CN114262053A - 一种厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法 - Google Patents

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邢保山
张毅
陈荣
常享琳
唐喜芳
韩咏辰
王晓昌
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Abstract

一种厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其中厌氧发酵罐中设置有动态膜组件，在所述厌氧发酵罐中投加填充碳填料，动态膜组件内的导电动态膜基材上形成动态膜，通过气泵曝气鼓动碳填料，使其摩擦动态膜以调整厚度，系统中发酵污泥含有丰度较高且可参与直接种间电子传递的产甲烷菌，强化厌氧发酵菌群种间电子传递效能。本发明通过气泵供给底部和曝气搅拌装置曝气，并调控曝气量控制碳填料和气泡对动态膜的擦洗强度，从而实现动态膜厚度的稳定调控。本发明通过种间电子传递菌群流加、富集或驯化与导电动态膜基材以及碳填料投加，能够构建高效厌氧动态膜发酵系统，可操作性强；同时兼具强化厌氧发酵效能和稳定调控动态膜的双重作用。

Description

一种厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法
技术领域
本发明属于厌氧发酵技术领域，特别涉及一种厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法。
背景技术
厌氧发酵是指有机废弃物在厌氧条件下通过微生物的代谢活动将大部分可生物降解的有机物质进行分解，同时伴有甲烷和CO2产生的生物反应过程。然而现有厌氧发酵系统仍存在污泥停留时间长，产气速率和基质甲烷效率低等问题。已有研究表明通过直接种间电子传递(DIET)过程，可实现更快速的电子转移和更有效的生物转化。如何提高直接种间电子传递效能成为学界关注的热点。实现厌氧发酵系统的高效稳定运行有利于提高现有厌氧发酵系统的运行效能，同时降低运行成本。但现有的完全混合反应器(CSTR)不能有效留存厌氧发酵功能菌群，限制了厌氧发酵系统功能菌群最大降解效能的发挥。
厌氧膜生物反应器能够解耦水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)，实现高效厌氧发酵功能菌群的截留富集，加快反应速率。但厌氧膜生物反应器仍存在膜污染问题，且在高固有机废物厌氧发酵领域应用过程中该问题更为突出。采用以在支撑材料表面上形成的生物层作为过滤层的厌氧动态膜生物反应器(DMBR)，可克服常规厌氧膜生物反应器中常见的膜污染问题。但随着动态膜增厚，也会导致膜通量下降和膜阻力增长，降低系统处理效能。现有的动态膜清洗方法大多需将动态膜过滤层完全剥离，而后重新形成动态膜恢复处理效能，不利于系统的连续稳定运行。因此，如何实现厌氧动态膜发酵系统的效能强化调控是有机固废和高浓度有机废水能源化亟待解决的关键问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种厌氧动态膜发酵系统效能强化的调控方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其中厌氧发酵罐中设置有动态膜组件，在所述厌氧发酵罐中投加填充碳填料，动态膜组件内的导电动态膜基材上形成动态膜，通过气泵曝气鼓动碳填料，使其摩擦动态膜以调整厚度。
在本发明的一个实施例中，将发酵污泥直接投加至所述厌氧发酵罐中，所述发酵污泥中含有丰度>80％且可参与直接种间电子传递的产甲烷菌。
在本发明的一个实施例中，所述产甲烷菌为Methanosarcina属或Methanosaeta属，在富集和传递效果方面，优先选用代谢路径较多的Methanosarcina属。
在本发明的一个实施例中，所述产甲烷菌通过直接接种获取，或通过长期驯化获取，或通过生物流加的方式获取相应丰度。
在本发明的一个实施例中，所述导电动态膜基材采用炭毡、碳纤维布或不锈钢网，由于在碳纤维布上提供产甲烷菌所需电子的细菌数目多，所以优选碳纤维布；所述碳填料为导电碳材料，可选生物碳、磁性生物碳、活性炭或磁性活性炭，考虑材料价格和导电性能，优选商品化的活性炭。
在本发明的一个实施例中所述导电动态膜基材的孔径依据厌氧发酵罐内污泥特性和基质类型以及固液分离效果，如通量和浊度的测量进行筛选；其中，在高浓度有机废水处理领域为500-1250目，有机固废处理领域为200-500目。
在本发明的一个实施例中，所述碳填料的填充量为厌氧发酵罐有效体积的3-10％，粒径大小范围为300-2000μm，依据动态膜基材孔径、厌氧发酵污泥特性和动态膜厚度及其过滤特性进行选定。
