CN116282522A - 一种微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,包括如下步骤:(1)培养产甲烷古菌;(2)对厌氧活性污泥曝气处理后,将其接种到UASB反应器,并以垃圾渗沥液为底物,对污泥进行驯化、富集;同时,在反应器中加入产甲烷古菌;(3)在反应器中投加酸处理后的石墨碳刷作为阴、阳极,同时投加参比电极;将电化学工作站与反应器中的石墨碳刷、参比电极连接,构建微生物电解池反应体系;(4)投加纳米磁铁矿;(5)启动UASB反应器,对垃圾渗沥液进行厌氧生物处理。本发明将电化学技术和磁铁矿耦合,利用外加电势的作用进一步提高强化微生物的种间电子传递效率,进而提高微生物对垃圾渗沥液的处理效率,并提高甲烷产率。
Description
技术领域
本发明涉及环境微生物技术领域,尤其涉及一种微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的厌氧生物处理方法。
背景技术
随着社会的发展,大量未经有效处理的生活污水、工业废水的排放导致水体污染问题日趋严重,人类社会发展受到抑制。
废水厌氧生物处理技术,主要是通过厌氧微生物的代谢活动,降解废水中的有机物,合成新的微生物细胞及H2或CH4等气体产物,目前已被广泛应用于废水处理中。然而,现有的废水厌氧生物处理技术应用范围也存在局限性,该技术的应用范围与所处理水体的理化性质密切相关。而垃圾渗沥液便是一种难以处理的复杂废水,此类废水不仅含有较高含量的无机盐,还含有各种重金属离子、较高浓度腐殖酸等,这严重抑制了微生物的活性甚至可能导致功能微生物死亡,给生物处理法的应用带来了极大限制。若此类废水排放前未经妥善处理,会对土壤、地表甚至地下水造成严重污染。
因此,探索出一种高效处理垃圾渗沥液的厌氧生物处理方法显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的厌氧生物处理方法,该方法能够提高垃圾渗沥液厌氧生物处理过程中的微生物种间电子传递效率,进而提高微生物对垃圾渗沥液的处理效率,并提高甲烷产率。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题:
一种微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,包括如下步骤:
(1)培养产甲烷古菌:
培养产甲烷古菌Methanosarcina,用于后续驯化培养用辅助菌;
(2)厌氧活性污泥的驯化、富集:
使用CO2/N2混合气对流体化的厌氧活性污泥曝气处理;接着,将处理后的厌氧活性污泥接种到UASB反应器,并以垃圾渗沥液为底物,对厌氧活性污泥进行驯化与富集;同时,在UASB反应器中加入步骤(1)的产甲烷古菌Methanosarcina,用于缩短驯化周期,加速反应器启动;
(3)构建微生物电解池:
在UASB反应器中投加两支酸处理后的石墨碳刷作为阴极和阳极,同时投加一支Ag/AgCl参比电极;接着,将电化学工作站与UASB反应器中的石墨碳刷、参比电极分别连接,以石墨碳刷作为阴阳极施加外加电势,构建微生物电解池反应体系;
(4)投加纳米磁铁矿:
将纳米磁铁矿投加到所述微生物电解池反应体系的UASB反应器中,同时投加分散剂WA;
(5)厌氧生物处理:
启动UASB反应器,以垃圾渗沥液为底物,耦合微生物电解池与磁铁矿,对垃圾渗沥液进行厌氧生物处理。
作为本发明的优选方式之一,所述步骤(1)中,产甲烷古菌Methanosarcina的具体培养方法如下:
①以25mM乙酸钠为培养基底物,接种产电菌Geobacter降解乙酸钠,同时取处于对数生长期的产甲烷古菌Methanosarcina接种至培养基中;
②在上述培养基中加入1mM纳米磁铁矿并通入50mL CO2气体,提高培养体系中控制导电菌毛合成的基因以及控制还原CO2合成甲烷的基因表达,加速Methanosarcina的培养。
作为本发明的优选方式之一,所述步骤(2)中,厌氧产甲烷功能微生物的具体驯化与富集方法如下:
①采集厌氧活性污泥,并使用搅拌机搅拌使其呈流体状;
②使用混合比例20:80的CO2/N2混合气对500mL流体化厌氧活性污泥曝气处理1h,去除溶解氧,确保其处理严格厌氧状态;
