CN105036320B - 一种磁场强化铁粉提高有机废物和废水厌氧产沼气效率的方法 - Google Patents

一种磁场强化铁粉提高有机废物和废水厌氧产沼气效率的方法 Download PDF

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Abstract

一种磁场强化铁粉提高有机废物和废水厌氧产沼气效率的方法，厌氧发酵罐周围施加磁场，在厌氧发酵罐内的有机废物和废水中投加零价铁，在厌氧条件和微生物的作用下使废水得到净化，同时在产甲烷菌作用下产生甲烷，将甲烷回收资源化利用。本发明中磁场的加载可抑制反应过程中铁粉钝化膜的产生，减少铁粉投加量。铁粉发生电化学反应，磁场促进更多铁粉失去电子转化为Fe2+和Fe3+，电子被水中的H+捕获，形成H2，H2与CO2经厌氧反应罐中的产甲烷菌作用生成CH4，显著提高有机废物和废水的处理效率和甲烷产率。

Description

一种磁场强化铁粉提高有机废物和废水厌氧产沼气效率的 方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种固体废物和废水处理方法，更具体地涉及一种磁场强化铁粉提高有机废物和废水厌氧产沼气效率的方法
背景技术
随着城市规模的扩大，生活污水、工业废水以及有机固废等生活垃圾的排放量也不断提高，从而导致环境污染严重。近年来，人们对环保的关注越来越多，亟需寻找一种经济高效的水处理方法和有机固废处理方法。厌氧处理技术因其运行成本低、投资小、占地面积小而成为一种重要的环境保护技术。但传统厌氧处理技术处理效率较低、运行时间长、产甲烷效率低，制约了其在水处理和固废领域的应用。
零价铁作为一种易得的还原性金属，能够降低厌氧过程中的氧化还原电位(ORP)，在一定程度上能够促进厌氧反应的效率。目前，在厌氧过程中投加铁粉的方法经过研究已经证明可提高厌氧产沼效率，但是该方法还存在以下问题:
(1)铁粉易板结/团聚和易钝化。
(2)零价铁投加量较大，易对微生物的活性产生抑制影响，零价铁和微生物的相互耦合作用有待进一步提高。为降低成本和减少铁粉对微生物生长的抑制影响，零价铁的投加量还需要进一步降低。
(3)零价铁强化厌氧处理对产沼气的效率还有待进一步提高。
(4)受气温影响大，冬季气温低时，铁粉提高沼气产率效率有限，产气率低。
因此如何进一步利用铁粉提高其对废水和有机固废的厌氧产沼效率有必要进一步研究.
发明内容
本发明的目的是提供一种利用磁场强化铁粉提高厌氧沼气产率的方法，以克服现有厌氧技术技术沼气产率低，冬季低温难以稳定运行，采用铁粉提高沼气产率时铁粉投加量高等问题。
为实现上述目的，本发明提供的磁场强化铁粉提高有机废物和废水厌氧产沼气效率的方法，是采用厌氧发酵罐形式，在厌氧发酵罐周围施加磁场，向厌氧发酵罐内的有机废物和废水中投加零价铁，在厌氧条件和微生物的作用下使废水得到净化，同时在产甲烷菌作用下产生甲烷，将甲烷回收资源化利用。
所述的方法，其中，零价铁的投加量为0.3-1.5g/L。
所述的方法，其中，零价铁为杭锦2#土负载零价铁。
所述的方法，其中，杭锦2#土负载零价铁的制备步骤为：
1)将含铁氧化物溶于乙醇溶液中，得到混合液；
2)在步骤1的混合液中加入杭锦2#土，纳米零价铁与杭锦2#土质量比为1:4-5；
3)向步骤2的产物中通入氮气，搅拌去除氧气；
4)向步骤3的产物加入还原剂，将含铁氧化物还原成纳米零价铁，并均匀分散于载体材料杭锦2#土表面；
5)将步骤4得到的产物进行固液分离，固体真空干燥，得到杭锦2#土2#土负载纳米零价铁的吸附材料。
所述的方法，其中，零价铁为纳米零价铁。
所述的方法，其中，磁场为低温超导磁场。
所述的方法，其中，磁场强度>30.0mT。
与铁粉提高废水和有机物厌产沼效率相比，本发明的效益是：
提高冬季产沼效率，保证系统高效稳定长期运行，特别是冬天稳定运行；抑制零价铁表面钝化膜的产生，解决铁粉由于易板结和团聚/钝化影响产沼效率的问题；通过磁场提高铁粉的还原作用，减少了铁粉的投加量，降低了铁对反应体系的毒性，同时降低了成本；通过磁场提高铁粉的还原作用，进一步降低厌氧反应体系的ORP，缓冲体系的PH，利于反应体系中产甲烷菌的生长和繁殖，从而有利于厌氧产沼气；促进Fe2+和Fe3+产生，产生的Fe2+促进微生物的生长，所提供的电子促进厌氧反应体系中产甲烷菌的生长和繁殖，加强零价铁和微生物的相互耦合作用.提高产甲烷速率，进一步降低体系中S对厌氧过程的抑制，最终强化零价铁对提高废水和有机物厌氧产沼效率.
