CN113321289A - 一种电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法 - Google Patents

一种电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电场耦合Fe‑C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，包括以下步骤：(1)在装有厌氧污泥和废水的厌氧容器中加入Fe‑C复合介体和电极；(2)将步骤(1)中的厌氧容器置于磁力搅拌器或恒温摇床中一段时间，同时对电极施加电压。本发明添加电场及Fe‑C复合介体提高了有机物降解速率及甲烷产生速率；本发明添加电场及Fe‑C复合介体可增强厌氧污泥的电导率以及增强对胞外聚合物的分泌，从而增加厌氧颗粒污泥的絮凝强度并提高厌氧微生物之间的电子转移能力；本发明添加电场及Fe‑C复合介体促进了乙酸发酵型产甲烷菌以及可进行直接电子传递的微生物的生长代谢，有效的促进了厌氧废水处理过程中甲烷的产生效率。

Description

一种电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效 能的方法
技术领域
本发明属于污泥厌氧消化强化处理技术领域，具体涉及一种电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法。
背景技术
厌氧废水处理技术是一种经济有效的处理中高浓度有机废水的污水处理方式。与传统的好氧活性污泥法相比，具有有机负荷高、能耗低、抗冲击能力强以及能产生沼气等优点。由于它将污水处理与能源化相结合，其得到了广泛关注和应用。
在废水的厌氧处理过程中，废水中的有机物经过多种微生物的共同代谢作用，最终被转化为水、二氧化碳、甲烷等。整个厌氧降解过程主要分为水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段。水解酸化阶段：一些大分子有机物转化为单糖、脂肪酸等。产氢产乙酸阶段：上一阶段的产物在产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌的作用下转化为乙酸、二氧化碳、氢等。产甲烷阶段：产甲烷菌将二氧化碳、氢气等转化为甲烷。但是厌氧生物处理技术在实际应用中依然存在许多问题：例如反应时间长，产甲烷过程易受到抑制等。
基于传统厌氧废水处理过程的局限性，目前强化厌氧废水生物处理过程的方法主要包括改变厌氧反应器的结构和加强厌氧生物处理过程的两大类方法。改变厌氧反应器的结构通过对反应器进行改进来增加微生物和废水之间的接触或者减少污泥流失等方法促进厌氧处理过程。加强厌氧生物处理过程例如通过向反应器中添加电场来强化厌氧生物处理过程。但是当利用低电压刺激厌氧微生物的代谢，促进产甲烷的过程中，通过建立高效的导电网络来实现有效的电子转移，会限制甲烷生成的性能。而当施加的电压过高时，可以抑制微生物的生长。
发明内容
为了解决上述背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，包括以下步骤：
(1)在装有厌氧污泥和废水的厌氧容器中加入Fe-C复合介体和电极；
(2)将步骤(1)中的厌氧容器置于磁力搅拌器或恒温摇床中一段时间，同时对电极施加电压。
进一步地，所述厌氧污泥、废水、Fe-C复合介体之间量的比例关系为20-40mL：60-80mL：40-150mg。
进一步地，所述电压为0.05-0.20V。
进一步地，所述恒温摇床的温度为35±1℃，转速为90-120r/min；
优选地，所述恒温摇床的运行时间为一个反应周期，即当产气量恒定、不再增加为止。
进一步地，所述Fe-C复合介体的制备方法包括以下步骤：
(1)将活性炭用硝酸或盐酸浸泡一段时间，然后用去离子水洗涤至溶液的pH为中性，之后将活性炭烘干；
(2)将FeSO4·7H2O或FeCl3·6H2O溶解在溶剂中，加入步骤(1)制备得到的活性炭并搅拌一段时间，然后加入NaBH4或KBH4溶液，继续搅拌一段时间制备得到Fe-C复合介体；
其中整个制备过程在无氧(氮气或惰性气体)气氛下进行。
进一步地，步骤(1)中所述活性炭为20-50目。
进一步地，步骤(1)中所述硝酸或盐酸的体积百分数为2-10％，所述浸泡的时间为18-30h。
进一步地，步骤(2)中所述溶剂为乙醇-水混合溶液，所述乙醇和水的体积比为3:7-1:1。
进一步地，步骤(2)中FeSO4·7H2O或FeCl3·6H2O、活性炭、KBH4的质量比为14.5:1.5:1。