③将曝气处理后的厌氧活性污泥接种到UASB反应器中,并以厌氧瓶中稀释50倍的垃圾渗沥液为底物,对厌氧活性污泥中所含的厌氧产甲烷功能微生物进行驯化与富集,同时加入步骤(1)培养得到的产甲烷古菌Methanosarcina作为辅助菌,以缩短驯化周期,加速反应器启动;
④利用温控装置将UASB反应器温度维持在3331℃,并调节蠕动泵泵速,设置水力停留时间24h,通过UASB反应器出气口与CO2气瓶连接向所述UASB反应器内通入CO2,提高培养体系中控制还原CO2合成甲烷的基因表达,加速产甲烷功能菌的富集。
作为本发明的优选方式之一,当连续一周时间内出水COD去除率稳定在95%以上时,认为厌氧活性污泥驯化完成。
作为本发明的优选方式之一,所述步骤(3)中,微生物电解池的具体构建方法如下:
①取两支规格3cm*15cm*20cm的石墨碳刷在1M醋酸溶液中浸泡32h;
②在UASB反应器中投加两支石墨碳刷,分别作为阴极和阳极;同时,投加一支Ag/AgCl参比电极;
③将电化学工作站与UASB反应器中的两支石墨碳刷、参比电极分别连接,以石墨碳刷作为阴阳极施加-0.6V外加电势,构建微生物电解池反应体系;同时,在UASB反应器的出口处接入气体收集袋对反应过程所产气体进行收集。
作为本发明的优选方式之一,施加外加电势后,阴极区域石墨碳刷处CO2被还原生成甲烷,反应式为:CO2+6H2O+8e-→CH4+8OH-;其中,由于石墨碳刷经醋酸处理,OH-不易于阴极区域富集,无法结合垃圾渗沥液中的金属阳离子形成无机盐,避免因盐结晶包裹石墨碳刷而阻碍电子传递的过程,保证电子传递高效性。
作为本发明的优选方式之一,所述步骤(4)中,投加的纳米磁铁矿通过如下方法进行预处理:
①将纳米磁铁矿置于丙酮溶液中超声清洗30min,去除磁铁矿表面有机杂质;
②将纳米磁铁矿置于无水乙醇中超声清洗30min,去除上述步骤磁铁矿表面残留的丙酮溶液;
③将得到的纳米磁铁矿置于蒸馏水中超声清洗30min,并重复3~5次,去除上述步骤磁铁矿表面残留的乙醇试剂;
④将步骤③得到的纳米磁铁矿置于鼓风干燥箱中烘干,备用。
作为本发明的优选方式之一,所述步骤(4)中,将纳米磁铁矿投加到UASB反应器中,磁铁矿投加量为每1L活性污泥中投加30g磁铁矿;同时,投加10mL分散剂WA,保持磁铁矿处于分散悬浮状态。
作为本发明的优选方式之一,所述厌氧活性污泥取自某生活垃圾焚烧厂处理渗滤液的大型EGSB反应器,富含厌氧产甲烷功能微生物;也可以直接购买于现有市场。
所使用到的产甲烷古菌Methanosarcina与产电菌Geobacter为本领域常用菌剂,可直接购买获得。
作为本发明的优选方式之一,所述厌氧产甲烷功能微生物包括电活性细菌和产甲烷古菌等。
设计思路及工作原理:
在废水的厌氧生物处理过程中,微生物的种间电子传递效率是影响废水厌氧处理效率的关键因素,如何提高微生物种间电子传递效率已成为研究热点。而磁铁矿因其良好的导电性而备受关注,且已被证实磁铁矿能通过强化微生物种间电子传递效率进而提高废水的厌氧生物处理效率。但由于厌氧微生物在垃圾渗沥液(高盐环境下)中的活性降低,单纯的利用磁铁矿难以达到预期的处理效果,且反应启动周期较长,而利用微生物电化学技术可以进一步提高磁铁矿的导电率,加快启动周期。本发明通过将电化学技术和磁铁矿耦合处理垃圾渗沥液,利用外加电势的作用进一步提高强化微生物的种间电子传递效率,缩短反应器启动周期,从而提高垃圾渗沥液的厌氧生物处理效率。
本发明相比现有技术的优点在于:本发明以厌氧活性污泥作为接种菌源,进行厌氧产甲烷功能微生物的驯化与富集,并在驯化完全的功能微生物作用下,投加纳米磁铁矿,并施加外加电势构建微生物电解池,以垃圾焚烧渗沥液作为处理对象,提高其厌氧生物处理效率;具体如下:
(1)本发明对厌氧活性污泥中具备种间电子传递能力的厌氧产甲烷功能微生物进行驯化与富集,并在驯化过程中添加产甲烷古菌Methanosarcina,以缩短驯化周期,加速反应器启动,最终快速有效地实现厌氧产甲烷功能微生物56.2%的富集,为实现废水厌氧生物处理过程中微生物种间电子高效传递提供基础;
(2)本发明通过将电化学技术和磁铁矿耦合处理垃圾渗沥液,利用外加电势的作用进一步提高强化微生物的种间电子传递效率,缩短反应器启动周期,进而提高微生物对垃圾渗沥液的处理效率,并提高甲烷产率;经实验验证,基于本发明方法,提高出水COD去除率95.3%,提高产出气体中甲烷的含量89.3%;