在本发明的一个实施例中，在所述导电动态膜基材上所形成的动态膜下方进行曝气，调控曝气量控制碳填料和气泡对动态膜的擦洗强度，进而实现动态膜厚度的稳定调控。
在本发明的一个实施例中，适宜动态膜厚度在0.5-2.5mm，厚度的调控与曝气强度、填料粒径和填充量等有关。
在本发明的一个实施例中，可通过气泵进行曝气，所述曝气速率以控制厌氧发酵罐内污泥完全混合为最低曝气量，依据动态膜厚度增加曝气量，稳定调控动态膜厚度，延长动态膜过滤周期。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明能够调控动态膜厚度，使动态膜能够在实现最佳发酵效果的厚度范围内实现长期稳定运行，并且导电膜基材和碳填料成本低廉，可操作性强。
2、参与种间电子传递的产甲烷菌来源广泛，导电动态膜基材和碳填料廉价易得，兼具强化厌氧发酵效能和稳定调控动态膜的双重作用。
附图说明
图1是厌氧动态膜发酵系统的调控构型图。
图2是动态膜组件中导电动态膜基材上所形成的动态膜与碳填料作用图。
图3是厌氧动态膜发酵系统的俯视图。
图4是厌氧动态膜发酵系统的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
图1～图4示出了厌氧动态膜发酵系统的主要结构，其主要包括基质罐1和厌氧发酵罐2，基质在基质罐1中存储备用，厌氧发酵罐2是厌氧发酵主体，其包括一个带有顶部进料孔21、出气口22、出水口23、排泥口24、底部曝气孔251、放空管26以及水浴层27的罐体，动态膜组件28以内置浸没方式设置于罐体内，曝气通过气泵31进行供气。
进料孔21连接基质罐1，顶部出气口22连接生物气收集装置4，具体是经水封瓶41与湿式气体流量计42连接。基质罐1利用由定时器12控制的进料泵11，可将基质间歇或连续泵入厌氧发酵罐2内。
出水口23连接管道并在管道上设置压力表51和出料泵52，水浴层27三面环绕，将罐体发酵部包围，保持厌氧发酵的温度恒定。
如前所述，利用该系统，随着反应的进行，动态膜组件28表面附着一层生物层，使得膜厚增加，导致膜通量下降和膜阻力增长，降低处理效能。
导电动态膜组件28中，在支撑体表面形成的动态膜是由微生物群落及其分泌物所形成，由于微生物群落可随操作条件的变化而变化，因此，本发明在厌氧发酵罐2中投加填充碳填料29，并通过气泵31曝气鼓动碳填料29，使其摩擦动态膜以调整厚度。
本发明中，导电动态膜基材281可采用炭毡、碳纤维布或不锈钢网，由于在碳纤维布上提供产甲烷菌所需电子的细菌数目多，所以优选碳纤维布；碳填料29为导电碳材料，可选生物碳、磁性生物碳、活性炭或磁性活性炭，考虑材料价格和导电性能，优选商品化的活性炭。
本发明导电动态膜基材281的孔径依据厌氧发酵罐2内污泥特性和基质类型以及固液分离效果，如通量和浊度的测量进行筛选；其中，在高浓度有机废水处理领域一般选取为500-1250目，有机固废处理领域一般选取为200-500目。
本发明碳填料29的填充量一般宜为厌氧发酵罐2有效体积的3-10％，粒径大小范围为300-2000μm，依据动态膜基材孔径、厌氧发酵污泥特性和动态膜厚度及其过滤特性进行选定。
基于该方法，本发明所使用的发酵污泥直接投加入厌氧发酵罐2，其中发酵污泥应含有丰度较高(一般指>80％)且可参与直接种间电子传递的产甲烷菌。通过种间电子传递菌群富集与导电动态膜基材281以及碳填料29的投加，能够构建高效厌氧动态膜发酵系统，强化厌氧发酵菌群种间电子传递效能。本发明可利用甲醇、H2+CO2或乙酸盐作为碳源和能源，餐厨垃圾和剩余污泥厌氧中温混合发酵体系长期驯化可实现富集。
示例地，本发明的产甲烷菌为Methanosarcina属或Methanosaeta属，在富集和传递效果方面，优先选用代谢路径较多的Methanosarcina属。该产甲烷菌可通过直接接种获取，也可通过长期驯化获取，也可通过生物流加的方式获取相应的较高丰度。
通过气泵进行曝气，所述曝气速率以控制厌氧发酵罐2内污泥完全混合为最低曝气量，底部的曝气孔251设置也是为更好混合污泥通过调控曝气量可控制碳填料29和气泡对动态膜的擦洗强度，进而实现动态膜厚度的稳定调控，延长动态膜过滤周期。
本发明中适宜动态膜厚度的调控与曝气强度、填料粒径及填充量有关，控制厚度在0.5-2.5mm范围内。
动态膜厚度的调控与曝气强度、填料粒径和填充量等有关。
综上，本发明发酵污泥选择含有丰度较高且可参与直接种间电子传递的产甲烷菌，同时动态膜组件采用导电动态膜基材，并添加碳填料，可强化厌氧发酵菌群种间电子传递，增强厌氧发酵系统的运行功效，调控曝气量控制导电碳材料和气泡对动态膜的擦洗强度，实现动态膜厚度的稳定调控，降低反洗频率的同时实现动态膜的长期稳定运行，同步强化种间电子传递效能，构建高效稳定运行的厌氧动态膜发酵系统，兼具强化厌氧发酵效能和稳定调控动态膜的双重作用。