进一步地，步骤(2)中加入活性炭后的搅拌时间为0.5-3h；
优选地，步骤(2)中加入KBH4溶液后的搅拌时间为0.5-1h。
本发明的有益效果是：(1)添加电场及Fe-C复合介体提高了有机物降解速率及甲烷产生速率。添加电场及Fe-C复合介体的反应器的平均COD降解率及降解速率比单独添加电场强化厌氧生物处理的反应器高了4.22％和17.02％。添加电场及Fe-C复合介体的反应器的甲烷累积产量比单独添加电场强化厌氧生物处理的反应器提高了10.42％。添加电场及Fe-C复合介体的反应器的最大CH4产生速率提高了11.69％。(2)添加电场及Fe-C复合介体后，厌氧污泥的电导率增长了31.58％；并且促进了胞外聚合物(EPS)的分泌，EPS的含量增加了29.23％，EPS含量的增加可以提高厌氧颗粒污泥的絮凝强度以及厌氧微生物之间的电子转移能力。(3)电场耦合Fe-C复合介体促进了厌氧反应器中产氢产乙酸细菌Methanothrix丰度的增加，较在厌氧反应器中单独添加电场增加了12.52％，而Methanolinea丰度降低了6.37％。该结果表明电场耦合Fe-C复合介体促进了乙酸发酵型产甲烷菌以及可进行直接电子传递的微生物的生长代谢，而间接电子传递菌丰度降低，有效的促进了厌氧废水处理过程中甲烷的产生效率。乙酸发酵型产甲烷菌以及可进行直接电子传递的微生物比例增高，有效的促进了厌氧废水处理过程中甲烷的产生效率。
附图说明
图1是本发明实施例中Fe-C复合介体制备方法流程图；
图2是本发明实施例中电场耦合Fe-C复合介体强化厌氧生物处理过程反应器的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施方法对本发明内容作进一步说明，但本发明的保护内容不局限以下实施例。
本申请实施例中Fe-C复合介体制备方法如下，制备方法的流程图如图1所示：
(1)将活性炭(20-50目)用2-10％盐酸浸泡18-30h，然后用去离子水洗涤至溶液的pH为中性，然后将活性炭烘干；
(2)将FeSO4·7H2O(9.928g)溶解在乙醇-水(v:v＝1:1)混合溶液中，加入干燥的活性炭1g，将溶液搅拌0.5-3h后，以0.5-1.5mL/min的速率滴加100mL浓度为6.78g/L KBH4溶液，继续搅拌0.5-1h；
(3)过滤复合材料，并分别用乙醇和去离子水洗涤3遍。
整个合成过程在氮气气氛下进行。将制备的材料在真空干燥箱中干燥。
本申请实施例反应器构建如下，结构示意图如图2所示：
反应器构建如下：实验装置由反应装置、气体收集装置和供电装置三部分组成。
①反应装置：选取体积为100-150mL厌氧瓶。在厌氧瓶上插上一个带有三通阀的钢针，针头位于液面以下并用于连接氮气瓶进行氮吹以及采取水样。
②气体收集装置：在厌氧瓶上连接短针并与气袋连接，用于气体的收集。
③供电装置：以钛网作为电极，通过钛丝与恒电位仪进行连接，对反应器施加恒电位。
实施例1
将上述制备的铁碳复合材料与电场耦合处理厌氧废水，其强化处理步骤如下：
①在厌氧瓶中添加20mL厌氧污泥及80mL废水，顶空为30mL。并加入100mg铁碳复合介体。
②将带有三通阀用于取样的钢针以及气袋连接在厌氧瓶上，用于液体的取样和气体的收集。
③以钛网作为电极(钛网之间的距离为2cm，大小为1.5cm*1.5cm)，通过钛丝与恒电位仪进行连接，对反应器施加0.10V的恒电位。
④将厌氧瓶连接好后置于恒温摇床中，控制恒温摇床的温度为35±1℃，转速保持在95r/min。
在厌氧反应运行过程中，每间隔一段时间对液体及气体进行取样测定。
对比例：以单独利用电场进行厌氧生物过程的强化。
测定的结果如下：
在同时添加电场与Fe-C复合介体的反应器中，在第4小时时COD去除率快速增加，与对比例相比较COD浓度达到最低。同时添加电场及GAC-NZVI反应器的平均COD去除速率为742.5mg/L·h-1，在反应的第12小时，COD去除率达到75.81％。在第18小时，甲烷累积产量为133.01mL。平均甲烷产率达到234.19mL CH4/g-COD。通过修正的Gompertz方程的拟合结果可知，同时添加电场及GAC-NZVI反应器的最大CH4产生率(Rmax)为10.13mL/h，滞后期缩短至0.02h。
反应器中总EPS显着增加，尤其是TB-EPS。反应器中LB-EPS含量为84.56mg/gMLVSS，TB-EPS含量为107.29mg/g MLVSS。Fe-C复合颗粒的添加增加了污泥的电导率至2.25μS/cm。