(2)本发明施加外加电势后,阴极区域石墨碳刷处CO2被还原生成甲烷,反应式为:CO2+6H2O+8e-→CH4+8OH-;其中,由于石墨碳刷经酸处理后,OH-不易在阴极区域富集,无法结合垃圾渗沥液中的金属阳离子形成无机盐,有效避免了因盐结晶包裹石墨碳刷而阻碍电子传递的过程,保证了电子传递的高效性。
据此,本发明对有效解决高盐有机废水的厌氧生物处理效率低下问题,具有重要的经济价值和研究意义。
附图说明
图1是实施例1中垃圾渗沥液厌氧生物处理装置的结构原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例和对比例的厌氧活性污泥取自本领域某生活垃圾焚烧厂处理渗滤液的大型EGSB反应器,其富含厌氧产甲烷功能微生物,主要包括产电菌Geobacter和产甲烷古菌Methanosarcina等。
实施例1
本实施例的一种微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,利用图1所示的垃圾渗沥液厌氧生物处理装置,包括如下步骤:
(1)培养产甲烷古菌Methanosarcina:
①以25mM乙酸钠为培养基底物,接种产电菌Geobacter降解乙酸钠,同时取处于对数生长期的产甲烷古菌Methanosarcina接种至培养基中。
②在上述培养基中加入1mM纳米磁铁矿并通入50mL CO2气体,提高培养体系中控制导电菌毛合成的基因以及控制还原CO2合成甲烷的基因表达,加速Methanosarcina的培养。
(2)厌氧活性污泥的驯化、富集:
①采集厌氧活性污泥,并使用搅拌机搅拌使其呈流体状;
②使用混合比例20:80的CO2/N2混合气对500mL流体化厌氧活性污泥曝气处理1h,去除溶解氧,确保其处理严格厌氧状态。
③将曝气处理后的厌氧活性污泥接种到UASB反应器中,并以厌氧瓶中稀释50倍的垃圾渗沥液为底物,对厌氧活性污泥中所含的厌氧产甲烷功能微生物进行驯化与富集,同时加入步骤(1)培养得到的产甲烷古菌Methanosarcina作为辅助菌,以缩短驯化周期,加速反应器启动。其中,当连续一周时间内出水COD去除率稳定在95%以上时,认为厌氧活性污泥驯化完成。
④利用温控装置将UASB反应器温度维持在3331℃,并调节蠕动泵泵速,设置水力停留时间24h,通过UASB反应器出气口与CO2气瓶连接向所述UASB反应器内通入CO2,提高培养体系中控制还原CO2合成甲烷的基因表达,加速产甲烷功能菌的富集。
(3)构建微生物电解池:
①取两支规格3cm*15cm*20cm的石墨碳刷在1M醋酸溶液中浸泡32h。
②在UASB反应器中投加两支醋酸处理后的石墨碳刷,分别作为阴极和阳极;同时,投加一支Ag/AgCl参比电极。
③将电化学工作站与UASB反应器中的两支石墨碳刷、参比电极分别连接,以石墨碳刷作为阴阳极施加-0.6V(vs.Ag/AgCl)外加电势,构建微生物电解池反应体系;同时,在UASB反应器的出口处接入气体收集袋对反应过程所产气体进行收集。
其中,施加外加电势后,阴极区域石墨碳刷处CO2被还原生成甲烷,反应式为:CO2+6H2O+8e-→CH4+8OH-;其中,由于石墨碳刷经醋酸处理,OH-不易于阴极区域富集,无法结合垃圾渗沥液中的金属阳离子形成无机盐,避免因盐结晶包裹石墨碳刷而阻碍电子传递的过程,保证电子传递高效性。
(4)投加纳米磁铁矿:
①将纳米磁铁矿置于丙酮溶液中超声清洗30min,去除磁铁矿表面有机杂质。
②将纳米磁铁矿置于无水乙醇中超声清洗30min,去除上述步骤磁铁矿表面残留的丙酮溶液。
③将得到的纳米磁铁矿置于蒸馏水中超声清洗30min,并重复3~5次,去除上述步骤磁铁矿表面残留的乙醇试剂。
④将步骤③得到的纳米磁铁矿置于鼓风干燥箱中烘干,备用。
⑤将获得的纳米磁铁矿投加到所述微生物电解池反应体系的UASB反应器中,磁铁矿投加量为每1L活性污泥中投加30g磁铁矿;同时,投加10mL分散剂WA,保持磁铁矿处于分散悬浮状态。
(5)厌氧生物处理:
启动UASB反应器,以垃圾渗沥液为底物,耦合微生物电解池与磁铁矿,对垃圾渗沥液进行厌氧生物处理。
本实施例中,使用气相色谱仪对最终收集产气进行测定,甲烷含量达到89.3%;使用COD测定仪分别对进出水COD进行测定,COD去除率达到95.3%;取反应器中活性污泥样品进行高通量测序,具备直接种间电子传递能力的产甲烷功能菌Methanosarcina相对丰度达到56.2%。
对比例1
