JP2023016647A - Method for accelerating startup of anaerobic reactors based on conductive materials - Google Patents

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Abstract

To provide a method to facilitate rapid startup of anaerobic reactors suitable for a variety of organic loads.SOLUTION: It is a method of accelerating a startup of anaerobic reactors based on conductive nanomaterial, whereby a conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is prepared and the prepared conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is inoculated into the anaerobic reactor at a volume concentration of 5 to 18 gVSS/L to start the anaerobic reactor.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、廃水の嫌気性生物学的処理の技術分野に関し、具体的には導電性ナノ材料に基
づく嫌気性反応器の始動の促進方法に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the technical field of anaerobic biological treatment of wastewater, and in particular to a method for promoting start-up of anaerobic reactors based on conductive nanomaterials.

嫌気性生物学的処理技術とは、嫌気性条件下で、嫌気性および通性嫌気性微生物群が有機
物をメタンと二酸化炭素に変換する過程であり、嫌気性消化とも呼ばれ、一般的に、廃水
中の有機物が複雑で、嫌気性消化によって4階段で以下のように分解される。
(1)加水分解階段:高分子有機物はその分子の体積が大きいため、嫌気性菌の細胞壁を
直接通過することができず、微生物の外部の細胞外酵素によって小分子に分解され、廃水
中の典型的な有機物質、例えばセルロースはセルラーゼによってセロビオースとグルコー
スに分解され、デンプンはマルトースとグルコースに分解され、タンパク質は短いペプチ
ドとアミノ酸に分解され、分解後、これらの小分子は、分解の次のステップのために細胞
壁を通って細胞の本体に入ることができる。
(2)酸化階段:上記の小分子有機物は細胞体に入り、より単純な化合物に変化し、細胞
外に分布し、この段階の主な生成物は揮発性脂肪酸(VFA)であり、アルコール、乳酸
、二酸化炭素、水素、アンモニア、硫化水素などのいくつかの生成物も生成される。
(3)酢酸生成階段:この段階で、前のステップの生成物はさらに酢酸、炭酸、水素、お
よび新しい細胞材料に変換される。
(4)メタン生成階段:この段階で、酢酸、水素、炭酸、ギ酸、およびメタノールはすべ
て、メタン、二酸化炭素、および新しい細胞材料に変換され、この段階は、嫌気性プロセ
ス全体の最も重要な段階であり、嫌気性反応プロセス全体の律速段階でもある。
ただし、嫌気性消化の開始は時間がかかり、非常に壊れやすいプロセスであり、エンジニ
アリングアプリケーションを妨げる主な要因として認められている。従来の始動段階は、
反応器の処理能力を改善するために水力学的保持時間または有機物負荷率を変更すること
によって微生物を順応することであり、これは、水圧保持時間または有機物負荷率の継続
的または断続的な変化が避けられないことを意味する。なお、pH、温度、アルカリ度、
および流入特性の変動によって引き起こされる干渉は、特に高い有機物負荷率による酸の
蓄積のために、嫌気性消化を開始することをより困難にする。最近の研究では、共栄養群
集の種間の直接電子移動は、導電性付属物および/またはレドックスタンパク質を介して
達成でき、嫌気性システムの安定性を改善できることが示されている。したがって、活性
炭、グラファイト、バイオチャー、ナノからミクロンサイズの鉄材料(マグネタイト、ゼ
ロ価鉄、ヘマタイトなど)などの導電性材料を提供して、水素を生成する酢酸生成細菌と
メタン生成古細菌の間の電子伝達を刺激し、メタン生成の効率をさらに改善し、嫌気性消
化の迅速な開始を促進することができる同時に、ナノマテリアルは、その独特の物理的お
よび化学的特性のために広く使用され、ナノスケールの導電性材料を使用すると、安定し
た表面特性を備えているだけでなく、生体適合性も良好であるため、嫌気性システムの安
定性がさらに向上する可能性がある。
中国特許CN108017148Aは、細菌および嫌気性粒子の導入を含む迅速な培養ス
テップを開示し、そのうちに嫌気性粒子の迅速な培養ステップは、1)培養に適した嫌気
性汚泥を選択することと、2)流入COD負荷を徐々に増加させ:ステップ1)で培養し
た反応器内の汚泥の量に応じて、汚泥COD負荷、および流出CODとVFAは、流入C
OD負荷を徐々に増加させることと、3)ステップ2)で到達した流入濃度に応じて還流
比である流入流量と流出流量の比率を、システムへの流入負荷の影響を減らすために1:
0.6~0.8に調整する同時に、合液のアルカリ度を調整して、アルカリの消費量を減
らすこととを含み、全体の起動時間は20~25日であるが、嫌気性汚泥を利用して嫌気
性リアクターの始動を促進し、始動時間は依然として長く、薬品等の導入は二次汚染のリ
スクがあり、効果は比較的短い。
したがって、上記の技術的問題を最適化および解決するために、様々な有機負荷に適した
嫌気性反応器の迅速な始動を促進する方法が必要である。
Anaerobic biological treatment technology is the process of converting organic matter into methane and carbon dioxide under anaerobic conditions by anaerobic and facultative anaerobic microbial communities, also called anaerobic digestion, generally Organic matter in wastewater is complex and is decomposed in four steps by anaerobic digestion as follows.
(1) Hydrolysis step: Due to the large molecular volume of macromolecular organic substances, they cannot directly pass through the cell walls of anaerobic bacteria, and are decomposed into small molecules by extracellular enzymes outside the microorganisms, and then in the wastewater. Typical organic substances such as cellulose are degraded by cellulases into cellobiose and glucose, starches are degraded into maltose and glucose, proteins are degraded into short peptides and amino acids, and after degradation these small molecules are transformed into It can enter the body of the cell through the cell wall for the step.
(2) oxidation step: the above small molecule organics enter the cell body, change into simpler compounds, and are distributed outside the cell, the main products of this step are volatile fatty acids (VFA), alcohols, Several products such as lactic acid, carbon dioxide, hydrogen, ammonia and hydrogen sulfide are also produced.
(3) Acetogenic step: At this stage the products of the previous step are further converted to acetic acid, carbonic acid, hydrogen and new cellular material.
(4) The Methanogenic Step: At this stage, acetic acid, hydrogen, carbonic acid, formic acid, and methanol are all converted to methane, carbon dioxide, and new cellular material, and this stage is the most important step in the overall anaerobic process. and is also the rate-limiting step in the overall anaerobic reaction process.
However, the initiation of anaerobic digestion is a slow and highly fragile process, recognized as a major impediment to engineering applications. The traditional start-up phase is
The acclimation of microorganisms by altering the hydraulic retention time or organic loading rate to improve the throughput of the reactor, which involves continuous or intermittent changes in hydraulic retention time or organic loading rate. means that is unavoidable. In addition, pH, temperature, alkalinity,
and interference caused by fluctuations in inflow characteristics make it more difficult to initiate anaerobic digestion, especially due to acid accumulation due to high organic loading. Recent studies have shown that direct electron transfer between species in cotrophic communities can be achieved through conductive appendages and/or redox proteins, improving the stability of anaerobic systems. Therefore, conductive materials such as activated carbon, graphite, biochar, and nano- to micron-sized ferrous materials (magnetite, zero-valent iron, hematite, etc.) can be provided to facilitate interaction between hydrogen-producing acetogenic and methanogenic archaea. Nanomaterials are widely used due to their unique physical and chemical properties, at the same time they can stimulate the electron transport of , further improve the efficiency of methanogenesis and facilitate the rapid initiation of anaerobic digestion. , the use of nanoscale conductive materials may further improve the stability of anaerobic systems, as they not only possess stable surface properties, but also have good biocompatibility.
Chinese patent CN108017148A discloses a rapid culture step involving the introduction of bacteria and anaerobic particles, wherein the rapid culture step of anaerobic particles consists of 1) selecting anaerobic sludge suitable for cultivation; ) Gradually increase the inflow COD load: depending on the amount of sludge in the reactor cultured in step 1), the sludge COD load, and the outflow COD and VFA
Gradually increasing the OD load and 3) depending on the influent concentration reached in step 2), the reflux ratio, the ratio of the inflow to the outflow, is reduced to 1:1 to reduce the effect of the inflow load on the system.
At the same time, adjusting the alkalinity of the combined liquor to reduce the consumption of alkalinity, the total start-up time is 20-25 days, but the anaerobic sludge is It is used to accelerate the start-up of the anaerobic reactor, but the start-up time is still long, the introduction of chemicals, etc. has the risk of secondary pollution, and the effect is relatively short.
Therefore, in order to optimize and solve the above technical problems, a method is needed to facilitate rapid start-up of anaerobic reactors suitable for various organic loads.

従来技術に存在する問題を考慮して、本発明者は、ナノ導電性材料と嫌気性活性汚泥との
複合体が嫌気性反応器の迅速な始動を促進できることを予期せず発見した。
本発明の目的は、電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥の調製方法、および導電性ナノ材料
複合嫌気性活性化汚泥を嫌気性反応器に接種することを含む、導電性ナノ材料に基づく嫌
気性反応器の始動の促進方法を提供することである。
In view of the problems existing in the prior art, the inventors unexpectedly discovered that composites of nano-conductive materials and anaerobic activated sludge can facilitate rapid start-up of anaerobic reactors.
The object of the present invention is a method for preparing an electrically conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge and an anaerobic process based on electrically conductive nanomaterials, comprising inoculating an anaerobic reactor with the electrically conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge. Another object of the present invention is to provide a method for accelerating the start-up of a sex reactor.

上記の解決策は、具体的に以下のステップを含む。
導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥を調製し、調製された導電性ナノ材料複合嫌気性活
性化汚泥を5~18gVSS/Lの体積濃度で嫌気性反応器に接種して、嫌気性反応器を
始動する。
その内に、前記導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥の調製方法は以下のとおりである。
前記導電性ナノ材料を脱イオン水に加えて超音波で分散して、導電性ナノ材料分散溶液を
調製し、
調製された導電性ナノ材料分散溶液を嫌気性活性化汚泥に加え、22時間攪拌して、導電
性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥を得る。
さらに、前記導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥中の導電性ナノ材料と前記嫌気性活性
化汚泥乾燥重量の質量比が(0.03~0.15):1である。
さらに、前記嫌気性反応器が始動されると、pHを6.7~7.5、温度を27~36℃
に制御し、嫌気性反応器の動作開始過程中、COD:N:Pが(400~200):(7
~3):1である。
さらに、前記嫌気性活性化汚泥は凝集状汚泥、粒子状汚泥中のいずれか1つである。その
内に、前記凝集状汚泥市下水処理場の残りの汚泥または汚泥濃縮槽の汚泥のいずれか1つ
であるが、上記の嫌気性活性汚泥に限らない。前記嫌気性反応器は通常消化槽、嫌気性接
触消化槽、上昇流嫌気性汚泥床、嫌気性粒子状汚泥膨張床中のいずれか1つである。
さらに、前記攪拌方法は以下のとおりである。機械的攪拌で22時間培養し、攪拌速度1
20rpmで嫌気性培養する。
本発明の一側面によれば、上記解決策の導電性ナノ材料はナノ四酸化三鉄であり、前記ナ
ノ四酸化三鉄の粒子径が20~30nmである。
本発明の別の側面によれば、上記解決策の導電性ナノ材料は修飾ナノ四酸化三鉄であり、
修飾ナノ四酸化三鉄とナノ四酸化三鉄とは同等に置き換えられ、前記修飾ナノ四酸化三鉄
の調製方法は以下のとおりである。
1)アニリンモノマー与Fe(NO・9HOのモル比が1:0.45~1.94
になるように、Fe(NO・9HOを無水エタノールに溶解し、アニリンモノマ
ーを無水エタノールに溶解する。
2)次に、磁気リング反応管内への充填量が磁気リングの高さ以下になるように磁気リン
グ反応管に加えた後、磁気リング反応管内へ窒素ガスを、圧力が2.5MPaになるよう
に流入し、磁気リング反応管を180~200℃に加熱して6~8時間反応させる。
3)反応開始から30分後、磁気リング反応管の電磁リングを45~90s/回の頻度で
反応管本体の反応ゾーンと低温ゾーンに切り替えて生成された修飾ナノ四酸化三鉄を吸着
および固定し、電磁リングが通電されると反応ゾーンと低温ゾーンでの滞留時間が3~5
sであり、前記低温ゾーンの温度を80~110℃に制御する。
4)調製された沈殿物を遠心分離により収集し、洗浄および乾燥して、修飾ナノ四酸化三
鉄を得る。
上記の方法を使用すると、アニリンモノマーを使用して、追加の物質を追加することなく
、3価の鉄を2価の鉄に部分的に還元することが可能であり、四酸化三鉄の効果的な変換
を確実にする同時に、二価鉄および三価鉄は、アニリンモノマーの重合を触媒して、四酸
化三鉄/ポリアニリン複合ナノ材料の調製を実現することができ、反応開始後も継続的に
発生する修飾四酸化三鉄を磁気的に引き付け、低温領域に移動させて短期間の温度差スイ
ッチングを行い、実験を通して、短期間の温度差スイッチングは、修飾された四酸化三鉄
材料の磁気特性を安定させるのに有益であることが見出され、同時に、その後の使用では
、修飾された四酸化三鉄がより安定した磁気および電気伝導率などを有するため、嫌気性
反応器の始動促進中、導電性ナノ材料をVFAsの異化作用を強化するための電子伝達メ
ディエーターとして使用し、反応器内のVFAsの大量の蓄積を効果的に回避で、pHを
緩衝し、酸化還元電位を低下させる役割を果たし、嫌気性菌の増殖を促進する環境を作り
、種間直接電子移動能力を有する嫌気性菌を強化・濃縮し、嫌気性菌のメタン生成率を高
める。
The above solution specifically includes the following steps.
Conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is prepared, the prepared conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is inoculated into an anaerobic reactor at a volume concentration of 5 to 18 gVSS / L, and the anaerobic reactor to start.
Among them, the preparation method of said conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is as follows.
adding the conductive nanomaterial to deionized water and dispersing it with ultrasonic waves to prepare a conductive nanomaterial dispersion solution;
The prepared conductive nanomaterial dispersion solution is added to the anaerobic activated sludge and stirred for 22 hours to obtain conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge.
Furthermore, the mass ratio of the conductive nanomaterial in the conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge to the dry weight of the anaerobic activated sludge is (0.03 to 0.15):1.
Further, when the anaerobic reactor is started, the pH is 6.7-7.5 and the temperature is 27-36°C.
and COD:N:P is (400-200):(7
~3): 1.
Further, the anaerobic activated sludge is any one of flocculated sludge and particulate sludge. Among them, it is either the residual sludge of the flocculated sludge municipal sewage treatment plant or the sludge of the sludge thickening tank, but is not limited to the above anaerobic activated sludge. The anaerobic reactor is any one of a normal digester, an anaerobic catalytic digester, an upflow anaerobic sludge bed, or an anaerobic particulate sludge expanded bed.
Further, the stirring method is as follows. Incubate for 22 hours with mechanical agitation, agitation speed 1
Grow anaerobic at 20 rpm.
According to one aspect of the present invention, the conductive nanomaterial of the above solution is nano triiron tetroxide, and the particle size of said nano triiron tetroxide is 20-30 nm.
According to another aspect of the invention, the conductive nanomaterial of the above solution is modified nano triiron tetroxide,
The modified nano-triiron tetroxide and the nano-triiron tetroxide are equivalent, and the preparation method of said modified nano-triiron tetroxide is as follows.
1) The molar ratio of aniline monomer to Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O is 1:0.45 to 1.94
Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O is dissolved in absolute ethanol and the aniline monomer is dissolved in absolute ethanol such that
2) Next, after adding nitrogen gas to the magnetic ring reaction tube so that the filling amount in the magnetic ring reaction tube is equal to or less than the height of the magnetic ring, nitrogen gas is added to the magnetic ring reaction tube so that the pressure becomes 2.5 MPa. and heat the magnetic ring reaction tube to 180-200° C. to react for 6-8 hours.
3) After 30 minutes from the start of the reaction, the electromagnetic ring of the magnetic ring reaction tube is switched between the reaction zone and the low temperature zone of the reaction tube main body at a frequency of 45 to 90 s/time to adsorb and fix the modified nano triiron tetroxide produced. Then, when the electromagnetic ring is energized, the residence time in the reaction zone and the low temperature zone is 3 to 5
s, and the temperature of the cold zone is controlled at 80-110°C.
4) The prepared precipitate is collected by centrifugation, washed and dried to obtain modified nano triiron tetroxide.
Using the above method, it is possible to partially reduce ferric iron to ferric iron using aniline monomers without adding additional substances, and the effect of triiron tetroxide At the same time, ferric and trivalent iron can catalyze the polymerization of aniline monomers to realize the preparation of triiron tetroxide/polyaniline composite nanomaterials, which continues after the initiation of the reaction. The modified triiron tetroxide generated in the magnetic field is magnetically attracted and moved to a low temperature region for short-term temperature difference switching. found to be beneficial in stabilizing the magnetic properties, at the same time, in subsequent use, the start-up of anaerobic reactors, because the modified triiron tetroxide has more stable magnetic and electrical conductivity, etc. Conductive nanomaterials are used as electron transfer mediators to enhance the catabolism of VFAs during acceleration, effectively avoiding large accumulations of VFAs in the reactor, buffering the pH and lowering the redox potential. It plays a role in promoting the growth of anaerobes, creates an environment that promotes the growth of anaerobes, strengthens and concentrates anaerobes that have the ability to directly transfer electrons between species, and increases the methane production rate of anaerobes.