零价铁采用杭锦2#土负载零价铁的好处：避免纳米零价铁聚集而降低其活性。杭锦2#土本身具有很好的吸附作用，可吸附去除厌氧反应体系中的一些有害物质，从而提高厌氧产沼效率。
采用低温超导磁场，一方面，磁场强度可变范围大，可根据实际需要调整磁场强度；超导磁场可利用空间大，可用于施加于大型厌氧反应罐；低温超导磁场一旦低温启动运行，产生磁场的电线圈即在超导状态下运行，电阻为零，所以能耗为零，利用低温超导磁场强化厌氧产沼所需额外运行成本低。
附图说明
图1是杭锦土2#负载零价铁(NZVI)的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供的磁场强化铁粉提高有机废物和废水厌氧产沼气效率的方法，采用厌氧发酵罐形式：在厌氧发酵罐周围施加磁场，有机废物和废水注入发酵罐，投加零价铁，在厌氧条件下反应保证适当的停留时间，在微生物的作用下使得废水得到净化，同时在产甲烷菌作用下产生甲烷，将甲烷回收资源化利用。零价铁也可以是负载在杭锦2#土载体上的零价铁，零价铁为纳米零价铁材料；磁场为低温超导磁场，磁场强度>30.0mT。
磁场提高铁粉对厌氧产沼效率主要原理为：磁场的加载促进铁粉发生电化学反应，失去的电子转化为Fe2+和Fe3+，电子被水中的H+捕获，形成H2，H2与CO2经厌氧反应罐中的产甲烷菌作用生成CH4，显著提高有机固废和废水的甲烷产率。
实施例1
采用厌氧发酵罐形式，在1000ml发酵罐周围利用低温超导磁体施加磁场，磁场强度为1T，废水和有机物注入厌氧发酵罐，同时发酵罐中加入1g杭锦2#土负载零价铁，密封厌氧发酵。在运行的第10天，测得沼气产生量为450ml/天，而没有施加磁场的厌氧发酵罐的沼气产生量为380ml/天。
实施例2
采用厌氧发酵罐形式，在1000ml发酵罐周围利用低温超导磁体施加磁场，磁场强度为50mt，废水和有机物注入厌氧发酵罐，同时发酵罐中加入0.5g杭锦2#土负载零价铁，密封厌氧发酵。在运行的第10天，测得沼气产生量为400ml/天，而没有施加磁场的厌氧发酵罐的沼气产生量为350ml/天。
本发明杭锦2#土为载体负载纳米零价铁的方法是：
1)将1.932g的FeCl3·6H2O溶于50ml乙醇溶液(40ml乙醇，10ml水)中，得到混合液。
2)将步骤1的混合液至三口烧瓶中，并加入经过简单研磨过200目筛的2.00g杭锦土。使纳米零价铁(NZVI)与杭锦2#土质量比为1:4-5。
3)向步骤2的产物中通入氮气磁力搅拌30分钟，去除混合液中的氧气。
4)将0.708g还原剂(如硼氢化钠)溶于溶液100ml水中，将硼氢化钠溶液转移至250ml梨形烧瓶中。
5)在持续搅拌和通入氮气的条件下，将步骤4的硼氢化钠溶液以2-3滴/秒的滴加速度加入步骤3的产物中，反应结束后继续搅拌20分钟，搅拌速度为250转/分钟。
6)将步骤5中得到的产物进行固液分离，获得的固体使用无水乙醇洗涤3次，将固体75℃真空干燥过夜，得到黑色固体即为以杭锦2#土为载体的纳米零价铁复合材料，样品使用前保存在氮气气氛中防止其被氧。
制备的杭锦2#土负载纳米零价铁的扫描电镜图如图1所示，经测定其反应活性和还原有效性达到93％。

Claims (4)

1.一种磁场强化铁粉提高有机废物和废水厌氧产沼气效率的方法，厌氧发酵罐周围施加磁场，在厌氧发酵罐内的有机废物和废水中投加杭锦2#土负载的纳米零价铁，在厌氧条件和微生物的作用下使废水得到净化，同时在产甲烷菌作用下产生甲烷，将甲烷回收资源化利用；
其中，杭锦2#土负载纳米零价铁的制备步骤为：
步骤1，将含铁氧化物溶于乙醇溶液中，得到混合液；
步骤2，在步骤1的混合液中加入杭锦2#土，使最终制得的纳米零价铁与杭锦2#土的质量比为1∶4-5；
步骤3，向步骤2的产物中通入氮气，搅拌去除氧气；
步骤4，向步骤3的产物加入还原剂，将含铁氧化物还原成纳米零价铁，并均匀分散于载体材料杭锦2#土的表面；
步骤5，将步骤4得到的产物进行固液分离，固体真空干燥，得到杭锦2#土负载纳米零价铁的吸附材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，杭锦2#土负载的纳米零价铁的投加量为0.3-1.5g/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，磁场为低温超导磁场。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，磁场强度＞30.0mT。
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