CN109133550B - 一种污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的方法 - Google Patents

一种污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的方法。该方法包括以下步骤:将含有菲的污泥加入厌氧消化反应器中，接种产甲烷厌氧驯化污泥，在厌氧反应器中加入电解电极，在电极两端施加直流电压，并加入菲厌氧降解菌，搅拌使反应体系混合均匀，同时控制发酵温度进行厌氧消化反应，直至发酵周期结束。本发明结合厌氧消化和电化学系统的特点，反应体系中电化学反应与污泥厌氧消化耦合，向体系中添加菲降解菌以去除污泥中的菲，所述方法能有效地降解污泥中菲同时能提高厌氧消化产甲烷的效率，减小菲对环境的危害，提高污泥资源化利用效率，具有良好的经济和环境效益。

Description

一种污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的方法
技术领域
本发明属于环境保护及难降解有机污染物处理技术领域，涉及一种促进污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的方法。
背景技术
随着全球经济的飞速发展，环境及能源问题接踵而至。从而能在保护环境的同时解决能源问题的方法将倍受关注。城市污泥是一种优质的低劣生物质资源，我国每天产生污泥量超过10万吨(含水率80％)，其中含有大量的可利用有机质，同时携带着污水中85％以上的有毒有害物质，其中最典型的一类有机污染物即为多环芳烃。
多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)，是指两个或两个以上的苯环以链状、角状或串状排列组成的化合物，是有机质不完全燃烧或高温裂解的副产品。多环芳烃是一类广泛分布并稳定存在于自然环境中的有机污染物，具有高毒性、高生物富集性和难降解等特点。其中菲属于比较简单的低分子量PAHs，同时具有“K区”及“湾区”的最小单元，是极具代表性的一种多环芳烃。菲在环境中检出浓度一般比较高，且作为优先控制的多环芳烃类物质，菲降解的研究对于多环芳烃类物质的环境治理具有重要意义。
目前，不少研究者已在厌氧条件下筛选出菲降解菌，但是单一菌株降解菲的效率不高，并且在自然界中的菲所处环境复杂，因此通过污泥厌氧消化去除污泥中菲同时产清洁能源沼气是实现污泥的减量化、稳定化、资源化、无害化处置的有效方式之一。为保证污泥安全土地利用，需提高污泥厌氧消化降解菲的效率，控制菲含量。
生物电化学系统(Bioelectrochemical systems,BES)作为一种新型的产电产能并同步处理有机废水的技术，近年来逐渐引起了人们的广泛关注，并跃升成为一个研究热点。生物电化学在污泥厌氧消化过程中能为整个体系永久提供电子及接受电子，弥补还原力不足的缺陷。将污泥厌氧消化与电化学氧化/还原相结合是通过供应电子作为生物催化剂在阳极和阴极间传递，从而促进有机物的降解。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中菲降解的效率不高的缺陷，提供一种促进污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的方法。所述的方法利用电化学与污泥厌氧消化耦合，同时向体系内添加菲降解菌以去除污泥中的菲，提高菲的降解率及合成甲烷的产率，同时解决污泥的处置问题，保护环境。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的方法，其特征在于：将含有菲的污泥装入厌氧反应器中，接种产甲烷厌氧驯化污泥，在厌氧反应器中加入电解电极，在电极两端施加直流电压，并加入菲厌氧降解菌，搅拌使反应体系混合均匀，同时控制发酵温度进行厌氧消化反应，直至发酵周期结束。
所述方法中，外加直流稳压电源和加入菲厌氧降解菌同步进行，反应体系中电化学反应与污泥厌氧消化耦合，向体系中添加菲厌氧降解菌可以去除污泥中的菲，提高菲的降解率及合成甲烷的产率。
所述方法中，产甲烷厌氧驯化污泥接种量优选为20％～30％(体积比)。
所述方法中，菲厌氧降解菌可以选自现有技术中已知的厌氧条件下的菲降解菌或Clostridium sp.LZ25，菲降解菌优选为Clostridium sp.LZ25，所述的菲降解菌为梭状芽孢杆菌，其分类命名为Clostridium sp.LZ25，已保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC)，保藏编号为：CGMCC NO:15046(保藏日期为：2017年12月11日，保藏地址为：中国.北京.中国科学院微生物研究所，朝阳区北辰西路1号院3号)。菲厌氧降解菌其投加量优选为107～109CFU/g干泥。
所述方法中，厌氧消化温度优选控制为(38±1)℃。
所述方法中，电极两端的直流电压优选为0.4～1.0V。