本発明は、以下の有益な効果を有する。
(1)本発明の導電性ナノ材料嫌気性反応器の始動の促進方法は、四酸化三鉄または修飾
四酸化三鉄を導電性ナノ材料として使用し、嫌気性反応器の始動促進中、導電性ナノ材料
を使用して嫌気性反応器内の揮発性脂肪酸VFAs大量の蓄積を効果的に回避し、pHを
緩衝し、酸化還元電位を低下させる役割を果たし、嫌気性菌の増殖を促進する環境を作り
、種間直接電子移動能力を有する嫌気性菌を強化・濃縮し、嫌気性菌のメタン生成率を高
める。
(2)本発明の導電性ナノ材料嫌気性反応器の始動の促進方法は、四酸化三鉄または修飾
四酸化三鉄を導電性ナノ材料として使用し、これは、酸生成細菌とメタン生成菌の間の電
子伝達を強化し、電子伝達の効率を改善し、VFAの異化作用を強化するための電子伝達
として使用でき、また、EPS分泌を刺激して嫌気性汚泥の造粒を促進し、バイオマスが
大きく沈降性能の良い嫌気性粒状汚泥を形成し、これにより、嫌気性反応器の有機負荷耐
性が向上し、高い有機負荷下での嫌気性反応器の安定した迅速な始動が強化され、その適
用範囲が広く、従来の技術では、活性炭を添加する方法は、大きな比表面積および活性炭
の高い多孔性によって形成される高い物理吸着容量のみを使用して、細菌ミセルの形成を
加速し、微生物を固定化し、汚泥の損失を防止し、デバイスをすばやく起動して、低負荷
嫌気性反応器に適しており、その適用範囲は比較的限られている。
(3)本発明の導電性ナノ材料嫌気性反応器の始動の促進方法によって提供される導電性
ナノ材料、例えばナノ四酸化三鉄、修飾ナノ四酸化三鉄は、合成粒度が小さく、表面性能
が安定しており、生体適合性に優れ、同時に嫌気性消化システムでは、共栄養細菌群集の
間に直接的な種間電子伝達プロセスがあり、種間の直接電子移動のプロセスを強化するた
めに嫌気性消化システムに導電性ナノ材料を導入すると、特に高い有機負荷に直面した場
合に、嫌気性消化の迅速な開始が容易になる。
(4)本発明の導電性ナノ材料嫌気性反応器の始動の促進方法は、活性汚泥と導電性ナノ
材料を用いて複合嫌気性活性汚泥を調製し、それを嫌気性反応器に接種し、導電性ナノ材
料を嫌気性反応器に直接添加する方法より嫌気性反応器の有機負荷耐性をさらに効果的に
改善し、これにより、高い有機物負荷下での嫌気性反応器の安定した迅速な始動がさらに
強化され、嫌気性反応器の始動期間が短縮される。
(5)本発明の導電性ナノ材料嫌気性反応器の始動の促進方法は、嫌気性活性化汚泥と導
電性ナノ材料(ナノ四酸化三鉄、修飾ナノ四酸化三鉄)を複合して嫌気性反応器に接種し
、ナノ四酸化三鉄を添加しない場合と比べて、嫌気性反応器の始動周期が11.8~22
.1%短縮され、SiOナノ粒子(非導電性)を添加する場合と比べて、始動周期が9
.7~19.5%短縮され、修飾ナノ四酸化三鉄を添加しない場合と比べて、嫌気性反応
器の始動周期が14.7~25.4%短縮され、SiOナノ粒子(非導電性)を添加す
る場合と比べて、始動周期が12.2~23.5%短縮され、嫌気性反応器が到達できる
最大負荷が大幅に改善され、COD除去率が大幅に改善される。
(6)本発明の導電性ナノ材料嫌気性反応器の始動の促進方法は、接種した粒状汚泥や凝
集性汚泥の嫌気性消化システムに使用でき、幅広い用途があり、嫌気性反応器は安定して
迅速に起動し、嫌気性反応器の構造を変えることなく既存の嫌気性反応器に直接追加する
ことができ、操作が簡単でランニングコストが安いため、普及・利用しやすい。
The invention has the following beneficial effects.
(1) The method for promoting start-up of a conductive nanomaterial anaerobic reactor of the present invention uses triiron tetroxide or modified triiron tetroxide as a conductive nanomaterial, and during the start-up of the anaerobic reactor, the conductive Using organic nanomaterials to effectively avoid the accumulation of large amounts of volatile fatty acid VFAs in the anaerobic reactor, play a role in buffering pH and lowering the redox potential, and promoting the growth of anaerobes Create an environment, strengthen and concentrate anaerobes that have the ability to directly transfer electrons between species, and increase the methane production rate of anaerobes.
(2) The method of promoting start-up of the conductive nanomaterial anaerobic reactor of the present invention uses triiron tetroxide or modified triiron tetroxide as the conductive nanomaterials, which are acidogenic and methanogenic bacteria. can be used as an electron transfer to enhance the efficiency of electron transfer between the Forming anaerobic granular sludge with large biomass and good sedimentation performance, which improves the organic load resistance of the anaerobic reactor, enhances the stable and rapid start-up of the anaerobic reactor under high organic load, Its scope of application is wide, and in the conventional technology, the method of adding activated carbon only uses the high physical adsorption capacity formed by the large specific surface area and the high porosity of activated carbon to accelerate the formation of bacterial micelles, and the microorganisms can be immobilized to prevent sludge loss, the device can be started quickly, and is suitable for low-load anaerobic reactors, and its scope of application is relatively limited.
(3) The conductive nanomaterials, such as nano triiron tetroxide and modified nano triiron tetroxide, provided by the method for promoting the start-up of the conductive nanomaterial anaerobic reactor of the present invention have a small synthesis particle size and excellent surface performance. is stable and biocompatible, and at the same time, in anaerobic digestion systems, there is a direct interspecific electron transfer process between cotrophic bacterial communities, and to enhance the process of direct interspecific electron transfer, Introducing conductive nanomaterials into anaerobic digestion systems facilitates rapid initiation of anaerobic digestion, especially when faced with high organic loads.
(4) The method for promoting the start-up of a conductive nanomaterial anaerobic reactor of the present invention comprises preparing a composite anaerobic activated sludge using activated sludge and a conductive nanomaterial, inoculating it into an anaerobic reactor, It can improve the organic load resistance of the anaerobic reactor more effectively than the method of directly adding conductive nanomaterials to the anaerobic reactor, which leads to a stable and rapid start-up of the anaerobic reactor under high organic loading. is further enhanced, shortening the start-up period of the anaerobic reactor.
(5) The method for promoting the start-up of the conductive nanomaterial anaerobic reactor of the present invention is to combine anaerobic activated sludge and conductive nanomaterials (nano triiron tetroxide, modified nano triiron tetroxide) into anaerobic Compared to the case where the anaerobic reactor is inoculated and no nano triiron tetroxide is added, the start-up period of the anaerobic reactor is 11.8 to 22
. 1% shorter, 9 start-up periods compared to adding SiO2 nanoparticles (non-conductive)
. 7-19.5% shortened, the start-up cycle of the anaerobic reactor was shortened by 14.7-25.4% compared to the case without the addition of modified nano-triiron tetroxide, and SiO2 nanoparticles (non-conductive ), the start-up period is shortened by 12.2-23.5%, the maximum load that the anaerobic reactor can reach is greatly improved, and the COD removal rate is greatly improved.
(6) The method of promoting the start-up of the conductive nanomaterial anaerobic reactor of the present invention can be used in the anaerobic digestion system of inoculated granular sludge and flocculated sludge, and has a wide range of applications, and the anaerobic reactor can be stabilized. It can be added directly to an existing anaerobic reactor without changing the structure of the anaerobic reactor, is easy to operate, and has low running costs, making it easy to spread and use.

さまざまなOLRの下での反応器の始動期間中の排水COD、メタン生成率、およびpHの変化を示し、(A)は流出COD、(B)はCOD除去率、(C)はメタン生成率、(D)はpH(エラーバーは、3つのサンプルの標準偏差を表す)を示す。Effluent COD, methane production rate, and pH changes during reactor start-up period under different OLR, (A) is effluent COD, (B) is COD removal rate, (C) is methane production rate. , (D) indicates pH (error bars represent standard deviation of triplicate samples). OLRの増加に従い、3つの反応器中のVFAsの分布図を示し、(A)はR0、(B)はR1、(C)はR2を示す。Distribution map of VFAs in three reactors according to increasing OLR, (A) for R0, (B) for R1 and (C) for R2. 異なる階段の反応器のINT-ETSとCV曲線の動的変化を示し、(A)はINT-ETS、(B)はCV曲線を示し、エラーバーは、3つのサンプルの標準偏差を表す。Dynamic changes of INT-ETS and CV curves of different step reactors are shown, (A) INT-ETS, (B) CV curves, error bars represent standard deviation of triplicate samples. 異なる時期の汚泥のEPS組成の変化を示し、(A1)-(D1)は65日、75日、114日、152日のLB-EPS組成変化を示し、(A2)-(D2)は65日、75日、114日、152日のTB-EPS組成変化を示す。Shows the change in EPS composition of sludge at different times, (A1)-(D1) show LB-EPS composition change at 65 days, 75 days, 114 days, 152 days, (A2)-(D2) at 65 days , TB-EPS composition changes at 75, 114 and 152 days. 0日目、50日目および150日目の反応器R0、R1およびR2の細菌群集の属レベルで系統発生組の相対的な存在量の変化を示し、(A)は細菌群集、(B)は古細菌群集を示し、全体の2%未満を占めるシーケンスは、「その他」に分類される。Relative abundance changes of phylogenetic sets at the genus level of bacterial communities in reactors R0, R1 and R2 at days 0, 50 and 150, (A) bacterial communities, (B) indicates an archaeal community, and sequences that account for less than 2% of the total are classified as 'other'. 本発明の磁気リング反応管の全体外観図である。1 is an overall external view of a magnetic ring reaction tube of the present invention; FIG. 本発明の磁気リング反応管の一部断面の構造概略図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional structural schematic view of the magnetic ring reaction tube of the present invention; 本発明の磁気リング反応管の駆動コンポーネントの構造概略図である。FIG. 4 is a structural schematic diagram of the drive components of the magnetic ring reaction tube of the present invention;

[符号の説明]
1 反応管本体
11 シールカバー
12 温度制御ロッド
13 加熱プレート
2 電磁リング
3 ガイドリング
4 駆動コンポーネント
41 駆動モータ
42 駆動ギアリング
43 第1スクリュー
44 第2スクリュー
45 第1ギア
46 第2ギア
5 ハウジング
6 台座
[Description of symbols]
1 Reaction tube body 11 Seal cover 12 Temperature control rod 13 Heating plate 2 Electromagnetic ring 3 Guide ring 4 Drive component 41 Drive motor 42 Drive gear ring 43 First screw 44 Second screw 45 First gear 46 Second gear 5 Housing 6 Pedestal

以下は、本発明の利点をよりよく反映するために、特定の実施形態を参照して本発明をさ
らに詳細に説明する。
In the following, the invention will be described in more detail with reference to specific embodiments in order to better reflect the advantages of the invention.