本对比例的一种微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,与实施例基本相同,主要不同之处在于:所述步骤(3)中,在UASB反应器中投加使用的两支石墨碳刷不经醋酸处理。
本对比例中,使用气相色谱仪对所收集产气进行测定,甲烷含量80.1%;使用COD测定仪分别对进出水COD进行测定,COD去除率84.8%;取反应器中活性污泥样品进行高通量测序,具备直接种间电子传递能力的产甲烷功能菌Methanosarcina相对丰度48.3%。
结果分析:
当施加外加电势后,阴极区域石墨碳刷处CO2被还原生成甲烷,反应式为:CO2+6H2O+8e-→CH4+8OH-。其中,石墨碳刷(不经任何处理)在垃圾渗沥液这种含盐量比较高的废水中放久以后,表面会出现无机盐附着,这个过程会对微生物的附着和电子传递过程产生影响,从而影响了整体的处理过程,降低微生物对垃圾渗沥液的处理效率以及甲烷产率。同时,又因为垃圾渗沥液COD非常高,大分子有机物被降解为小分子有机酸之后,无法被厌氧功能菌及时转化,导致反应器pH会降低,就对产甲烷菌的生存和富集造成了影响。
因此,相对于对比例1,本发明通过对石墨碳刷提前酸处理,可进一步保证后续电子传递高效性,进而提高微生物对垃圾渗沥液的处理效率、提高甲烷产率,同时提高具备直接种间电子传递能力的产甲烷功能菌相对丰度。
对比例2
本对比例的一种微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,与实施例基本相同,主要不同之处在于:在进行厌氧活性污泥的驯化、富集步骤时,不额外添加产甲烷古菌Methanosarcina作为辅助菌。
本对比例中,使用气相色谱仪对所收集产气进行测定,甲烷含量39.0%;使用COD测定仪分别对进出水COD进行测定,COD去除率86.3%;取反应器中活性污泥样品进行高通量测序,具备直接种间电子传递能力的产甲烷功能菌Methanosarcina相对丰度42.1%。
结果分析:
在进行厌氧活性污泥的驯化、富集培养时,额外添加产甲烷古菌Methanosarcina作为辅助菌,可有效缩短厌氧活性污泥的驯化周期,加速反应器启动。
因此,相对于对比例2,本发明通过在厌氧活性污泥的驯化、富集培养时添加产甲烷古菌Methanosarcina作为辅助菌,可快速提高具备种间电子传递能力的产甲烷功能菌丰度。
对比例3
本对比例的一种微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,与实施例基本相同,主要不同之处在于:所述步骤(1)中,当在培养基中接种产电菌Geobacter及对数生长期的产甲烷古菌Methanosarcina后,不再添加纳米磁铁矿,也不通入CO2气体。
本对比例中,使用气相色谱仪对所收集产气进行测定,甲烷含量38.0%;使用COD测定仪分别对进出水COD进行测定,COD去除率81.6%;取反应器中活性污泥样品进行高通量测序,具备直接种间电子传递能力的产甲烷功能菌Methanosarcina相对丰度36.6%。
结果分析:
培养产甲烷古菌Methanosarcina时,在培养基中加入纳米磁铁矿并通入一定CO2气体,可提高培养体系中控制导电菌毛合成的基因以及控制还原CO2合成甲烷的基因表达,从而加速Methanosarcina的培养。
因此,相对于对比例3,本发明通过在产甲烷古菌Methanosarcina培养基中加入纳米磁铁矿并通入一定CO2气体,可提高微生物对垃圾渗沥液的处理效率、提高甲烷产率,同时提高具备直接种间电子传递能力的产甲烷功能菌相对丰度。
上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)培养产甲烷古菌:
培养产甲烷古菌Methanosarcina,用于后续驯化培养用辅助菌;
(2)厌氧活性污泥的驯化、富集:
使用CO2/N2混合气对流体化的厌氧活性污泥曝气处理;接着,将处理后的厌氧活性污泥接种到UASB反应器,并以垃圾渗沥液为底物,对厌氧活性污泥进行驯化与富集;同时,在UASB反应器中加入步骤(1)的产甲烷古菌Methanosarcina,用于缩短驯化周期,加速反应器启动;
(3)构建微生物电解池:
在UASB反应器中投加两支酸处理后的石墨碳刷作为阴极和阳极,同时投加一支Ag/AgCl参比电极;接着,将电化学工作站与UASB反应器中的石墨碳刷、参比电极分别连接,以石墨碳刷作为阴阳极施加外加电势,构建微生物电解池反应体系;