所述方法中，电解电极阳极的电极材料采用碳毡、碳棒、石墨等材料；阴极的电极材料采用碳纸、碳毡、钛网、不锈钢网等材料。优选阳极为碳毡，阴极为碳纸。
本发明有益效果：本发明采用电化学与污泥厌氧消化耦合体系，在体系中加菲降解菌，特别是Clostridium sp.LZ25实现对菲的高效率降解及甲烷的高效率合成，所述方法结合电化学与厌氧消化的特点，将污泥厌氧消化与MEC(Microbial Electrolysis Cell,微生物电解池)耦合相互促进，能显著提高甲烷合成效率；将菲降解菌应用在污泥厌氧消化体系中，显著提高菲的降解效率。本发明能有效促进污泥中有机污染物，同时利用污泥中有机质合成清洁能源甲烷，具有良好的经济、环保效益。
具体地，与传统污泥厌氧消化降解菲相比其主要优势体现在：
1)本发明利用电化学与菲降解菌厌氧消化耦合极大地促进污泥中菲的降解效率，并且适用于降解其他多环芳烃，对如何高效去除污泥中难降解有机污染物提供新思路。
2)本发明适用于大幅提高其他原料厌氧消化合成甲烷效率，实现对废弃物的高效利用。
3)电化学与污泥厌氧消化耦合不会造成二次污染，并且使污泥减量化，节约污泥处置成本。
4)污泥厌氧消化过程中可能缺乏对难降解有机污染物的还原力，而在电化学的帮助下能有效的弥补所缺的还原力。
附图说明
图1是本发明的电化学与污泥厌氧消化耦合的实验装置示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细说明，但是需要指出的是，本发明的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，而是由权利要求书来确定。
实施例1
一种促进污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的方法，具体步骤如下：
1.实验装置
如图1所示，污泥厌氧消化装置采用1L厌氧瓶，瓶中部及底部都设有取样口，在厌氧瓶中插入一对电解电极，电解电极外接直流恒压电源，提供电压为0.8V。阴极为碳毡，阳极为碳毡，电极大小均为3cm*6cm，阴阳极控制距离为3cm。实验采用排水集气法检测每日产气量。
2.实验运行
厌氧消化瓶中产甲烷厌氧驯化泥接种量为20％，控制菲含量为20mg/L，向电化学与污泥厌氧耦合消化体系中投加菲降解菌Clostridium sp.LZ25，投加量为109CFU/g干泥，充氮气除氧后用硅胶密封。机械搅拌使反应体系混合均匀，在38℃恒温培养箱中进行厌氧消化反应。每天对排水量及甲烷浓度进行检测，消化结束后，收集厌氧消化污泥，测定其中菲含量。
3.污泥样品处理
样品冷冻干燥后，经过100目钢筛筛分。称取样品0.5g污泥样品，以及等量干燥后无水硫酸钠于玻璃离心瓶中，加入10mL正己烷和10mL二氯甲烷，斡旋5min，超声1h，2000r离心10min后将上清液过层析柱从上向下依次经过无水硫酸钠(2cm)、硅胶(10cm)、无水硫酸钠(2cm)填充的层析柱进行净化。然后重复上述步骤对污泥样品二次提取，提取液经过旋转蒸发干，用内标定容至2mL，仪器待测。
4.污泥样品检测
使用高效液相色谱法测定菲，色谱柱使用安捷伦ZORBAX Eclipse PAH柱(4.6*250mm)波长254nm，柱温30℃，流动相为甲醇，流速0.8mL/min，淋洗时间为10min。
按照以上步骤，进行电化学与污泥厌氧消化耦合产甲烷同步降解菲的实验。
结果表明，实验组中甲烷总产气量为5845mL，污泥中菲的降解效率为63.8％。
实施例2
按照与实施例1基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：厌氧瓶中插入的阴极电极更换为钛网进行实验。
实验组中甲烷总产气量为5655mL，污泥中菲的降解效率为59.3％。
实施例3
按照与实施例1基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：厌氧瓶中插入的阴极电极更换为不锈钢网进行实验。
实验组中甲烷总产气量为6152mL，污泥中菲的降解效率为64.0％。
实施例4
按照与实施例1基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：厌氧瓶中插入的阴极电极更换为碳纸进行实验。
实验组中甲烷总产气量为6724mL，污泥中菲的降解效率为72.5％。
实施例5
按照与实施例4基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：厌氧瓶中插入的阳极电极更换为碳棒进行实验。
实验组中甲烷总产气量为6610mL，污泥中菲的降解效率为71.3％。
实施例6
按照与实施例4基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：厌氧瓶中插入的阳极电极更换为石墨进行实验。
实验组中甲烷总产气量为6599mL，污泥中菲的降解效率为70.9％。
实施例7