実施例1
本実施例1は導電性ナノ四酸化三鉄を含む嫌気性活性化汚泥を接種する嫌気性反応器であ
り、具体的に以下のとおりである。
導電性ナノ材料に基づく嫌気性反応器の始動の促進方法は、導電性ナノ材料を使用して嫌
気性反応器の始動を促進し、以下のステップを含む。
導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥を調製し、調製された導電性ナノ材料複合嫌気性活
性化汚泥を12gVSS/Lの体積濃度でEGSB嫌気性反応器に接種して、EGSB嫌
気性反応器を始動し、前記EDSB嫌気性反応器が始動されると、pHを6.7~7.5
、温度を35℃に制御し、前記EGSB嫌気性反応器の動作開始過程中COD:N:Pが
200:5:1である。
その内に、前記導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥の調製方法は、
前記導電性ナノ材料を脱イオン水に加えて超音波で分散し、超音波で30分間分散し、出
力を200Wとし、導電性ナノ材料分散溶液を調製して、前記導電性ナノ材料はナノ四酸
化三鉄であり、前記ナノ四酸化三鉄の粒子径が20~30nmである。
調製された導電性ナノ材料分散溶液を嫌気性活性化汚泥に加え、嫌気性活性化汚泥都市下
水処理場の汚泥濃縮槽から取り出され大きな粒子を篩かけ、前記導電性ナノ材料複合嫌気
性活性化汚泥中の導電性ナノ材料と前記嫌気性活性化汚泥の乾燥重量の質量比が0.1:
1であり、機械的攪拌で22時間培養し、攪拌速度120rpmで嫌気性培養して、導電
性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥を得る。
Example 1
Example 1 is an anaerobic reactor inoculated with anaerobic activated sludge containing conductive nano triiron tetroxide, specifically as follows.
A method for promoting start-up of an anaerobic reactor based on conductive nanomaterials uses conductive nanomaterials to facilitate start-up of an anaerobic reactor and includes the following steps.
Conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge was prepared, and the prepared conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge was inoculated into the EGSB anaerobic reactor at a volume concentration of 12gVSS/L, and the EGSB anaerobic reactor was and when the EDSB anaerobic reactor is started, the pH is brought to 6.7-7.5
, the temperature is controlled at 35° C. and the COD:N:P is 200:5:1 during the start-up process of the EGSB anaerobic reactor.
In it, the method for preparing the conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge comprises:
The conductive nanomaterials are added to deionized water and dispersed by ultrasonic waves. The ultrasonic waves are dispersed for 30 minutes, the power is 200 W, and a conductive nanomaterial dispersion solution is prepared. It is triiron oxide, and the particle size of the nano triiron tetroxide is 20 to 30 nm.
The prepared conductive nanomaterial dispersion solution is added to the anaerobic activated sludge, and the large particles taken out from the sludge thickening tank of the anaerobic activated sludge urban sewage treatment plant are sieved, and the conductive nanomaterial composite anaerobic activated The mass ratio of the conductive nanomaterial in the sludge and the dry weight of the anaerobic activated sludge is 0.1:
1, cultured for 22 hours with mechanical stirring, anaerobic culture at a stirring speed of 120 rpm to obtain conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge.

実施例2
本実施例2は導電性ナノ四酸化三鉄を含む嫌気性活性化汚泥を接種する嫌気性反応器であ
り、具体的に以下のとおりである。
導電性ナノ材料に基づく嫌気性反応器の始動の促進方法は、導電性ナノ材料を使用して嫌
気性反応器始動を促進し、以下のステップを含む。
導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥を調製し、調製された導電性ナノ材料複合嫌気性活
性化汚泥を5gVSS/Lの体積濃度でEGSB嫌気性反応器に接種し、EGSB嫌気性
反応器を始動し、前記EDSB嫌気性反応器が始動されると、pHを6.7~7.5、温
度を27℃に制御し、前記EGSB嫌気性反応器の動作開始過程中COD:N:Pが40
0:8:1である。
その内に、前記導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥の調製方法は、
前記導電性ナノ材料を脱イオン水に加え超音波で分散し、超音波で30分間分散し、出力
を200Wとして、導電性ナノ材料分散溶液を調製し、前記導電性ナノ材料はナノ四酸化
三鉄であり、前記ナノ四酸化三鉄の粒子径が20~30nmである。
調製された導電性ナノ材料分散溶液を嫌気性活性化汚泥に加え、嫌気性活性化汚泥が都市
下水処理場の汚泥濃縮槽から取り出され大きな粒子を篩かけ、前記導電性ナノ材料複合嫌
気性活性化汚泥中の導電性ナノ材料と前記嫌気性活性化汚泥の乾燥重量の質量比が0.0
5:1であり、機械的攪拌で22時間培養し、攪拌速度120rpmで嫌気性培養して、
導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥を得る。
Example 2
Example 2 is an anaerobic reactor inoculated with anaerobic activated sludge containing conductive nano triiron tetroxide, specifically as follows.
A method for promoting anaerobic reactor start-up based on conductive nanomaterials uses conductive nanomaterials to facilitate anaerobic reactor start-up and includes the following steps.
Conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is prepared, the prepared conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is inoculated into the EGSB anaerobic reactor at a volume concentration of 5 gVSS / L, and the EGSB anaerobic reactor is When the EDSB anaerobic reactor is started, the pH is controlled to 6.7-7.5, the temperature is 27° C., and the COD:N:P is controlled during the start-up process of the EGSB anaerobic reactor. 40
0:8:1.
In it, the method for preparing the conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge comprises:
The conductive nanomaterial is added to deionized water and dispersed with ultrasonic waves, and dispersed with ultrasonic waves for 30 minutes. It is iron, and the particle size of the nano triiron tetroxide is 20 to 30 nm.
The prepared conductive nanomaterial dispersion solution is added to the anaerobic activated sludge, and the anaerobic activated sludge is taken out from the sludge thickening tank of the municipal sewage treatment plant and sieved for large particles, and the conductive nanomaterial composite anaerobic activated The mass ratio of the conductive nanomaterial in the activated sludge and the dry weight of the anaerobic activated sludge is 0.0
5:1, cultured for 22 hours with mechanical agitation, anaerobic culture at agitation speed of 120 rpm,
A conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is obtained.

実施例3
本実施例3は、導電性ナノ四酸化三鉄を含む嫌気性活性化汚泥を接種する嫌気性反応器で
あり、具体的に以下のとおりである。
導電性ナノ材料に基づく嫌気性反応器の始動の促進方法は、導電性ナノ材料を使用して嫌
気性反応器始動を促進し、以下のステップを含む。
導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥を調製し、調製された導電性ナノ材料複合嫌気性活
性化汚泥を18gVSS/Lの体積濃度でEGSB嫌気性反応器に接種して、EGSB嫌
気性反応器を始動し、前記EDSB嫌気性反応器が始動されると、pHを6.7~7.5
、温度を36℃に制御し、前記EGSB嫌気性反応器の動作開始過程中COD:N:Pが
300:2:1である。
その内に、前記導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥の調製方法は、
前記導電性ナノ材料を脱イオン水に加え超音波で分散し、超音波で30分間分散し、出力
を200Wとして、導電性ナノ材料分散溶液を調製し、前記導電性ナノ材料はナノ四酸化
三鉄であり、前記ナノ四酸化三鉄の粒子径が20~30nmである。
調製された導電性ナノ材料分散溶液を嫌気性活性化汚泥中に加え、嫌気性活性化汚泥が都
市下水処理場の汚泥濃縮槽から取り出され大きな粒子を篩かけ、前記導電性ナノ材料複合
嫌気性活性化汚泥中の導電性ナノ材料と前記嫌気性活性化汚泥の乾燥重量の質量比が0.
2:1であり、機械的攪拌で22時間培養し、攪拌速度120rpmで嫌気性培養して、
導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥を得る。
Example 3
Example 3 is an anaerobic reactor inoculated with anaerobic activated sludge containing conductive nano triiron tetroxide, specifically as follows.
A method for promoting anaerobic reactor start-up based on conductive nanomaterials uses conductive nanomaterials to facilitate anaerobic reactor start-up and includes the following steps.
Conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge was prepared, and the prepared conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge was inoculated into the EGSB anaerobic reactor at a volume concentration of 18gVSS/L, and the EGSB anaerobic reactor and when the EDSB anaerobic reactor is started, the pH is brought to 6.7-7.5
, the temperature is controlled at 36° C. and the COD:N:P is 300:2:1 during the start-up process of the EGSB anaerobic reactor.
In it, the method for preparing the conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge comprises:
The conductive nanomaterial is added to deionized water and dispersed with ultrasonic waves, and dispersed with ultrasonic waves for 30 minutes. It is iron, and the particle size of the nano triiron tetroxide is 20 to 30 nm.
The prepared conductive nanomaterial dispersion solution is added to the anaerobic activated sludge, and the anaerobic activated sludge is taken out from the sludge thickening tank of the municipal sewage treatment plant and sieved for large particles, and the conductive nanomaterial composite anaerobic The mass ratio of the conductive nanomaterial in the activated sludge to the dry weight of the anaerobic activated sludge is 0.
2:1, cultured for 22 hours with mechanical agitation, anaerobic culture at agitation speed of 120 rpm,
A conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is obtained.

