CN117303697A - 一种铁基mof强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，将剩余污泥体系中添加导电材料0，100，150和200mg/g VS在温度为37±1℃和初始pH为7.0的条件下进行厌氧消化30天，本发明首次将MIL‑88A(Fe)应用于剩余污泥厌氧消化体系中，MIL‑88A(Fe)增强厌氧消化体系中有机物水解速率以及甲烷产生速率；MIL‑88A(Fe)通过促进厌氧消化体系中细胞色素C分泌和导电菌毛的产生来介导DIET途径，从而强化体系微生物之间电子传输能力。本发明能提高甲烷产量、缓解挥发性脂肪酸的积累以及抑制作用、促进厌氧消化过程中产酸速率和胞内外电子传输速率，强化厌氧消化系统对CO2的原位转化，提高甲烷产率，为污水生物处理工艺产生的剩余污泥及固体有机废物高效资源化利用提供新思路。
Description
技术领域
本发明属于有机废弃物资源化利用技术领域，涉及一种铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法。
背景技术
随着经济的发展，污水处理过程中的副产物废活性污泥也逐年增长，但污泥中含有细菌、病原体、重金属和其他有毒物质，如果处理不当，将对生态环境和人类健康构成严重威胁。另一方面，由于富含有机物、化学能、营养物质和首选的低成本生物质资源，废活性污泥可被视为有价值的能源/资源存储物，因此废活性污泥的高效资源化利用成为有效处置的重点之一。厌氧消化技术是一种经济有效的处理废活性污泥的常用工艺，以其有机物负荷高、能耗小、污泥减产程度高、可产甲烷等能源气体等优点而受到广泛关注。传统厌氧消化工艺中，由于有机物常存在于细胞中或胞外聚合物中，难以被微生物利用并将其转化成甲烷菌能够利用的底物，从而导致传统污泥厌氧消化工艺存在工艺周期长，甲烷产率低等限制因素。尽管引入多种污泥预处理方法包括超声、热处理、臭氧、酸碱等物理化学等方法，这些方法一定程度上能够提高厌氧消化时的有机物水解速率，加速后续产甲烷过程的进行。但经预处理后的污泥仍含有大量的有机物未能被转化，且产生的沼气中CO2含量高，热值偏低，因此需进一步强化厌氧消化系统对CO2的原位转化。而导电材料的引入可以促进产甲烷菌和一些互营微生物之间依靠导电材料实现直接种间电子转移(DIET)，这种电子传递方式不依赖扩散的限制，并被证实在种间微生物代谢过程中是更节能更高效的电子传递方式。因此，导电材料的引入可以促进产甲烷菌和互营微生物的富集，这有助于提高产甲烷的核心竞争力，并且通过提高产甲烷过程中的能量代谢，提高产甲烷速率和产速。铁系的MOF(Metal-Organic Framework，金属有机框架)材料是常用的厌氧消化体系介导厌氧消化产甲烷过程中DIET途径的导体物质，其以Fe(0)，Fe(II)和Fe(III)等形式应用于厌氧消化体系。在厌氧消化体系中，Fe(0)，Fe(II)和Fe(III)提供电子并降低氧化还原电位，促进甲烷产率，但在厌氧消化体系中，它们易发生团聚且稳定性差，从而抑制了电子传递和反应活性，限制了它们的应用。MIL-88A(Fe)作为一种铁基金属-有机框架材料，展现出高度有序的周期性排列结构使其内部孔隙结构均匀、可调，且具有孔隙率大、可官能化、活性位点丰富、热稳定及机械稳定性强等优势，在剩余污泥厌氧消化领域中极具发展前景。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，该方法能够解决厌氧消化剩余污泥产甲烷效能低的问题。
为达到上述目的，本发明公开了一种铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，包括以下步骤：
将废活性污泥、接种物及MIL-88A(Fe)混合，再调节pH值，得厌氧消化体系，然后吹入氮气至厌氧消化体系内无氧气，然后在密闭的条件下进行厌氧消化反应，完成铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能。
呈现介孔结构的MIL-88A(Fe)为微生物的附着提供条件，且表面的官能团有利于微生物生长繁殖，促进种间电子转移，提高其传递速率，加速污泥降解及甲烷的产生，提高甲烷产量。
所述MIL-88A(Fe)的制备过程为：
将FeCl3和富马酸溶于蒸馏水中，再进行搅拌，然后进行水热反应，得到MIL-88A(Fe)。
所述FeCl3及富马酸的质量比为0.580g：1.352g。
水热反应的温度为65℃，反应时间为24h，搅拌时间为12h。
调节pH值至7。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法在具体操作时，将MIL-88A(Fe)应用于厌氧消化，强化厌氧消化系统对CO2的原位转化，提高甲烷产率，突破传统厌氧消化周期长，水解速率低等问题，操作简单，处理能力强，为MOF应用于厌氧消化方面提供良好的研究基础。同时MIL-88A(Fe)通过促进厌氧消化体系中细胞色素C分泌和导电菌毛的产生来介导DIET途径，从而强化体系微生物之间电子传输能力。
附图说明
图1为MIL-88A(Fe)材料的SEM图；
图2为本发明方法的厌氧消化产甲烷装置的结构图；
图3为厌氧消化产甲烷过程中各处理组的累积产甲烷量图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
实施例一
本发明所述的铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法包括以下步骤：