(4)投加纳米磁铁矿:
将纳米磁铁矿投加到所述微生物电解池反应体系的UASB反应器中,同时投加分散剂WA;
(5)厌氧生物处理:
启动UASB反应器,以垃圾渗沥液为底物,耦合微生物电解池与磁铁矿,对垃圾渗沥液进行厌氧生物处理。
2.根据权利要求1所述的微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,产甲烷古菌Methanosarcina的具体培养方法如下:
①以25mM乙酸钠为培养基底物,接种产电菌Geobacter降解乙酸钠,同时取处于对数生长期的产甲烷古菌Methanosarcina接种至培养基中;
②在上述培养基中加入1mM纳米磁铁矿并通入50mL CO2气体,提高培养体系中控制导电菌毛合成的基因以及控制还原CO2合成甲烷的基因表达,加速Methanosarcina的培养。
3.根据权利要求1所述的微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,其特征在于,所述步骤(2)中,厌氧产甲烷功能微生物的具体驯化与富集方法如下:
①采集厌氧活性污泥,并使用搅拌机搅拌使其呈流体状;
②使用混合比例20:80的CO2/N2混合气对500mL流体化厌氧活性污泥曝气处理1h,去除溶解氧;
③将曝气处理后的厌氧活性污泥接种到UASB反应器中,并以厌氧瓶中稀释50倍的垃圾渗沥液为底物,对厌氧活性污泥中所含的厌氧产甲烷功能微生物进行驯化与富集,同时加入步骤(1)培养得到的产甲烷古菌Methanosarcina作为辅助菌,以缩短驯化周期,加速反应器启动;
④利用温控装置将UASB反应器温度维持在37±1℃,并调节蠕动泵泵速,设置水力停留时间24h,通过UASB反应器出气口与CO2气瓶连接向所述UASB反应器内通入CO2,提高培养体系中控制还原CO2合成甲烷的基因表达,加速产甲烷功能菌的富集。
4.根据权利要求3所述的微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,其特征在于,当连续一周时间内出水COD去除率稳定在95%以上时,认为厌氧活性污泥驯化完成。
5.根据权利要求1所述的微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,其特征在于,所述步骤(3)中,微生物电解池的具体构建方法如下:
①取两支规格3cm*15cm*20cm的石墨碳刷在1M醋酸溶液中浸泡72h;
②在UASB反应器中投加两支石墨碳刷,分别作为阴极和阳极;同时,投加一支Ag/AgCl参比电极;
③将电化学工作站与UASB反应器中的两支石墨碳刷、参比电极分别连接,以石墨碳刷作为阴阳极施加-0.6V外加电势,构建微生物电解池反应体系;同时,在UASB反应器的出口处接入气体收集袋对反应过程所产气体进行收集。
6.根据权利要求5所述的微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,其特征在于,施加外加电势后,阴极区域石墨碳刷处CO2被还原生成甲烷,反应式为:CO2+6H2O+8e-→CH4+8OH-;其中,由于石墨碳刷经醋酸处理,OH-不易于阴极区域富集,无法结合垃圾渗沥液中的金属阳离子形成无机盐,避免因盐结晶包裹石墨碳刷而阻碍电子传递的过程,保证电子传递高效性。
7.根据权利要求1所述的微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,其特征在于,所述步骤(4)中,投加的纳米磁铁矿通过如下方法进行预处理:
①将纳米磁铁矿置于丙酮溶液中超声清洗30min,去除磁铁矿表面有机杂质;
②将纳米磁铁矿置于无水乙醇中超声清洗30min,去除上述步骤磁铁矿表面残留的丙酮溶液;
③将得到的纳米磁铁矿置于蒸馏水中超声清洗30min,并重复3~5次,去除上述步骤磁铁矿表面残留的乙醇试剂;
④将步骤③得到的纳米磁铁矿置于鼓风干燥箱中烘干,备用。
8.根据权利要求1所述的微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,其特征在于,所述步骤(4)中,将纳米磁铁矿投加到UASB反应器中,磁铁矿投加量为每1L活性污泥中投加30g磁铁矿;同时,投加10mL分散剂WA,保持磁铁矿处于分散悬浮状态。