実施例4
本実施例は以下のことを除いて実施例1と基本的に同じであり、前記導電性ナノ材料は修
飾ナノ四酸化三鉄であり、前記修飾ナノ四酸化三鉄の調製方法は、
1)アニリンモノマーとFe(NO・9HOのモル比が1:1.45になるよう
に、Fe(NO・9HOを無水エタノール中に溶解し、アニリンモノマーを無水
エタノール中に溶解する。
2)次に磁気リング反応管中に加え、磁気リング反応管内への充填量が磁気リング高さ以
下であり、その後磁気リング反応管内へ窒素ガスを圧力が2.5MPaになるように流入
し、磁気リング反応管を195℃に加熱して7時間反応させる。
3)反応開始から30分後、磁気リング反応管の電磁リングが75s/回の頻度で反応管
本体1の反応ゾーンと低温ゾーンに切り替えられ、生成された修飾ナノ四酸化三鉄を吸着
および固定し、電磁リングが通電されると反応ゾーンと低温ゾーンでの滞留時間がともに
4sである。
4)調製された沈殿物を遠心分離により収集し、洗浄および乾燥して、修飾ナノ四酸化三
鉄を得る。
上記の方法を使用すると、アニリンモノマーを使用して、追加の物質を追加することなく
、3価の鉄を2価の鉄に部分的に還元することが可能であり、四酸化三鉄の効果的な変換
を確実にする同時に、二価鉄および三価鉄は、アニリンモノマーの重合を触媒して、四酸
化三鉄/ポリアニリン複合ナノ材料の調製を実現することができ、反応開始後も継続的に
発生する修飾四酸化三鉄を磁気的に引き付け、低温領域に移動させて短期間の温度差スイ
ッチングを行い、実験を通して、短期間の温度差スイッチングは、修飾された四酸化三鉄
材料の磁気特性を安定させるのに有益であることが見出され、同時に、その後の使用では
、修飾された四酸化三鉄がより安定した磁気および電気伝導率などを有するため、嫌気性
反応器の始動促進中、導電性ナノ材料をVFAsの異化作用を強化するための電子伝達メ
ディエーターとして使用し、反応器内のVFAsの大量の蓄積を効果的に回避で、pHを
緩衝し、酸化還元電位を低下させる役割を果たし、嫌気性菌の増殖を促進する環境を作り
、種間直接電子移動能力を有する嫌気性菌を強化・濃縮し、嫌気性菌のメタン生成率を高
める。
またさらに、前記低温ゾーンの温度を105℃に制御する。
その内に、図6および図7に示すように、前記磁気リング反応管は、反応管本体1と、反
応管本体1に摺動可能に嵌設された電磁リング2と、反応管本体1内壁に摺動可能に設け
られ電磁リング2を制御するためのガイドリング3と、ガイドリング3と同期して上下に
移動する駆動コンポーネント4と、駆動コンポーネント4をカバーするハウジング5と、
駆動コンポーネント4および反応管本体1を支持するための台座6と、を含む。
図7および図8に示すように、前記駆動コンポーネント4は駆動モータ41と、駆動ギア
リング42と、電磁リング2外壁の第1バンプ21に回転可能に設けられたスクリューナ
ットおよび第1スクリュー43と、ガイドリング3内壁の第2バンプ31に回転可能に設
けられたスクリューナットおよび第2スクリュー44と、を含み、第1バンプ21が電磁
リング2の下端面に周方向に設けられ、40°間隔で9組設けられ、第2バンプ31がガ
イドリング3の下端面に周方向に設けられ、40°間隔で9組設けられ、第1スクリュー
43、第2スクリュー44が第1バンプ21、第2バンプ31と対応して設けられ、前記
駆動モータ41が台座6上に設けられ、前記第1スクリュー43下端、第2スクリュー4
4下方における駆動ギアリング43に対応する位置にそれぞれ第1ギア45、第2ギア4
6が設けられて駆動ギアリング43の外、内側面のギア面と噛み合って伝達され、前記第
2ギア46は軸ロッドを介して反応管本体1を貫通して第2スクリュー44の下端に接続
され、前記第1スクリュー43、第2スクリュー44のねじり方向が逆であ。
図7に示すように、前記反応管本体1の上頂面にシールカバー11が設けられ、前記シー
ルカバー11の中心に反応管本体1内に延伸する温度制御ロッド12が設けられ、反応管
本体1の内底面に加熱プレート13が設けられ、前記シールカバー11の内底面に低温ゾ
ーンを監視するための第1温度センサー、および反応管本体1内の圧力を監視するための
気圧センサーが設けられ、反応管本体1の内底面に反応ゾーンを監視するための第2温度
センサーが設けられる。
上記磁気リング反応管は、修飾ナノ四酸化三鉄の調製過程のプロセスの技術的要件を満た
すことができ、同時に1組の駆動モータ41を設けることで、駆動コンポーネント4の他
の部材を組み合わせて電磁リング2、ガイドリング3を同期して移動させ、ステップ3)
のプロセスの調製要求をさらに満たし、上記磁気リング反応管により、修飾ナノ四酸化三
鉄のプロセスの調製難しさが低減され、この修飾ナノ四酸化三鉄の調製コストが顕著に低
下する。
上記磁気リング反応管の動作原理は以下のとおりである。外部プログラマブルPLCコン
トローラ命令により駆動モータ41の回転数と時間を制御して、電磁リング2、ガイドリ
ング3を反応管本体1に沿って上下移動する滞留時間などを制御し、プログラマブルPL
Cコントローラは、市販されているSiemensの小型SR40コントローラーまたは
本装置の制御要件を満たす他の市販コントローラを使用することができる。
駆動モータ41が回転すると、出力軸を介して駆動ギアリング42に接続されて駆動ギア
リング42を回転させ、駆動ギアリング42が回転すると、外側の第1ギア45、第2ギ
ア46がそれぞれ正、逆回転し、第1スクリュー43、第2スクリュー44の異なるねじ
り方向によって対応の回転ナットの作用下で電磁リング2とガイドリング3が同期して移
動し、同時に同期移動の要件を満たすために、駆動ギアリング42の内径と外径の違いを
考慮して、駆動ギアリング42が1ターン回転する場合第1ギア45および第2ギア46
の回転ターン数が同じであることを確保する必要がある。
Example 4
This example is basically the same as Example 1, except that the conductive nanomaterial is modified nano triiron tetroxide, and the method for preparing the modified nano triiron tetroxide comprises:
1 ) Fe( NO3 ) 3.9H2O was dissolved in absolute ethanol such that the molar ratio of aniline monomer and Fe( NO3 ) 3.9H2O was 1 :1.45, and the aniline monomer was Dissolve in absolute ethanol.
2) Next, add to the magnetic ring reaction tube, fill the magnetic ring reaction tube so that the amount of filling is equal to or less than the height of the magnetic ring, and then flow nitrogen gas into the magnetic ring reaction tube so that the pressure becomes 2.5 MPa, The magnetic ring reaction tube is heated to 195° C. and reacted for 7 hours.
3) After 30 minutes from the start of the reaction, the electromagnetic ring of the magnetic ring reaction tube is switched between the reaction zone and the low temperature zone of the reaction tube main body 1 at a frequency of 75 s/time to adsorb and fix the produced modified nano triiron tetroxide. However, when the electromagnetic ring is energized, the residence time in both the reaction zone and the low temperature zone is 4 s.
4) The prepared precipitate is collected by centrifugation, washed and dried to obtain modified nano triiron tetroxide.
Using the above method, it is possible to partially reduce ferric iron to ferric iron using aniline monomers without adding additional substances, and the effect of triiron tetroxide At the same time, ferric and trivalent iron can catalyze the polymerization of aniline monomers to realize the preparation of triiron tetroxide/polyaniline composite nanomaterials, which continues after the initiation of the reaction. The modified triiron tetroxide generated in the magnetic field is magnetically attracted and moved to a low temperature region for short-term temperature difference switching. found to be beneficial in stabilizing the magnetic properties, at the same time, in subsequent use, the start-up of anaerobic reactors, because the modified triiron tetroxide has more stable magnetic and electrical conductivity, etc. Conductive nanomaterials are used as electron transfer mediators to enhance the catabolism of VFAs during acceleration, effectively avoiding large accumulations of VFAs in the reactor, buffering the pH and lowering the redox potential. It plays a role in promoting the growth of anaerobes, creates an environment that promotes the growth of anaerobes, strengthens and concentrates anaerobes that have the ability to directly transfer electrons between species, and increases the methane production rate of anaerobes.
Furthermore, the temperature of the low temperature zone is controlled at 105°C.
6 and 7, the magnetic ring reaction tube comprises a reaction tube body 1, an electromagnetic ring 2 slidably fitted in the reaction tube body 1, and an inner wall of the reaction tube body 1. a guide ring 3 for controlling the electromagnetic ring 2 which is slidably provided in the body, a drive component 4 which moves up and down in synchronization with the guide ring 3, a housing 5 which covers the drive component 4;
a pedestal 6 for supporting the drive component 4 and the reaction tube body 1;
7 and 8, the driving component 4 includes a driving motor 41, a driving gear ring 42, a screw nut and a first screw 43 rotatably mounted on the first bump 21 of the outer wall of the electromagnetic ring 2. , a screw nut rotatably provided on the second bump 31 on the inner wall of the guide ring 3 and a second screw 44, the first bumps 21 are provided on the lower end surface of the electromagnetic ring 2 in the circumferential direction at intervals of 40°. Nine sets of second bumps 31 are provided on the lower end surface of the guide ring 3 in the circumferential direction, nine sets are provided at intervals of 40°, and the first screw 43 and the second screw 44 are the first bumps 21 and the second screws 44 . The drive motor 41 is provided on the pedestal 6, the lower end of the first screw 43, the second screw 4
A first gear 45 and a second gear 4 are respectively located at positions corresponding to the drive gear ring 43 below 4.
The second gear 46 is connected to the lower end of the second screw 44 through the reaction tube body 1 through the shaft rod. However, the torsion directions of the first screw 43 and the second screw 44 are opposite.
As shown in FIG. 7, a seal cover 11 is provided on the top surface of the reaction tube main body 1, and a temperature control rod 12 extending into the reaction tube main body 1 is provided at the center of the seal cover 11. A heating plate 13 is provided on the inner bottom surface of the reaction tube 1, and a first temperature sensor for monitoring the low temperature zone and an air pressure sensor for monitoring the pressure inside the reaction tube main body 1 are provided on the inner bottom surface of the seal cover 11. , a second temperature sensor is provided on the inner bottom surface of the reaction tube body 1 for monitoring the reaction zone.
The above magnetic ring reaction tube can meet the technical requirements of the process of preparing modified nano triiron tetroxide, and at the same time, it is equipped with a set of driving motors 41 to combine other members of the driving component 4. Move electromagnetic ring 2 and guide ring 3 synchronously, step 3)
The above magnetic ring reaction tube reduces the difficulty of preparing the modified nano triiron tetroxide process, and significantly reduces the preparation cost of the modified nano triiron tetroxide.
The operating principle of the magnetic ring reaction tube is as follows. By controlling the rotation speed and time of the drive motor 41 by an external programmable PLC controller command, the residence time for moving the electromagnetic ring 2 and the guide ring 3 up and down along the reaction tube main body 1 is controlled, and the programmable PL
The C controller can be a commercially available Siemens miniature SR40 controller or any other commercially available controller that meets the control requirements of the device.
When the driving motor 41 rotates, it is connected to the driving gear ring 42 via the output shaft to rotate the driving gear ring 42. When the driving gear ring 42 rotates, the outer first gear 45 and the outer second gear 46 are respectively forward. , reverse rotation, and the different twisting directions of the first screw 43 and the second screw 44 cause the electromagnetic ring 2 and the guide ring 3 to move synchronously under the action of the corresponding rotating nut, at the same time to meet the requirements of synchronous movement. , considering the difference between the inner diameter and the outer diameter of the drive gear ring 42, the first gear 45 and the second gear 46 when the drive gear ring 42 rotates one turn.
It is necessary to ensure that the number of turns of rotation is the same.

実施例5
本実施例は、以下のことを除いて実施例4と基本的に同じであり、調製中の反応温度が異
なり、具体的に以下のとおりである。磁気リング反応管を180℃に加熱して6時間反応
させ、前記低温ゾーンの温度を80℃に制御する。
Example 5
This example is basically the same as Example 4 except for the following, and the reaction temperature during preparation is different, specifically as follows. The magnetic ring reaction tube is heated to 180°C and reacted for 6 hours, and the temperature of the low temperature zone is controlled at 80°C.

実施例6
本実施例は、以下のことを除いて実施例4と基本的に同じであり、調製中の反応温度が異
なり、具体的に以下のとおりである。磁気リング反応管を200℃に加熱して8時間反応
させ、前記低温ゾーンの温度を110℃に制御する。
Example 6
This example is basically the same as Example 4 except for the following, and the reaction temperature during preparation is different, specifically as follows. The magnetic ring reaction tube is heated to 200°C and reacted for 8 hours, and the temperature of the low temperature zone is controlled at 110°C.

実施例7
本実施例は、以下のことを除いて実施例4と基本的に同じであり、アニリンモノマーとF
e(NO・9HOの添加比率が異なり、具体的に以下のとおりである。アニリン
モノマーとFe(NO・9HOのモル比が1:0.45である。
Example 7
This example is basically the same as Example 4, except for the following, the aniline monomer and F
The addition ratio of e(NO 3 ) 3.9H 2 O is different, specifically as follows. The molar ratio of aniline monomer and Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O is 1:0.45.

実施例8
本実施例は以下のことを除いて実施例4と基本的に同じであり、アニリンモノマーとFe
(NO・9HOの添加比率が異なり、具体的に以下のとおりである。アニリンモ
ノマーとFe(NO・9HOのモル比が1:1.94である。
Example 8
This example is basically the same as Example 4, except for the following, the aniline monomer and Fe
The addition ratio of (NO 3 ) 3.9H 2 O is different and is specifically as follows. The molar ratio of aniline monomer and Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O is 1:1.94.

実施例9
本実施例は以下のことを除いて実施例4と基本的に同じであり、ステップ3)中のプロセ
スパラメータが異なり、具体的に以下のとおりである。反応開始から30分後、磁気リン
グ反応管の電磁リングが45s/回の頻度で反応管本体1の反応ゾーンと低温ゾーンに切
り替えられ生成された修飾ナノ四酸化三鉄を吸着および固定し、電磁リングが通電される
と反応ゾーンと低温ゾーンでの滞留時間がともに3sである。
Example 9
This example is basically the same as Example 4 except for the following, and the process parameters in step 3) are different, specifically as follows. 30 minutes after the start of the reaction, the electromagnetic ring of the magnetic ring reaction tube was switched between the reaction zone and the low temperature zone of the reaction tube main body 1 at a frequency of 45 s/time to adsorb and fix the modified nano triiron tetroxide produced, When the ring is energized, the residence time in both the reaction zone and the cold zone is 3s.

実施例10
本実施例は以下のことを除いて実施例4と基本的に同じであり、ステップ3)中のプロセ
スパラメータが異なり、具体的に以下のとおりである。反応開始から30分後、磁気リン
グ反応管の電磁リングが90s/回の頻度で反応管本体1の反応ゾーンと低温ゾーンに切
り替えられ生成された修飾ナノ四酸化三鉄を吸着および固定し、電磁リングが通電される
と反応ゾーンと低温ゾーンでn滞留時間がともに5sである。
Example 10
This example is basically the same as Example 4 except for the following, and the process parameters in step 3) are different, specifically as follows. 30 minutes after the start of the reaction, the electromagnetic ring of the magnetic ring reaction tube was switched between the reaction zone and the low temperature zone of the reaction tube main body 1 at a frequency of 90 s/time to adsorb and fix the modified nano triiron tetroxide produced, and When the ring is energized, the n residence times are both 5 s in the reaction zone and the cold zone.