1)选取污水生物处理工艺产生的污泥，将污泥通过重力沉降浓缩12h-24h，排除污泥的上清液，然后在4℃的冰箱中储存，得到废活性污泥；
2)制备MIL-88A(Fe)，具体的，将0.580g的FeCl3及1.352g的富马酸溶于蒸馏水中，再搅拌12h，得混合溶液，将混合溶液移至聚四氟乙烯内衬中，再在65℃水热24h，得到MIL-88A(Fe)，MIL-88A(Fe)依次使用乙醇及水各洗三次，再在烘箱中在60℃下烘干。
3)进行厌氧消化的接种污泥取自实验室已稳定运行的厌氧消化反应器中总固体为1.63％，挥发性固体为1.31％，废活性污泥为厌氧消化的底物，其中，接种废活性污泥总固体为4.17％，挥发性固体为2.92％。
4)厌氧消化中消化底物和接种污泥以2:1进行混合，放入厌氧发酵瓶中，按照投加浓度0、100、150及200mg/g VS向其中添加MIL-88A(Fe)，将厌氧消化体系中的pH调节到7.0，向体系内部充满氮气，保持体系厌氧条件，将厌氧消化瓶放入恒温水浴锅中进行厌氧消化产甲烷试验，温度为37±1℃，运行30天，实验中不进泥不排泥。
实施例二
本实施例作为对比实验，相比于实施案例一中，其差别在于：未添加MIL-88A(Fe)材料，试验结果如图2。相比于，不添加任何材料的体系(159±3mLCH4/g VS)，添加150mg/gVS MIL-88A(Fe)后，厌氧消化体系累积产甲烷量为250±4mL CH4/g VS，其累积甲烷产量和每日最大甲烷产量较未添加材料的厌氧消化体系提高了56.60％及45.75％。
其中，在厌氧消化体系中，MIL-88A(Fe)促进细胞色素C及导电菌毛的分泌，实现产甲烷菌和产酸菌之间高效的电子传递，实现污泥中有机物被快速的利用，缓解体系中挥发性脂肪酸的积累，避免以H2为载体的种间电子转移中能量消耗大的问题，强化厌氧消化系统对CO2的原位转化，提高甲烷产率。
本发明具有以下特点：
1)添加150mg/g VS MIL-88A(Fe)提高有机物水解酸化速率以及甲烷生成速率；
2)添加150mg/g VS MIL-88A(Fe)的累积甲烷产量和每日最大甲烷产量比没有添加材料的厌氧消化体系提高了56.60％和45.75％；
3)添加150mg/g VS MIL-88A(Fe)后，加速了产甲烷菌对乙酸的利用。同时，MIL-88A(Fe)改善了厌氧消化过程中的关键酶活性，例如：α-葡萄糖苷酶，乙酸激酶和F420，进而提升产甲烷效能；
4)添加150mg/g VS MIL-88A(Fe)后，促进体系还原性蛋白质的分泌，增强厌氧消化体系中微生物细胞内和细胞外电子传递速率，具体为接受电子能力和贡献电子能力；
5)MIL-88A(Fe)促进了细胞色素C和导电菌毛来的分泌，以此实现产酸菌和产甲烷菌之间的传递电子，从而完成DIET途径；
6)MIL-88A(Fe)介导的厌氧消化体系中促进了甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲烷鬃菌属(Methanosaeta)的生长，抑制甲基型产甲烷菌(Candidatus-Methanofastidiosum)的生长，表明MIL-88A(Fe)通过DIET途径介导乙酸氧化和二氧化碳还原产甲烷途径，抑制氢营养型产甲烷途径。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种铁基MOF强化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：
将废活性污泥、接种物及MIL-88A(Fe)混合，再调节pH值，得厌氧消化体系，然后吹入氮气至厌氧消化体系内无氧气，再在密闭的条件下进行厌氧消化反应，完成铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能。
2.根据权利要求1所述的铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，呈现介孔结构的MIL-88A(Fe)为微生物的附着提供条件，且表面的官能团有利于微生物生长繁殖，促进种间电子转移，提高其传递速率，加速污泥降解及甲烷的产生，提高甲烷产量。
3.根据权利要求1所述的铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，所述MIL-88A(Fe)的制备过程为：
将FeCl3和富马酸溶于蒸馏水中，再进行搅拌，然后进行水热反应，得到MIL-88A(Fe)。
4.根据权利要求3所述的铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，所述FeCl3及富马酸的质量比为0.580g：1.352g。
5.根据权利要求3所述的铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，水热反应的温度为65℃。
6.根据权利要求3所述的铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，反应时间为24h。
7.根据权利要求3所述的铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，搅拌时间为12h。
8.根据权利要求1所述的铁基MOF强化污泥厌氧消化产甲烷效能的方法，其特征在于，调节pH值至7。
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