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(wèn)題。本方法如下：一、污泥預(yù)處理；二、陽(yáng)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(shí)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(shuō)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(duì)環(huán)境的潛在危害及其高昂的處理費(fèi)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(wèn)題，而利用剩余污泥產(chǎn)甲烷是實(shí)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(diǎn)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(shí)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(wèn)題，且單純通過(guò)運(yùn)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(guò)程，提高污泥利用率和甲烷產(chǎn)率，是廣受關(guān)注的問(wèn)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(wèn)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(duì)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(yáng)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(dòng)階段，24h為一個(gè)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?dú)馊コ龤埩舻难鯕?，在馴化溫度為30°C的條件下，進(jìn)行序批式馴化，檢測(cè)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(yáng)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(yáng)極，涂鉬碳布為陰極，將兩電極以陰極下置、陽(yáng)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?dú)鈒Omin，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(guò)程。
[0009]步驟一中所述利用雙頻超聲對(duì)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(yáng)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(zhǎng)的時(shí)間，20~30d的停留時(shí)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(guò)程的處理時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)甲烷過(guò)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(guò)程。陽(yáng)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(guò)上置陽(yáng)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(shí)間內(nèi)未有效降解的復(fù)雜有機(jī)質(zhì)在上部陽(yáng)極區(qū)生物分解；在外加輔助電壓下，陽(yáng)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(gè)過(guò)程可以通過(guò)調(diào)節(jié)外加電壓實(shí)現(xiàn)電子傳遞過(guò)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(yíng)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(shí)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(kāi)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(guò)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(shí)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(guò)工藝局部改進(jìn)即可對(duì)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(shuō)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(yáng)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(shí)施例一與對(duì)比實(shí)驗(yàn)一的甲烷積累量與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系圖；其中代表對(duì)比實(shí)驗(yàn)一中的甲烷積累量與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系曲線；“ ”和分別代表實(shí)施例一中兩組平行實(shí)驗(yàn)的甲烷積累量與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系曲線。
【具體實(shí)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(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。[0021]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)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(duì)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(yáng)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(dòng)階段，24h為一個(gè)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?dú)馊コ龤埩舻难鯕猓隈Z化溫度為30°C的條件下，進(jìn)行序批式馴化，檢測(cè)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(yáng)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(yáng)極，涂鉬碳布為陰極，將兩電極以陰極下置、陽(yáng)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?dú)鈒Omin，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(guò)程。
[0025]本實(shí)施方式步驟二中微生物電解厭氧馴化器的陽(yáng)極為碳纖維與鈦絲構(gòu)成的碳刷。
[0026]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是步驟一中所述雙頻超聲對(duì)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(shí)施方式】一相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)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(shí)施方式】一或二之一相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)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(shí)施方式】一至三之一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)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(shí)施方式】一至四之一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是步驟三中發(fā)酵時(shí)間為6天。其它與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是步驟三中發(fā)酵時(shí)間為7天。其它與【具體實(shí)施方式】一至六之一相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是步驟三中發(fā)酵時(shí)間為8天。其它與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)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(shí)施方式】一至八之一相同。
[0034]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至九之一不同的是步驟三中電極位置為陽(yáng)極上置，陰極下置。其它與【具體實(shí)施方式】一至九之一相同。
[0035]采用以下實(shí)施例和對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
[0036]實(shí)施例一:本實(shí)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(duì)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(yáng)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(shí)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(cè)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(yáng)極為陽(yáng)極，涂鉬碳布為陰極，將兩電極以陰極下置、陽(yáng)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?dú)釯Omin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(guò)程。
[0040]其中所用污泥取自哈爾濱太平污水處理廠。
[0041]對(duì)比實(shí)驗(yàn)一:
[0042]本對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)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?dú)釯Omin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(wú)微生物電介導(dǎo)催化的污泥厭氧消化過(guò)程。
[0045]其中所使用污泥取自哈爾濱太平污水處理廠。
[0046]實(shí)施例一中，第24小時(shí)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(duì)比實(shí)驗(yàn)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(shí)開(kāi)始產(chǎn)甲烷。圖2為實(shí)施例一與對(duì)比實(shí)驗(yàn)一的甲烷積累量與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系圖，由圖可見(jiàn)實(shí)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(guò)程增高3倍。產(chǎn)氣10天(10到20天)促進(jìn)體系最終累計(jì)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(duì)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(yáng)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(dòng)階段，24h為一個(gè)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?dú)馊コ龤埩舻难鯕?，在馴化溫度為30°C的條件下，進(jìn)行序批式馴化，檢測(cè)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(yáng)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(yáng)極，涂鉬碳布為陰極，將兩電極以陰極下置、陽(yáng)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?dú)鈒Omin，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(guò)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(yáng)極上置，陰極下置。
【文檔編號(hào)】C02F11/00GK103922554SQ201410189152
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)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(ài)杰, 劉文宗, 蔡偉偉, 郭澤沖, 王羚, 周愛(ài)娟, 楊春雪 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心