実験例
実施例1を例にして、導電性ナノ材料の添加による嫌気性反応器始動に対する影響を調査
し、実験で使用されるFeNPsはShanghai Macleans Bioc
hemical Technology Co.,Ltdから購入され、技術仕様書の公称
粒度が20nmである。実験で使用されるSiONPsはShanghai Alad
din Biochemical Technology Co.,Ltdから購入され、公
称粒度が20~30 nmである。実験で使用される接種汚泥は南京江心州下水処理場の
汚泥濃縮槽から採取され、35メッシュのふるいを通過して大きな粒子を除去した後の汚
泥MLSSは24.53±0.07g/Lであり、MLVSS/MLSS=0.47であ
る。
都市下水処理場からの残留汚泥(AS)、FeNPs複合汚泥(FeNPs
@As)、SiONPs複合汚泥(SiONPs@AS)(依次番号R0、R1、R2
)を別々に接種し、同じ実験条件下で実行を開始し、3台のEGSB反応器にそれぞれ等
量のブランク接種汚泥、FeNPs複合汚泥、SiONPs複合汚泥を接種し、
最終的にMLVSSが3g/Lであり、反応器温度を35±1℃に制御する。反応器は模
擬廃水運転で始動した。プロピオン酸ナトリウム(CNa)を炭素源とし、塩
化アンモニウム(NHCl)を窒素源とし、リン酸二カリウム/リン酸二水素カリウム
(KHPO/KHPO)をリン源として模擬廃水を調製した。廃水COD:N:P
= 200:5:1であり、1 L CODが5000mg/Lの模擬廃水を例にして、プロ
ピオン酸ナトリウム46.30g、塩化アンモニウム4.78g、リン酸二カリウム0.
921g、リン酸二水素カリウム0.549g、塩化マグネシウム0.1g、塩化カルシ
ウム0.05gを秤量して500mL水に溶解し、1mLの微量元素複合溶液を追加し、
ボリュームを1Lにする。一度準備して室温で2日間保持し、翌日に再調製する必要があ
る。
3台の反応器が同じ条件下で動作し、動作温度を35±1℃、反応器始動初期負荷1 k
g/(m・d)、流入COD濃度5000mg/L、HRTを120時間に制御し、反
応動作が安定するまで(COD除去率が85%以上で安定し、相対的偏差が3%以下にな
り、安定時間が5日以上)、流入CODを増やすか、HRTを短くすることで、負荷を元
の1.5~2倍に増やす。反応器の異なるOLRによると、反応器始の動過程を、Sta
ge I:OLRが1~4 kg/(m・d)、Stage II:OLRが8~16 k
g/(m・d)、Stage III:OLRが20kg/(m・d)に達するとい
う3つの階段に分かれる。最終的に反応器が165日動作し、流入CODを12500m
g/L、HRTを15時間、OLRを20kg/(m・d)とする。反応器の動作開始
パラメータおよび負荷増加過程は表1に詳しく示される。
表 1 始動期間の反応器の動作条件表
Experimental Example Taking Example 1 as an example, the effect of the addition of conductive nanomaterials on anaerobic reactor start - up was investigated.
Chemical Technology Co. , Ltd and has a nominal particle size of 20 nm in the technical specifications. SiO 2 NPs used in the experiments are from Shanghai Alad
din Biochemical Technology Co. Co., Ltd., with a nominal particle size of 20-30 nm. The inoculated sludge used in the experiment was collected from the sludge thickening tank of Nanjing Jiangxinzhou Sewage Treatment Plant, and the sludge MLSS after passing through a 35-mesh sieve to remove large particles was 24.53±0.07 g/L. , MLVSS/MLSS=0.47.
Residual sludge (AS) from municipal sewage treatment plants, Fe 3 O 4 NPs composite sludge (Fe 3 O 4 NPs
@As), SiO 2 NPs composite sludge (SiO 2 NPs @AS) (order numbers R0, R1, R2
) separately and started running under the same experimental conditions, three EGSB reactors were each inoculated with equal amounts of blank inoculum sludge, Fe 3 O 4 NPs composite sludge, SiO 2 NPs composite sludge,
The final MLVSS is 3 g/L and the reactor temperature is controlled at 35±1°C. The reactor was started in simulated wastewater operation. Sodium propionate (C 3 H 5 O 2 Na) as carbon source, ammonium chloride (NH 4 Cl) as nitrogen source, dipotassium phosphate/potassium dihydrogen phosphate (K 2 HPO 4 /KH 2 PO 4 ) was used as the phosphorus source to prepare simulated wastewater. Waste water COD:N:P
= 200:5:1 and 1 L COD is 5000 mg/L.
921 g, 0.549 g of potassium dihydrogen phosphate, 0.1 g of magnesium chloride, 0.05 g of calcium chloride are weighed and dissolved in 500 mL of water, and 1 mL of trace element complex solution is added,
Set the volume to 1L. It should be prepared once and kept at room temperature for 2 days and re-prepared the next day.
The three reactors were operated under the same conditions, with an operating temperature of 35±1° C. and an initial reactor start-up load of 1 k.
g/(m 3 d), inflow COD concentration 5000 mg/L, HRT controlled at 120 hours, until the reaction operation stabilizes (COD removal rate stabilizes at 85% or more, relative deviation is 3% or less) and the stabilization time is 5 days or more), increase the inflow COD or shorten the HRT to increase the load to 1.5 to 2 times the original. According to the different OLR of the reactor, the reactor start-up process is defined by Sta
ge I: OLR is 1-4 kg/(m 3 d), Stage II: OLR is 8-16 k
g/(m 3 ·d), Stage III: Divided into three steps with OLR reaching 20 kg/(m 3 ·d). Finally, the reactor was operated for 165 days and the influent COD was 12500 m.
g/L, HRT 15 hours, OLR 20 kg/(m 3 ·d). The reactor start-up parameters and loading process are detailed in Table 1.
Table 1 Table of reactor operating conditions during start-up period


Figure 2023016647000002

Figure 2023016647000002

* CODは化学的酸素要求量を表し、HRTは水力学的滞留時間を表し、OLRは有機負
荷率を表し、Fは循環水と流入水との比率を表し、Up-flow velocityは上
昇速度を表す。
* COD stands for chemical oxygen demand, HRT stands for hydraulic residence time, OLR stands for organic load factor, F stands for ratio of circulating water to influent, Up-flow velocity stands for rate of rise. show.

次に、以下の調査を行う。
一、FeNPsとSiONPsの添加による始動階段システムの性能に対する影

嫌気性反応器の始動プロセス中の有機負荷耐性に対するナノ四酸化三鉄の影響を調査する
ために、それぞれ嫌気性活性化汚泥(AS)、ナノ四酸化三鉄複合嫌気性活性化汚泥(F
NPs@AS)、ナノ二酸化硅複合嫌気性活性化汚泥(SiONPs@AS)を
接種した反応器の異なる負荷階段下での流出CODを監視して分析する。
図1に示すように、嫌気性EGSB反応器の始動期間、OLR耐性に対する導電性ナノ粒
子の影響を調査するために、AS、FeNPs@ASおよびSiONPs@ASを
接種した3つの反応器の異なる負荷階段での流出COD、メタン生成率およびpHを監視
して分析する。3つのEGSB反応器(R0、R1およびR2)の流出COD濃度は最初
の数日間で異なる下降傾向を示し、15日目、R0、R1およびR2の流出COD濃度が
それぞれ88.85±29.10mg/L、85.37±25.78 mg/Lおよび9
2.34±13.15 mg/Ldであり、低OLR廃水(1 kg COD/(m・d
))を受けた後処理効率が類似になる。16日~129日の期間、R0、R1およびR2
の流出COD濃度がOLRの増加に従い変化するが、流出COD除去効率の一致性が第2
階段の終了まで続け、R0の流出COD除去効率が常に89.12±0.19%を超え、
R1の流出COD除去効率が90.79±0.08%であり、R2の流出COD除去効率
が83.88±0.19%である(20日目を除く)(図1B)。前記COD除去効率が
高いOLRの影響後現れ、汚泥がさらに順応され成熟した後、3つのシステムの安定性が
向上した。特に54日目、嫌気性反応器のHRTをさらに15時間に短縮し、流入COD
濃度を5000mg/Lにすることで、OLRが8 kg COD/(m・d)に増加し
た。次の数日間、R0、R1およびR2の流出COD濃度がそれぞれ748.89±10
.10mg/L、400.73±5.91 mg/Lおよび266.92±9.23 mg
/L(60日)から399.17±42.34および74.09±10.58 169.
34±3.02 mg/L(62日目)に低下し、これは、FeNPs@ASシステ
ムの影響耐性および回復過程の安定性が他のシステムよりも優れたことを示す。これは、
嫌気性微生物がEPSの分泌を増加させることによってナノ粒子に付着し、ナノ粒子が細
胞膜を通過するのを防ぐだけでなく、ASに付着したナノ粒子の凝集を利用して、活性汚
泥の造粒を促進し、反応器内のバイオマスを増やすことができる。また、FeNP
sの導電性はアセトゲンとメタン生成菌の間の導電体として使用でき、電子の直接移動を
促進し、VFAsの嫌気性代謝を強化することができる。第3階段の流入COD濃度がさ
らに12500mg/Lに増加し、同時にHRTを15時間として、反応器OLRが20
kg COD/(m・d)に達した。R0およびR2と比較して、R1は、OLRの影
響に対してまったく異なる応答を示し、R1のプロセス安定性が7日間回復し(流出CO
D濃度が394.82±21.23 mg/Lから247.52±54.08 mg/Lに
低下)、R0およびR2は流出COD濃度の急激上昇につれて崩壊する傾向がある。具体
的には、R1の流出COD濃度が160日目209.17±15.79 mg/L程度維
持し(除去率が98.22%)、R0およびR2の流出COD濃度がそれぞれ478.6
6±1.06 mg/Lおよび1312.87±9.55 mg/L(131日目)から急
激に5996.47±12.33および6381.27±51.8 mg/L(160日
目)に増加した。つまり、高OLR下でFeNPsを添加すると有機物の分解を促
進し、嫌気性反応器の動作安定性を向上させることができる。
図1Cに示すように、R0、R1およびR2(第1階段)のメタン生成率はわずかな違い
を示し、OLRの増加とともに同じ増加傾向を示し、限られたマトリックスは、3つのシ
ステムで十分に活用および変換される可能性がある。第2階段では、OLRが8 kg C
OD/(m・d)に増加した場合、3つの反応器のメタン生成率が有意な差が出た。6
3日目、R0、R1およびR2のメタン生成率がそれぞれ13.02±0.88 L/d
、17.14±2.62 L/dおよび12.55±0.76 L/dに増加した。R1の
メタン生成率がR0およびR2よりも31.64%および36.57%高かった。Fe
NPsの自身の導電性によりアセトゲンとメタン生成菌間の電子移動が加速され、基
質の新陳代謝を促進し、それによって嫌気性汚泥のメタン生成性能を改善することができ
る。特に、流入COD濃度を調整することで、反応器OLRが16 kg COD/(m
・d)に達し、R1のメタン生成率が120日目安定して40L/d程度増加し、R0お
よびR2はこの生成速度に達するまでそれぞれ15日と13日遅れた。高OLRを抵抗す
る過程中、R1およびR2のデータを比較して分かるように、ナノ材料の凝集によって引
き起こされる嫌気性汚泥の造粒は、種間の電子移動効果によって徐々に置き換えられ、そ
れによって基質の代謝を促進する。したがって、OLRがさらに20kg COD/(m
・d)(階段III)に増加すると、R0、R1およびR2のメタン生成率が5日間そ
れぞれ44.45±1.12 L/d、49.63±1.13 L/dおよび39.88±
2.64 L/dに増加した。その後、R1反応器のメタン生成率がやや低下し、約43
L/dに維持するが、R0およびR2反応器のメタン生成率が急激に低下し、約26 L
/dおよび23 L/dに低下した。
嫌気性消化の過程中、適切なpH範囲は微生物の代謝を助長する。第1階段および第2階
段(図1D)では、全体のpH値が適切な範囲内(7.2-7.5)に保持され、嫌気性
メタン菌の活発なパフォーマンスを助長する。第3階段では、R0、R1およびR2のp
H値も低下し、R1反応器のpH値が相対的に高いレベルに保持され、R0およびR2よ
り約6%高かったが、EGSB始動過程中、FeNPsの添加によりpH値を安定
させることができることを示した。現在のデータから分析して分かるように、揮発性脂肪
酸(VFAs)の蓄積はR0およびR1システムpH値がやや低下することによって引き
起こされる可能性がある。以前の推測を確認するために、VFAsなどのより多くのデー
タをマイニングする必要がある。
Next, conduct the following investigations.
1. Effects of addition of Fe 3 O 4 NPs and SiO 2 NPs on the performance of start-up staircase system Activated sludge (AS), Nano triiron tetroxide composite anaerobic activated sludge (F
e 3 O 4 NPs@AS), nano-silicon dioxide composite anaerobic activated sludge (SiO 2 NPs@AS) inoculated reactors under different load steps to monitor and analyze the effluent COD.
As shown in Fig. 1, 3 inoculated with AS, Fe3O4NPs @AS and SiO2NPs @AS to investigate the influence of conductive nanoparticles on the OLR resistance during start-up of the anaerobic EGSB reactor. Monitor and analyze effluent COD, methane production rate and pH at different loading stages of one reactor. The effluent COD concentrations of the three EGSB reactors (R0, R1 and R2) showed different downward trends in the first few days, and on the 15th day, the effluent COD concentrations of R0, R1 and R2 were 88.85±29.10 mg, respectively. /L, 85.37±25.78 mg/L and 9
2.34±13.15 mg/Ld, compared to low OLR wastewater (1 kg COD/(m 3 d
)) have similar post-processing efficiencies. Period 16-129 days, R0, R1 and R2
Although the effluent COD concentration of the effluent COD concentration changes with increasing OLR, the consistency of the effluent COD removal efficiency is second
Continuing to the end of the staircase, the R0 effluent COD removal efficiency always exceeds 89.12±0.19%,
The effluent COD removal efficiency of R1 is 90.79±0.08% and the effluent COD removal efficiency of R2 is 83.88±0.19% (excluding day 20) (FIG. 1B). The higher COD removal efficiency appeared after the impact of OLR, and the stability of the three systems improved after the sludge was further adapted and matured. Specifically, on day 54, the HRT of the anaerobic reactor was further reduced to 15 hours and the influent COD
Increasing the concentration to 5000 mg/L increased the OLR to 8 kg COD/(m 3 ·d). Over the next few days, effluent COD concentrations in R0, R1 and R2 were 748.89±10, respectively.
. 10 mg/L, 400.73±5.91 mg/L and 266.92±9.23 mg
/L (60 days) to 399.17±42.34 and 74.09±10.58 169.
It decreased to 34±3.02 mg/L (day 62), indicating that the Fe 3 O 4 NPs@AS system's resistance to impact and stability of the recovery process were superior to the other systems. this is,
Anaerobic microorganisms attach to the nanoparticles by increasing the secretion of EPS, which not only prevents the nanoparticles from passing through the cell membrane, but also utilizes the aggregation of the nanoparticles attached to the AS to facilitate the granulation of activated sludge. and increase the biomass in the reactor. Moreover, Fe 3 O 4 NPs
The conductivity of s can be used as a conductor between acetogens and methanogens, facilitating direct electron transfer and enhancing anaerobic metabolism of VFAs. The influent COD concentration in the third step was further increased to 12500 mg/L while the HRT was 15 hours and the reactor OLR was 20.
kg COD/(m 3 ·d) was reached. Compared to R0 and R2, R1 showed a very different response to the influence of OLR, with R1's process stability being restored for 7 days (effluent CO
D concentration drops from 394.82±21.23 mg/L to 247.52±54.08 mg/L), R0 and R2 tend to collapse as the effluent COD concentration rises sharply. Specifically, the effluent COD concentration of R1 was maintained at about 209.17±15.79 mg/L on day 160 (removal rate was 98.22%), and the effluent COD concentrations of R0 and R2 were each 478.6.
6±1.06 mg/L and 1312.87±9.55 mg/L (day 131) sharply to 5996.47±12.33 and 6381.27±51.8 mg/L (day 160) increased to In other words, the addition of Fe 3 O 4 NPs under high OLR promotes the decomposition of organic matter and improves the operational stability of the anaerobic reactor.
As shown in Fig. 1C, the methane production rates of R0, R1 and R2 (first tier) show slight differences and show the same increasing trend with increasing OLR, a limited matrix indicating that the three systems are sufficiently May be leveraged and transformed. On the second staircase, the OLR is 8 kg C
There was a significant difference in the methane production rates of the three reactors when the OD/(m 3 ·d) was increased. 6
On day 3, R0, R1 and R2 methane production rates of 13.02±0.88 L/d respectively
, increased to 17.14±2.62 L/d and 12.55±0.76 L/d. The methane production rate of R1 was 31.64% and 36.57% higher than R0 and R2. Fe3
The self-conductivity of O 4 NPs can accelerate electron transfer between acetogens and methanogens, promoting substrate metabolism and thereby improving methanogenic performance of anaerobic sludge. In particular, by adjusting the influent COD concentration, the reactor OLR was reduced to 16 kg COD/(m 3
d), the methane production rate of R1 steadily increased by 40 L/d at 120 days, while R0 and R2 were delayed by 15 and 13 days to reach this production rate, respectively. During the process of resisting high OLR, as can be seen by comparing the R1 and R2 data, the anaerobic sludge granulation caused by the aggregation of nanomaterials is gradually replaced by the interspecies electron transfer effect, thereby Promotes substrate metabolism. Therefore, if the OLR is further reduced by 20 kg COD/(m
3 d) When increased to (step III), the methane production rates of R0, R1 and R2 for 5 days were 44.45±1.12 L/d, 49.63±1.13 L/d and 39.88 respectively. ±
increased to 2.64 L/d. After that, the methane production rate in the R1 reactor decreased slightly to about 43
L/d, but the methane production rate of the R0 and R2 reactors dropped sharply to about 26 L/d.
/d and 23 L/d.
During the process of anaerobic digestion, an appropriate pH range facilitates microbial metabolism. In the first and second steps (FIG. 1D), the overall pH value is kept within a suitable range (7.2-7.5), conducive to vigorous performance of anaerobic methanogens. In the third step, p
The H value also decreased and the pH value of the R1 reactor was kept at a relatively high level, about 6% higher than R0 and R2, but the addition of Fe3O4 NPs stabilized the pH value during the EGSB start-up process. showed that it is possible to As analyzed from the present data, the accumulation of volatile fatty acids (VFAs) can be caused by slightly lower R0 and R1 system pH values. More data, such as VFAs, need to be mined to confirm previous speculations.