9.根据权利要求1~8任一所述的微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,其特征在于,所述厌氧活性污泥取自生活垃圾焚烧厂处理渗滤液的EGSB反应器,富含厌氧产甲烷功能微生物。
10.根据权利要求9所述的微生物电解池耦合磁铁矿处理垃圾渗沥液的方法,其特征在于,所述厌氧产甲烷功能微生物包括电活性细菌和产甲烷古菌。
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4250001A (en) * | 1979-06-19 | 1981-02-10 | Monsanto Company | Pretreatment of cathodes in electrohydrodimerization of acrylonitrile |
CN105731640A (zh) * | 2016-03-21 | 2016-07-06 | 浙江大学 | 磁铁矿强化生物电极耦合型uasb装置及运行方法 |
CN106882871A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-06-23 | 浙江大学 | 一种强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺 |
CN107662976A (zh) * | 2017-01-13 | 2018-02-06 | 北京林业大学 | 一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法 |
CN111100880A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-05-05 | 浙江大学 | 磁小体促进微生物电发酵还原co2制备甲烷的方法 |
-
2023
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4250001A (en) * | 1979-06-19 | 1981-02-10 | Monsanto Company | Pretreatment of cathodes in electrohydrodimerization of acrylonitrile |
CN105731640A (zh) * | 2016-03-21 | 2016-07-06 | 浙江大学 | 磁铁矿强化生物电极耦合型uasb装置及运行方法 |
CN107662976A (zh) * | 2017-01-13 | 2018-02-06 | 北京林业大学 | 一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法 |
CN106882871A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-06-23 | 浙江大学 | 一种强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺 |
CN111100880A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-05-05 | 浙江大学 | 磁小体促进微生物电发酵还原co2制备甲烷的方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
周婷: "纳米Fe3O4促进Methanosarcina barkeri 产甲烷性能及机制研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑, no. 2019, 15 January 2019 (2019-01-15), pages 006 - 851 * |
张万芹;康冀川;王开功;黄庆华;: "产甲烷细菌的筛选及培养技术优化研究", 西南农业学报, no. 06, 15 December 2007 (2007-12-15), pages 1207 - 1210 * |
谢国俊等: "环境污染治理新理论与新技术", 31 August 2021, 哈尔滨工业大学出版社, pages: 232 - 233 * |
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