Claims (10)

1.一种厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其中厌氧发酵罐(2)中设置有动态膜组件(28)，其特征在于，在所述厌氧发酵罐(2)中投加填充碳填料(29)，动态膜组件(28)内的导电动态膜基材(281)上形成动态膜，通过气泵(31)曝气鼓动碳填料(29)，使其摩擦动态膜以调整厚度。
2.根据权利要求1所述厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其特征在于，将发酵污泥直接投加至所述厌氧发酵罐(2)中，所述发酵污泥中含有丰度>80％且可参与直接种间电子传递的产甲烷菌。
3.根据权利要求2所述厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其特征在于，所述产甲烷菌为Methanosarcina属或Methanosaeta属。
4.根据权利要求2或3所述厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其特征在于，所述产甲烷菌通过直接接种获取，或通过长期驯化获取，或通过生物流加的方式获取相应丰度。
5.根据权利要求1所述厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其特征在于，所述导电动态膜基材(281)采用炭毡、碳纤维布或不锈钢网；所述碳填料(29)为导电碳材料。
6.根据权利要求1或5所述厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其特征在于，所述导电动态膜基材(281)的孔径依据厌氧发酵罐(2)内污泥特性和基质类型以及固液分离效果进行筛选；其中，在高浓度有机废水处理领域为500-1250目，有机固废处理领域为200-500目。
7.根据权利要求1或5所述厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其特征在于，所述碳填料(29)的填充量为厌氧发酵罐(2)有效体积的3-10％，粒径大小范围为300-2000μm，依据动态膜基材孔径、厌氧发酵污泥特性和动态膜厚度及其过滤特性进行选定。
8.根据权利要求1所述厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其特征在于，在所述导电动态膜基材(281)所形成的动态膜下方进行曝气，调控曝气量控制碳填料(29)和气泡对动态膜的擦洗强度，进而实现动态膜厚度的稳定调控。
9.根据权利要求1所述厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其特征在于，所述动态膜厚度调整范围为0.5-2.5mm。
10.根据权利要求1所述厌氧动态膜发酵系统效能强化调控方法，其特征在于，所述曝气的曝气速率以控制厌氧发酵罐(2)内污泥完全混合为最低曝气量，依据动态膜厚度增加曝气量，稳定调控动态膜厚度，延长动态膜过滤周期。
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