二、VFAsの代謝特徴
3つの反応器の始動階段で放出されたVFAsを調査した(図2)。その結果、反応器中
のVFAsは主に酢酸塩とプロピオン酸塩であり、それらの濃度を当量CODで算出した
(酢酸塩当量1.07g COD/g、プロピオン酸塩当量1.51g COD/g)。始
動過程中、高いOLRの影響下で、3つの反応器中のVFAsがOLRの増加に従って類
似な変化特徴(つまりプロピオン酸塩および酢酸塩の早速蓄積)があるが、プロピオン酸
塩と酢酸塩の濃度比が大きな差がある。要するに、第1階段では、反応器に低OLR(8
kg COD/(m・d)未満)で給料する場合、3つの反応器中のプロピオン酸塩の
濃度(約70mg/LのCOD)が酢酸塩(約20mg/LのCOD)よりも数倍だけ高
かった。しかしながら、第2階段の57日目、OLRが8 kg COD/(m・d)に
増加した場合(図2A)、R0中のプロピオン酸塩および酢酸塩の濃度が345.01
mg/Lおよび97.11 mg/Lに増加し、R1中にプロピオン酸塩および酢酸塩の
顕著な蓄積がなかった。R2中の対応するプロピオン酸塩の濃度が57日目R1と同様に
200mg/Lであったが、61日目、この値が700mg/Lに増加した。次の階段(
第3階段)では、OLRが20kg COD/(m・d)に達し、R0およびR2の排
水にプロピオン酸塩が顕著に蓄積された。152日目、R0のプロピオン酸塩の濃度が3
712.42 mg/Lに達し、R2のプロピオン酸塩の濃度が4645.64 mg/L
に達したが、R1では汚水中のVFAsの顕著な蓄積がなく、特にプロピオン酸塩の濃度
が154.10mg/Lであった。
したがって、3つの反応器のVFAs状況から分かるように、FeNPsの添加に
より、特に高OLRの影響下で回復過程の安定性を高める。これは、プロピオン酸塩は嫌
気性消化過程中の合成代謝のコア代謝物として、効果的に酢酸に変換できるからである。
長い間、VFAsの蓄積は嫌気性メタン細菌に対して有毒であると考えられてきた。した
がって、プロピオン酸によって生体内変換された酢酸のさらなる消費は、主に、Fe
NPが電子シャトル(Hまたはギ酸)よりも直接的な種間電子移動モードで嫌気性微
生物共栄養群集間の情報交換と物質変換を促進するという事実による可能性がある。した
がって、VFAsの分解に割り当てられるエネルギーは、メタン生成菌に好ましい生活条
件を提供するように最適化されている。実際、活性汚泥の造粒プロセスは、アセトゲンと
メタン生成菌の間の電子移動距離をさらに短縮する。上記の議論に基づいて、高負荷廃水
を処理する開始段階の間に、導電性材料の提供が嫌気性メタン生成システムのための代替
の電子移動経路を提供することが見出され、システムが安定した状態にあることを確保す
る。
2. Metabolic characteristics of VFAs VFAs released at the start-up stage of the three reactors were investigated (Fig. 2). As a result, VFAs in the reactor were mainly acetate and propionate, and their concentrations were calculated by equivalent COD (acetate equivalent 1.07 g COD/g, propionate equivalent 1.51 g COD/g ). During the start-up process, under the influence of high OLR, the VFAs in the three reactors had similar change characteristics (i.e., rapid accumulation of propionate and acetate) with increasing OLR, but that of propionate and acetate increased. There is a large difference in the concentration ratio. In short, in the first step, the reactor has a low OLR (8
kg COD/(m 3 d)), the concentration of propionate in the three reactors (COD of about 70 mg/L) is several times higher than that of acetate (COD of about 20 mg/L). was only expensive. However, on day 57 of the second step, when the OLR increased to 8 kg COD/(m 3 d) (Fig. 2A), the concentrations of propionate and acetate in R0 increased to 345.01
mg/L and 97.11 mg/L with no significant accumulation of propionate and acetate in R1. The corresponding propionate concentration in R2 was 200 mg/L on day 57, similar to R1, but on day 61 this value increased to 700 mg/L. the next stair (
In step 3), the OLR reached 20 kg COD/(m 3 ·d) with significant propionate accumulation in the R0 and R2 effluents. On day 152, the R0 propionate concentration was 3
712.42 mg/L and the R2 propionate concentration was 4645.64 mg/L.
However, in R1, there was no significant accumulation of VFAs in the sewage, especially the concentration of propionate was 154.10 mg/L.
Therefore, the addition of Fe 3 O 4 NPs enhances the stability of the recovery process, especially under the influence of high OLR, as can be seen from the VFAs situation in the three reactors. This is because propionate can be effectively converted to acetic acid as a core metabolite of synthetic metabolism during the anaerobic digestion process.
It has long been thought that accumulation of VFAs is toxic to anaerobic methanogens. Therefore, further consumption of acetic acid biotransformed by propionic acid is mainly Fe 3 O
This may be due to the fact that 4NP facilitates information exchange and material transduction between anaerobic microbial cotrophic communities in a more direct interspecies electron transfer mode than electron shuttles (H2 or formate). Therefore, the energy allocated for the decomposition of VFAs is optimized to provide favorable living conditions for methanogens. In fact, the activated sludge granulation process further shortens the electron transfer distance between acetogens and methanogens. Based on the above discussion, it was found that the provision of electrically conductive material provides an alternative electron transfer pathway for the anaerobic methanogenesis system during the start-up phase of treating highly loaded wastewater, allowing the system to stabilize. ensure that it is in good condition.

三、電子伝達システムの活性
電子伝達システム(ETS)の活性化検出は潜在的な呼吸能力を反映するために使用され
るだけでなく、好気性および嫌気性環境における生物の代謝活性の指標としても使用され
る。30日目、50日目、および150日目のINT-ETS指標を、NPがある場合と
ない場合のETSの活動を決定するために3つのリアクターで確立する。結果から分かる
ように(図3A)、対照組反応器(R0)およびFeNPs(R1)またはSiO
NPs(R2)を補充した反応器のINT-ETSは異なる時間で大きな差がある。R
1の全体INT-ETSはR0およびR2よりも遥かに高く、30日目の256.98±
26.33 μg/(g・min)、50日目の477.44±14.73 μg/(g・
min)、150日目の883.99±106.21 μg/(g・min)に達した。
R0の対応する値は、204.76±7.61μg/(g・min)(30日目)、19
1.19±26.63μg/(g・min)(50日目)および525.94±32.9
0μg/(g・min)(150日目)であり、R2の対応する値は、168.07±1
7.11μg/(g・min)(30日目)、262.68±45.59μg/(g・m
in)(50日目)および381.96±39.65 μg/(g・min)(150日
目)であった。R0およびR2と比較した結果から分かるように、FeNPsを添
加した後(R1)、酢酸生成菌およびメタン生成菌間の電子伝達効率がそれぞれ68.7
8%および131.44%向上し、導電性材料の添加は、より効果的な電子移動経路であ
るDIETを引き起こす可能性があるため、電子は電子供与体から電子受容体に直接移動
する。したがって、高いOLRの影響下で、導電性の良いFeNPを嫌気性微生物
間の導体として使用して、DIETを実現でき、VFAsの代謝およびメタンの蓄積を促
進する。
DIETのさらなる証拠は、CV曲線によって説明され、酸化還元ピークの動きは、共栄
養細菌間の電子伝達能力を特徴づけることができる。フォワードスキャンの結果、同じ電
圧の下で、R1が0.246Vで強化された酸化ピークを持って、電流が1.4mA(図
3B)、R0より約76.59%、R2より61.87%高かった。結果から分かるよう
に、FeNPsの長期暴露により、嫌気性汚泥システムは、特に高いOLRの下で
、より強力な電子伝達能力を持つ。システムの電子移動能力に対するFeNPの導
電率の寄与をさらに調査するために、測定前にR1と同じFeNPsを暴露して一
時的にR0に追加する。同じ条件下でCV曲線をスキャンする。結果から分かるように、
FeNPs、R0の添加により汚泥の電子伝達能力が向上した(0.79から1.
0mA)が、R1より40.0%低い。FeNPsの導電性によって誘発される種
間電子移動効果に加えて、電子移動の効率を改善することができる他の要因、例えばDI
ETに関与できる微生物の濃縮または細胞外分泌物における電子伝達メディエーターの増
加があるはずである。また、これはまた、3つの反応器すべてが第2段階でより良い有機
物負荷除去率を示した理由を確認した。
3.Electron transport system activity Electron transport system (ETS) activation detection is not only used to reflect potential respiratory capacity, but also as an indicator of the metabolic activity of organisms in aerobic and anaerobic environments. used. INT-ETS indexes on days 30, 50, and 150 are established in three reactors to determine ETS activity with and without NPs. As can be seen from the results (Fig. 3A), the control set reactor (R0) and the Fe3O4 NPs ( R1) or SiO
The INT-ETS of reactors supplemented with 2 NPs (R2) differ greatly at different times. R.
Overall INT-ETS of 1 was much higher than R0 and R2, 256.98 ±
26.33 μg/(g min), 477.44±14.73 μg/(g min) on day 50
min) and reached 883.99±106.21 μg/(g·min) on day 150.
The corresponding values for R0 were 204.76±7.61 μg/(g min) (day 30), 19
1.19±26.63 μg/(g min) (day 50) and 525.94±32.9
0 μg/(g min) (day 150) and the corresponding value for R2 was 168.07±1
7.11 μg/(g min) (day 30), 262.68 ± 45.59 μg/(g m
in) (day 50) and 381.96±39.65 μg/(g·min) (day 150). As can be seen from the results compared to R0 and R2, after adding Fe3O4 NPs ( R1), the electron transfer efficiency between acetogens and methanogens was 68.7, respectively.
8% and 131.44% improvement, and the addition of conductive materials can cause DIET, a more efficient electron transfer pathway, so electrons transfer directly from the electron donor to the electron acceptor. Therefore, under the influence of high OLR, well-conducting Fe 3 O 4 NPs can be used as conductors between anaerobic microorganisms to realize DIET, promoting the metabolism of VFAs and the accumulation of methane.
Further evidence for DIET is illustrated by the CV curve, the movement of redox peaks can characterize the electron transfer capacity between cotrophic bacteria. Forward scan results showed that under the same voltage, R1 had an enhanced oxidation peak at 0.246 V, and the current was 1.4 mA (Fig. 3B), about 76.59% higher than R0 and 61.87% higher than R2. it was high. As can be seen from the results, the long-term exposure of Fe 3 O 4 NPs makes the anaerobic sludge system have stronger electron transfer ability, especially under high OLR. To further investigate the contribution of Fe 3 O 4 NPs conductivity to the electron transfer capability of the system, the same Fe 3 O 4 NPs as R1 are exposed and temporarily added to R0 before the measurements. Scan the CV curves under the same conditions. As can be seen from the results,
The addition of Fe 3 O 4 NPs, R0 improved the electron transfer ability of the sludge (from 0.79 to 1.
0 mA) is 40.0% lower than R1. In addition to the interspecies electron transfer effect induced by the conductivity of Fe3O4NPs , other factors that can improve the efficiency of electron transfer, such as DI
There should be an enrichment of microorganisms that can participate in ET or an increase in electron transfer mediators in extracellular secretions. This also confirmed why all three reactors showed better organic load removal rates in the second stage.