按照与实施例4基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：直流稳压电源提供电压更换为0.4V。
实验组中甲烷总产气量为6531mL，污泥中菲的降解效率为68％。
实施例8
按照与实施例4基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：直流稳压电源提供电压更换为0.6V。
实验组中甲烷总产气量为6649mL，污泥中菲的降解效率为72.0％。
实施例9
按照与实施例4基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：直流稳压电源提供电压更换为1.0V。
实验组中甲烷总产气量为6660mL，污泥中菲的降解效率为71.1％。
实施例10
按照与实施例4基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：菲降解菌Clostridium sp.LZ25投加量更改为108CFU/g干泥。
实验组中甲烷总产气量为6632mL，污泥中菲的降解效率为69.5％。
实施例11
按照与实施例4基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：菲降解菌Clostridium sp.LZ25投加量更改为107CFU/g干泥。
实验组中甲烷总产气量为6599mL，污泥中菲的降解效率为66.3％。
实施例12
按照与实施例5基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：菲降解菌Clostridium sp.LZ25更改为Klebsiellapneumoniae strain LZ6。
实验组中甲烷总产气量为6675mL，污泥中菲的降解效率为65.6％。
对比例1
污泥厌氧消化装置采用1L厌氧瓶，驯化泥接种量为20％，控制菲含量为20mg/L，充氮气除氧后用硅胶密封。机械搅拌使反应体系混合均匀，在38℃恒温培养箱中进行厌氧消化反应。每天对排水量及甲烷浓度进行检测，消化结束后，收集厌氧消化污泥，测定其中菲含量。
按照该步骤，进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的对照试验。
对照组中甲烷总产气量为4869mL，污泥中菲的降解效率为28.5％。
对比例2
按照与对比例1基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：向污泥厌氧消化体系中投加菲降解菌Clostridium sp.LZ25，投加量为109CFU/g干泥。
对照组中甲烷总产气量为5126mL，污泥中菲的降解效率为45.2％。
对比例3
按照与对比例1基本相同的方法进行污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲，不同之处在于：在厌氧瓶中插入一对电解电极，电解电极外接直流恒压电源，提供电压为0.8V。阴极为碳纸，阳极为碳毡，电极大小均为3cm*6cm，阴阳极控制距离为3cm。
对照组中甲烷总产气量为5353mL，污泥中菲的降解效率为46.0％。
以上各实施例及对比例中甲烷总产气量和污泥中菲的降解效率见表1。
表1
Figure BDA0001793656220000071

Claims (7)

1.一种污泥厌氧消化产甲烷同步降解菲的方法，包括以下步骤：将含有菲的污泥装入厌氧消化反应器中，接种产甲烷厌氧驯化污泥，在厌氧消化反应器中加入电解电极，在电极两端施加直流电压，并加入菲厌氧降解菌，所述的菲厌氧降解菌为梭状芽孢杆菌（Clostridium sp.）LZ25，保藏号为CGMCC NO: 15046；搅拌使反应体系混合均匀，同时控制发酵温度进行厌氧消化反应，直至发酵周期结束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产甲烷厌氧驯化污泥接种量按体积比计为20%～30%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的菲厌氧降解菌的投加量为107～109CFU/g干泥。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电极两端的直流电压为0.4～1.0V。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，厌氧消化反应温度控制为38±1℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电解电极的阳极为碳毡、碳棒或石墨。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电解电极的阴极为碳毡、碳纸、钛网或不锈钢网。
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