在电场和复合介体的共同作用下使得厌氧污泥的微生物群落结构发生变化。产氢产乙酸细菌Methanothrix丰度增加至24.59％，而丙酸型产氢产乙酸菌Smithella减少了。通过对古菌群落的测定可知产甲烷菌Methanothrix丰度增加至59.80％，而主要利用H2作为中间体的产甲烷菌Methanolinea降低了6.37％，而能够直接接受电子形成甲烷的Methanobacterium增加了4.10％。
在对比例中单独利用电场进行厌氧生物过程的强化。电场耦合GAC-NZVI的反应器中COD平均去除速率比单独添加电场高了17.02％，在最初的12小时内，COD去除率比对比例提高了4.22％。在第18小时，单独添加电场反应器中甲烷产量为120.46mL，平均甲烷产率为227.72mL CH4/g-COD。最大CH4产生率(Rmax)为9.07mL/h，滞后期从为0.91h。
厌氧污泥中的LB-EPS含量为76.60mg/g MLVSS，TB-EPS含量为71.86mg/g MLVSS。其电导率为1.71μS/cm。
在对照组中，细菌结构中优势菌种为Ignavibacterium(丰度为15.62％)，产氢产乙酸菌Methanothrix，Geobacter，Smithella丰度分别为12.07％，11.95％及8.96％。产甲烷菌Methanothrix的丰度为51.27％。而主要利用H2作为中间体的产甲烷菌Methanolinea以及能够直接接受电子形成甲烷的Methanobacterium菌丰度分别为36.12％和5.00％。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，不是全部的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在装有厌氧污泥和废水的厌氧容器中加入Fe-C复合介体和电极；
(2)将步骤(1)中的厌氧容器置于磁力搅拌器或恒温摇床中一段时间，同时对电极施加电压。
2.根据权利要求1所述的电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，所述厌氧污泥、废水、Fe-C复合介体之间量的比例关系为20-40mL：60-80mL：40-150mg。
3.根据权利要求1所述的电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，所述电压为0.05-0.20V。
4.根据权利要求1所述的电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，所述恒温摇床的温度为35±1℃，转速为90-120r/min；
优选地，所述恒温摇床的运行时间为一个反应周期，即当产气量恒定、不再增加为止。
5.根据权利要求1所述的电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，所述Fe-C复合介体的制备方法包括以下步骤：
(1)将活性炭用硝酸或盐酸浸泡一段时间，然后用去离子水洗涤至溶液的pH为中性，之后将活性炭烘干；
(2)将FeSO4·7H2O或FeCl3·6H2O溶解在溶剂中，加入步骤(1)制备得到的活性炭并搅拌一段时间，然后加入NaBH4或KBH4溶液，继续搅拌一段时间制备得到Fe-C复合介体；
其中整个制备过程在无氧气氛下进行。
6.根据权利要求5所述的电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，步骤(1)中所述活性炭为20-50目。
7.根据权利要求5所述的电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，步骤(1)中所述硝酸或盐酸的体积百分数为2-10％，所述浸泡的时间为18-30h。
8.根据权利要求5所述的电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，步骤(2)中所述溶剂为乙醇-水混合溶液，所述乙醇和水的体积比为3:7-1:1。
9.根据权利要求5所述的电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，步骤(2)中FeSO4·7H2O或FeCl3·6H2O、活性炭、KBH4的质量比为14.5:1.5:1。
10.根据权利要求5所述的电场耦合Fe-C复合介体强化废水污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，步骤(2)中加入活性炭后的搅拌时间为0.5-3h；
优选地，步骤(2)中加入KBH4溶液后的搅拌时间为0.5-1h。
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