四、嫌気性汚泥EPS分析
微生物によって分泌されるEPSには、タンパク質(Proteins, PN)、多糖(
Polysaccharides, PS)、腐植物質(Humicsubstances
,HS)、ヌクレオチドおよび脂類などが含まれ、PNとPSの相対的な含有量変化が外
部の環境条件に関連する。
EPSはルーズタイプEPS(Lose-bond EPS, LB-EPS)およびコンパ
クトタイプEPS(Tight-bond EPS, TB-EPS)に分かれる。EPS成
分の分析が図4に示される。結果から分かるように、TB-EPSは、細胞外分泌物で構
成される3次元マトリックスの主成分であり、その含有量は外部環境の干渉により変動す
る。OLRの増加に伴い、LB-EPSであろうとTB-EPSであろうと、PNの含有量
は大幅に増加したが、PSは常に低レベルに保たれている。特に、TB-EPSは3つの
反応器でのPN含有量が約15mg/g VSS(65日目)から70mg/g VSS超
え(114日目)、これは、高いOLRの影響により、システムが関連するタンパク質含
有量を増加させて、環境変化によって引き起こされる代謝ストレスに抵抗し、さらに粒状
汚泥の構造安定性と代謝活性をさらに維持することを示す。PSは、汚泥の形態を維持し
、水力負荷の変化によって引き起こされる汚泥フロックの分散を防ぐ上で重要な役割を果
たしたが、始動過程中、3つの反応器中のPS含有量はあまり変化せず、その濃度はLB
-EPSとTB-EPSの両方で約2.5 mg / gVSSのままであった。65日目、反
応器R1中のEPS総量が最も高く、次はR2であり、これは、ナノ粒子を追加する初期
段階で、微生物がEPSの分泌を増加させ、ナノ粒子が細胞膜を通過するのを防ぐ可能性
があることを示した。152日目、EPS総量が減少し、R0およびR2のEPS分泌量
がR1より低くなり、これは、20kg COD/(m・d)の高OLRはR0および
R2の許容限界を超え、プロピオン酸塩が蓄積し、COD除去率が約50%低下した。こ
れは、微生物システムが採用した2つのアプローチに基づいている可能性があり、1つは
高いOLR(20 kg COD /(m・d))が粒状汚泥の耐衝撃性に大きく挑戦し、
R0とR2の3次元マトリックスを薄くすること、2つは導電性FeNPが合成コ
ミュニティ間の電子移動を促進し、システム内のプロピオン酸の蓄積を効果的に回避し、
代謝圧力を低下させることである。したがって、FeNPsを介したEGSBシス
テムは、高い有機負荷の影響に直面した場合、より多くの選択肢があり、つまりEPSの
分布を調整し、情報伝達をより助長する生体内変化法を選択する。高いOLRおよびFe
3O4NPがEPSを誘導して、シトクロムcやキノン化合物などのDIETに関与する
いくつかの電子伝達メディエーター、例えばシトクロムcおよびキノン化合物を分泌する
可能性があることは否定できず、これは、R1がR0システムよりも高い電子移動効率を
持っていることを合理的にする。
4. Anaerobic sludge EPS analysis EPS secreted by microorganisms includes proteins (Proteins, PN), polysaccharides (
Polysaccharides, PS), humic substances
, HS), nucleotides and lipids, and relative content changes of PN and PS are related to external environmental conditions.
EPS is divided into loose type EPS (Lose-bond EPS, LB-EPS) and compact type EPS (Tight-bond EPS, TB-EPS). An analysis of the EPS components is shown in FIG. As can be seen from the results, TB-EPS is a major component of the three-dimensional matrix composed of extracellular secretions, and its content fluctuates due to external environmental interference. Whether it is LB-EPS or TB-EPS, the content of PN increases significantly with the increase of OLR, while PS always remains at a low level. In particular, TB-EPS had PN content in the three reactors ranging from about 15 mg/g VSS (day 65) to over 70 mg/g VSS (day 114), which is due to the impact of high OLR, making the system relevant. It increases the protein content to resist metabolic stress caused by environmental changes, and further maintains the structural stability and metabolic activity of granular sludge. PS played an important role in maintaining sludge morphology and preventing sludge floc dispersion caused by changes in hydraulic load, but the PS content in the three reactors did not change much during the start-up process. and its concentration is LB
-EPS and TB-EPS remained at approximately 2.5 mg/g VSS. On day 65, the total amount of EPS in reactor R1 was the highest, followed by R2, which was the initial stage of nanoparticle addition, where the microorganisms increased secretion of EPS and the nanoparticles crossed the cell membrane. has been shown to have the potential to prevent On day 152, total EPS decreased and EPS secretion in R0 and R2 became lower than in R1, indicating that a high OLR of 20 kg COD/(m 3 d) exceeded the permissible limits of R0 and R2, propionic acid Salt accumulated and reduced the COD removal rate by about 50%. This may be based on two approaches taken by microbial systems, one is that high OLR (20 kg COD/ ( m3 d)) greatly challenges the impact resistance of granular sludge;
thinning the three-dimensional matrix of R0 and R2, two of which the conductive Fe3O4 NPs facilitate electron transfer between synthetic communities, effectively avoiding the accumulation of propionic acid in the system;
It is to lower metabolic pressure. Therefore, the EGSB system via Fe3O4 NPs has more options when faced with the effects of high organic loading, i. select. High OLR and Fe
It cannot be denied that 3O4NP may induce EPS to secrete some electron transfer mediators involved in DIET, such as cytochrome c and quinone compounds, which suggests that R1 It is reasonable to have a higher electron transfer efficiency than the R0 system.

五、微生物群集構成
3つのEGSB反応器の起動中のOLRの影響下での細菌群集の進化特性を説明するため
に、0日目、50日目、および150日目のサンプル汚泥のゲノムDNAを分離し、ハイ
スループットシーケンシングによって分析した。図5Aから分かるように、150日目、
Syntrophobacter, f_Spirochaetaceae, f_Syner
gistaceaeおよびf_Anaerolineaceae種に最も類似した配列は
、3つの反応器では顕著に蓄積された。具体的に、150日目、Syntrophoba
cterの相対存在量が32.03%に達し、R0(20.35%)およびR2(27.
80%)よりも高かった。Syntrophobacterはプロピオン酸と酪酸の合成
と酸化に不可欠なので、Methanoseacinaと電子を共有する。R0、R1お
よびR2では、f_Spirochaetaceaeの相対存在量はそれぞれ16.71
%、17.41%および16.75%であった。f_Synergistaceaeに関
連する細胞外部電子をFe(III)酸化物または電極に伝達できる微生物が蓄積され、
その存在度がR0、R1およびR2でそれぞれ17.56%、7.19%および8.17
%に達した。Geobacterは典型的な合成細菌として、DIETを介して電子受容
体と電子を共有できることが証明されているが、それがなくても電子伝達の効率が大幅に
低下することはない。これは、f_Synergistaceaeなどの代替性電子供与
体の存在により、高OLR下での共栄養微生物間の情報交換と物質変換を実現する可能性
がある。f_Anaerolineaceaeは炭化水素の発酵と代謝を特徴とし、その
糸状の形態は、Methanosaetaと一緒に集まりやすく、互いに協力し合うため
、それらの間の電子移動距離を短くするのに役立る。
5. Microbial community composition Genomic DNA of day 0, day 50, and day 150 sample sludge was analyzed to describe the evolutionary characteristics of the bacterial community under the influence of OLR during start-up of the three EGSB reactors. Separated and analyzed by high-throughput sequencing. As can be seen from FIG. 5A, on day 150,
Syntrophobacter, f_Spirochaetaceae, f_Syner
Sequences most similar to gistaceae and f_Anaerolineaceae species accumulated significantly in the three reactors. Specifically, on day 150, Syntrophoba
The relative abundance of cter reached 32.03%, with R0 (20.35%) and R2 (27.
80%). Since Syntrophobacter is essential for the synthesis and oxidation of propionate and butyrate, it shares electrons with Methanoseacina. In R0, R1 and R2, the relative abundance of f_Spirochaetaceae was 16.71
%, 17.41% and 16.75%. accumulating microorganisms capable of transferring extracellular electrons associated with f_Synergistaceae to the Fe(III) oxide or electrode,
Its abundance is 17.56%, 7.19% and 8.17 in R0, R1 and R2 respectively
% reached. Geobacter, as a quintessential synthetic bacterium, has been shown to be able to share electrons with electron acceptors via DIET, although its absence does not significantly reduce the efficiency of electron transfer. This may realize information exchange and substance conversion between cotrophic microorganisms under high OLR due to the presence of alternative electron donors such as f_Synergistaceae. f_Anaerolineaceae is characterized by the fermentation and metabolism of hydrocarbons, and its filamentous morphology tends to cluster together with Methanosaeta and cooperate with each other, thus helping to shorten the electron transfer distance between them.

図5Bに示すように、高OLR影響下で(150日目)、Methanosaetaは最
も豊富な古細菌であり、存在度がR1で60.58%に達し、R0(54.59%)およ
びR2(57.22%)よりも高かった。次はMethanobacterium属およ
びMethanolinea属である。最近、G. metallireducensが
メタン生成生物(例えばMethanosaeta種)と直接電子移動を行うことが発見
され、後者は、DIETプロセスを通じて電子を受け入れ、二酸化炭素をメタンに還元す
る。したがって、相互栄養と共代謝が重要な役割を果たした可能性があり、Methan
osaetaが生物生成細菌と直接電子を交換できることが示されているためである。M
ethanobacteriumはHを介した種間電子移動のモデルとして、DIET
の能力を持っていることが証明され、メタン生成菌におけるDIETの能力の分布が以前
に考えられていたよりもはるかに広いことを示す。全体として、起動段階での外部負荷の
手続き的な増加に伴い、嫌気性消化システムは細菌群集構造を調節してシステムの安定状
態を維持する傾向が強いようであり、特定の機能性細菌や古細菌の存在量を増やすだけで
はない。ただし、OLRが一定の閾値(20 kg COD /(m・d)以上)に達する
と、嫌気性消化システムの性能は徐々に低下し、細菌群集の存在度だけによって逆転でき
ない。例えば、f_Spirochaetaceae、f_Synergistaceae
およびMethanolinea属の存在度は、IHTが電子伝達の主なモードであるこ
とを示している可能性がある。ただし、高いOLR条件下では、IHTベースの嫌気性消
化システムのパフォーマンスが低く、抑制された疑似定常状態、つまりIHTを介したア
セトゲンとメタン生成菌間の電子の伝達がブロックされることが引き起こされる。Fe
NPsによって媒介されるDIETが、アセトゲンとメタン生成菌の間の電子移動の
効率を促進し、嫌気性消化システムに対する高いOLRの影響が弱まり、良好なCOD除
去率とメタン生成率が得られる。
As shown in Fig. 5B, under high OLR influence (day 150), Methanosaeta was the most abundant archaea, with abundance reaching 60.58% at R1, R0 (54.59%) and R2 ( 57.22%). Next are the genera Methanobacterium and Methanolinea. Recently, G. It has been discovered that metallireducens undergo direct electron transfer with methanogenic organisms (eg, Methanosaeta species), the latter accepting electrons through the DIET process and reducing carbon dioxide to methane. Therefore, mutual nutrition and co-metabolism may have played an important role, suggesting that Methan
osaeta has been shown to be able to directly exchange electrons with biogenic bacteria. M.
Ethanobacterium has been used as a model for H2 - mediated interspecies electron transfer, DIET
, indicating that the distribution of DIET's potency in methanogens is much broader than previously thought. Overall, with a procedural increase in external load during the start-up phase, anaerobic digestion systems appear more likely to regulate bacterial community structure to maintain a steady state of the system, with specific functional bacteria and archaea. It does more than just increase the abundance of bacteria. However, once the OLR reaches a certain threshold (above 20 kg COD/(m 3 d)), the performance of the anaerobic digestion system gradually declines and cannot be reversed by bacterial community abundance alone. For example, f_Spirochaetaceae, f_Synergistaceae
and Methanolinea genera abundance may indicate that IHT is the predominant mode of electron transfer. However, under high OLR conditions, IHT-based anaerobic digestion systems perform poorly, causing a suppressed pseudo-steady state, i.e., blocked electron transfer between acetogens and methanogens via the IHT. . Fe3
DIET mediated by O 4 NPs promotes the efficiency of electron transfer between acetogens and methanogens, attenuating the impact of high OLR on the anaerobic digestion system, resulting in good COD removal and methanogenesis rates. .

