā)酸濃度達(dá)到4100mg C0D/L,比對比實驗一揮發(fā)酸積累量增加20%，第3天促進(jìn)系統(tǒng)揮發(fā)酸最高產(chǎn)量可以達(dá)到6500mg C0D/L，同時開始產(chǎn)甲烷。圖2為實施例一與對比實驗一的甲烷積累量與發(fā)酵時間的關(guān)系圖，由圖可見實施例一中污泥穩(wěn)定產(chǎn)甲烷后最高甲烷產(chǎn)率達(dá)到0.138m3CH4/m3reactor/d,比傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵過程增高3倍。產(chǎn)氣10天(10到20天)促進(jìn)體系最終累計甲烷產(chǎn)量比傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵提高3倍，VSS去除率提高10-20%。
【權(quán)利要求】
1.微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，其特征在于微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法按照以下步驟進(jìn)行: 一、污泥預(yù)處理:調(diào)節(jié)污泥濃度至14000mg/L,利用雙頻超聲對污泥預(yù)處理IOmin,用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)污泥pH值為10，然后冷藏待用； 二、陽極電解菌群功能微生物馴化:以單室MEC反應(yīng)器作為微生物電解厭氧馴化器，電極兩端添加固定外加0.6~0.9V微電壓，30°C條件下培養(yǎng)，單室MEC反應(yīng)器啟動階段，24h為一個周期，且每間隔24h更換一次培養(yǎng)基，在單室MEC反應(yīng)器換完培養(yǎng)基后，反應(yīng)室中持續(xù)通入20min純度為99.998%的氮氣去除殘留的氧氣，在馴化溫度為30°C的條件下，進(jìn)行序批式馴化，檢測串聯(lián)10 ?電阻的電路中電流達(dá)到2.0mA以上，完成馴化，得到帶有陽極功能菌群的微生物電極； 三、微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化:以步驟二中的微生物電極為陽極，涂鉬碳布為陰極，將兩電極以陰極下置、陽極上置的形式插入?yún)捬跸磻?yīng)器中，然后將步驟一中經(jīng)預(yù)處理的污泥加入到厭氧消化反應(yīng)器，并添加占總體積10%的新鮮污泥作為接種物，步驟一中經(jīng)預(yù)處理的污泥與新鮮污泥的體積比為10: 1，曝氮氣lOmin，密封厭氧消化反應(yīng)器，電極兩端添加0.8V微電壓,控制發(fā)酵溫度35°C~38°C,磁力攪拌速度100rpm/min,發(fā)酵5~20天，完成微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，其特征在于步驟一中所述雙頻超聲對污泥預(yù)處理是在裝有頻率為28kHz和40kHz的超聲波發(fā)生器的槽式超聲儀中進(jìn)行的，超聲預(yù)處理的聲能密度為0.25~1.0kW/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，其特征在于步驟二中電極兩端添加固定外加0.8V微電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，其特征在于步驟三中發(fā)酵溫度為37V。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，其特征在于步驟三中發(fā)酵時間為6天。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，其特征在于步驟三中發(fā)酵時間為7天。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，其特征在于步驟三中發(fā)酵時間為8天。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，其特征在于步驟三中電兩極間距為0.5~5cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述所述微生物電介導(dǎo)促進(jìn)污泥厭氧消化的方法，其特征在于步驟三中電極位置為陽極上置，陰極下置。
【文檔編號】C02F11/00GK103922554SQ201410189152
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】王愛杰, 劉文宗, 蔡偉偉, 郭澤沖, 王羚, 周愛娟, 楊春雪 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心