同時に、様々な実施例の技術的効果をさらに検証するために、以下の実験的調査が現在行
われている。
1)嫌気性反応器始動効果に対する異なるパラメータの影響
実施例1、2、3を例にして、上記の方法を使用して反応器始動の第3階段(Stage
III)で流入COD濃度をさらに12500mg/Lに増加し、HRTを15時間に
維持する。
実施例1:R1の流出COD濃度が160日目、約209.17±15.79 mg/L
に維持した。
実施例2:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約231.05±12.73 m
g/Lに維持した。
実施例3:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約229.42±13.11 m
g/Lに維持した。
したがって、比較して分かるように、実施例2、3は実施例1に対して、流出CODが高
いため、実施例1の嫌気性反応器の始動効果がより優れた。
2)嫌気性反応器始動効果に対する異なる導電性ナノ材料の影響
実施例1、4を例にして、上記の方法を使用して、反応器始動の第3階段(Stage
III)で流入COD濃度をさらに12500mg/Lに増加し、HRTを15時間に維
持する。
実施例1:R1の流出COD濃度が第160日目、約209.17±15.79 mg/
Lに維持した。
実施例4:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約191.34±14.75 m
g/Lに維持した。
同時に、実施例4を例にして、Fe(NO・9HOを無水エタノール中に溶解し
、アニリンモノマーを無水エタノール中に溶解して、アニリンモノマーとFe(NO
・9HOのモル比が1:1.45になり、その後磁気リング反応管に入れ、磁気リン
グ反応管内へ磁気リングの高さ以下になるように流入し、次に磁気リング反応管内へ圧力
が2.5MPaになるように窒素ガスを充填し、磁気リング反応管を195℃に加熱して
7時間反応させ、調製された沈殿物を遠心分離により収集し、洗浄および乾燥して、修飾
ナノ四酸化三鉄を得、調製された修飾ナノ四酸化三鉄を対照例とする。
対照例:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約203.17±13.67 mg
/Lに維持した。
したがって、比較して分かるように、実施例4で修飾ナノ四酸化三鉄を使用する方が実施
例1でナノ四酸化三鉄する方よりも、流出CODが相対的に低く、磁気リング反応管で処
理されていない修飾ナノ四酸化三鉄の嫌気性反応器始動効果に対する影響が小さいため、
実施例4の嫌気性反応器の始動効果がより優れた。
3)嫌気性反応器始動効果に対する異なる温度パラメータの影響
実施例4、5、6を例にして、上記の方法を使用して、反応器始動の第3階段(Stag
e III)で流入COD濃度をさらに12500mg/Lに増加し、HRTを15時間
に維持する。
実施例4:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約191.34±14.75 m
g/Lに維持した。
実施例5:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約198.71±15.12 m
g/Lに維持した。
実施例6:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約200.53±15.17 m
g/Lに維持した。
したがって、比較して分かるように、実施例5、6では異なる温度パラメータを使用する
と調製された修飾ナノ四酸化三鉄の使用効果に一定の影響を与え、実施例4で使用される
温度パラメータは相対的により優れた。
4)嫌気性反応器始動効果に対する異なる混合添加比率の影響
実施例4、7、8を例にして、上記の方法を使用して、始動器始動の第3階段(Stag
e III)で流入COD濃度をさらに12500mg/Lに増加し、HRTを15時間
に維持する。
実施例4:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約191.34±14.75 m
g/Lに維持した。
実施例7:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約199.81±14.23 m
g/Lに維持した。
実施例8:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約196.34±13.76 m
g/Lに維持した。
したがって、比較して分かるように、実施例7、8で異なる混合添加比率を使用すると調
製された修飾ナノ四酸化三鉄の使用効果に一定の影響を与え、実施例4、8の使用効果が
相対的により優れるが、実際の生産コストなどの要素を考慮して、必要に応じて選択すれ
ばよい。
5)嫌気性反応器始動効果に対する異なる磁気リング反応管パラメータの影響
実施例4、7、8を例にして、上記の方法を使用して、始動器始動の第3階段(Stag
e III)で流入COD濃度をさらに12500mg/Lに増加し、HRTを15時間
に維持した。
実施例4:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約191.34±14.75 m
g/Lに維持した。
実施例9:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約195.81±14.43 m
g/Lに維持した。
実施例10:反応器R1の流出COD濃度が160日目、約194.77±14.89
mg/Lに維持した。
したがって、比較して分かるように、実施例9、10で異なる磁気リング反応管を使用す
ると調製された修飾ナノ四酸化三鉄の使用効果に一定の影響を与え、実施例4の使用効果
が相対的により優れた。
At the same time, the following experimental investigations are currently being conducted to further verify the technical effects of various embodiments.
1) Influence of different parameters on anaerobic reactor start-up effect
In III) the influent COD concentration is further increased to 12500 mg/L and the HRT is maintained at 15 hours.
Example 1: R1 effluent COD concentration at day 160 is about 209.17±15.79 mg/L
maintained at
Example 2: Reactor R1 effluent COD concentration on day 160 is about 231.05±12.73 m
was maintained at g/L.
Example 3: Reactor R1 effluent COD concentration at day 160 is about 229.42±13.11 m
was maintained at g/L.
Therefore, as can be seen from the comparison, in Examples 2 and 3, the outflow COD was higher than in Example 1, so that the starting effect of the anaerobic reactor of Example 1 was superior.
2) Effect of different conductive nanomaterials on anaerobic reactor start-up effect
In III) the influent COD concentration is further increased to 12500 mg/L and the HRT is maintained at 15 hours.
Example 1: R1 effluent COD concentration at day 160 is about 209.17±15.79 mg/
maintained at L.
Example 4: Reactor R1 effluent COD concentration on day 160, about 191.34±14.75 m
was maintained at g/L.
At the same time, taking Example 4 as an example, Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O was dissolved in absolute ethanol, the aniline monomer was dissolved in absolute ethanol, and the aniline monomer and Fe(NO 3 ) were dissolved.
The molar ratio of 3.9H 2 O is 1:1.45, then put into the magnetic ring reaction tube, flow into the magnetic ring reaction tube below the height of the magnetic ring, and then into the magnetic ring reaction tube. Filled with nitrogen gas so that the pressure is 2.5 MPa, the magnetic ring reaction tube is heated to 195 ° C. and reacted for 7 hours, the prepared precipitate is collected by centrifugation, washed and dried, and modified Nano triiron tetroxide is obtained and the prepared modified nano triiron tetroxide is taken as a control.
Control Example: Reactor R1 effluent COD concentration on day 160, about 203.17±13.67 mg
/L.
Therefore, as can be seen by comparison, the use of the modified nano triiron tetroxide in Example 4 resulted in a relatively lower outflow COD than the use of the nano triiron tetroxide in Example 1, and the magnetic ring reaction tube Due to the small effect on the anaerobic reactor start-up effect of the modified nanotriiron tetroxide not treated with
The start-up effect of the anaerobic reactor of Example 4 was better.
3) Effect of Different Temperature Parameters on Anaerobic Reactor Startup Effect Taking Examples 4, 5 and 6 as an example, using the method described above, the third step of reactor startup (Stag
In e III) the influent COD concentration is further increased to 12500 mg/L and the HRT is maintained at 15 hours.
Example 4: Reactor R1 effluent COD concentration on day 160, about 191.34±14.75 m
was maintained at g/L.
Example 5: Reactor R1 effluent COD concentration at 160 days, about 198.71 ± 15.12 m
was maintained at g/L.
Example 6: Reactor R1 effluent COD concentration on day 160, about 200.53±15.17 m
was maintained at g/L.
Therefore, it can be seen by comparison that the use of different temperature parameters in Examples 5 and 6 has a certain impact on the use effect of the prepared modified nano-triiron tetroxide, and the temperature parameter used in Example 4 is Relatively better.
4) Effect of Different Mixed Addition Ratios on Anaerobic Reactor Startup Effect Taking Examples 4, 7, and 8 as an example, using the method described above, the third step of starter start-up (Stag
In e III) the influent COD concentration is further increased to 12500 mg/L and the HRT is maintained at 15 hours.
Example 4: Reactor R1 effluent COD concentration on day 160, about 191.34±14.75 m
was maintained at g/L.
Example 7: Reactor R1 effluent COD concentration on day 160, about 199.81 ± 14.23 m
was maintained at g/L.
Example 8: Reactor R1 effluent COD concentration on day 160, about 196.34±13.76 m
was maintained at g/L.
Therefore, it can be seen by comparison that the use of different mixing addition ratios in Examples 7 and 8 has a certain effect on the use effect of the prepared modified nano triiron tetroxide, and the use effect of Examples 4 and 8 is It is relatively better, but it can be selected according to needs, considering factors such as actual production costs.
5) Influence of Different Magnetic Ring Reactor Tube Parameters on Anaerobic Reactor Starting Effect
In e III) the influent COD concentration was further increased to 12500 mg/L and HRT was maintained at 15 hours.
Example 4: Reactor R1 effluent COD concentration on day 160, about 191.34±14.75 m
was maintained at g/L.
Example 9: Reactor R1 effluent COD concentration at 160 days, about 195.81 ± 14.43 m
was maintained at g/L.
Example 10: Reactor R1 effluent COD concentration at day 160 is about 194.77±14.89
maintained at mg/L.
Therefore, it can be seen by comparison that the use of different magnetic ring reaction tubes in Examples 9 and 10 has a certain effect on the use effect of the prepared modified nano triiron tetroxide, and the use effect of Example 4 is relatively superior in terms of

Claims (7)

導電性ナノ材料を使用して嫌気性反応器の始動を促進する方法であって、
導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥を調製し、調製された導電性ナノ材料複合嫌気性活
性化汚泥を5~18gVSS/Lの体積濃度で嫌気性反応器に接種して、嫌気性反応器を
始動するステップを含み、
前記導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥の調製方法は、
前記導電性ナノ材料を脱イオン水に加えて超音波で分散し、導電性ナノ材料分散溶液を調
製するステップと、
調製された導電性ナノ材料分散溶液を嫌気性活性化汚泥に加え、22時間攪拌して、導電
性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥を得るステップと、
を含む、ことを特徴とする導電性ナノ材料に基づく嫌気性反応器の始動の促進方法。
A method of facilitating start-up of an anaerobic reactor using conductive nanomaterials, comprising:
Conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is prepared, the prepared conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge is inoculated into an anaerobic reactor at a volume concentration of 5 to 18 gVSS / L, and the anaerobic reactor including the step of initiating
The method for preparing the conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge comprises:
adding the conductive nanomaterials to deionized water and ultrasonically dispersing them to prepare a conductive nanomaterial dispersion solution;
adding the prepared conductive nanomaterial dispersion solution to anaerobic activated sludge and stirring for 22 hours to obtain conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge;
A method for promoting start-up of an anaerobic reactor based on conductive nanomaterials, comprising:
前記導電性ナノ材料はナノ四酸化三鉄であり、前記ナノ四酸化三鉄の粒子径は20~30
nmである、
ことを特徴とする請求項1に記載の導電性ナノ材料に基づく嫌気性反応器の始動の促進方
法。
The conductive nanomaterial is nano triiron tetroxide, and the particle size of the nano triiron tetroxide is 20 to 30.
nm,
The method of accelerating start-up of an anaerobic reactor based on conductive nanomaterials according to claim 1, characterized in that:
前記導電性ナノ材料は修飾ナノ四酸化三鉄であり、前記修飾ナノ四酸化三鉄の調製方法は

1)アニリンモノマーとFe(NO・9HOのモル比が1:0.45~1.94
であるように、Fe(NO・9HOを無水エタノールに溶解し、アニリンモノマ
ーを無水エタノールに溶解するステップと、
2)次に、磁気リング反応管内への充填量が磁気リングの高さ以下であるように、磁気リ
ング反応管に加えた後、磁気リング反応管内へ窒素ガスを、圧力が2.5MPaになるよ
うに流入し、磁気リング反応管を180~200℃に加熱して6~8時間反応させるステ
ップと、
3)反応開始から30分後、磁気リング反応管の電磁リング(2)を45~90s/回の
頻度で反応管本体(1)の反応ゾーンと低温ゾーンに切り替えて生成された修飾ナノ四酸
化三鉄を吸着および固定し、電磁リング(2)が通電されると反応ゾーンと低温ゾーンで
の滞留時間が3~5sであり、前記低温ゾーンの温度を80~110℃に制御するステッ
プと、
4)調製された沈殿物を遠心分離により収集し、洗浄および乾燥して、修飾ナノ四酸化三
鉄を得るステップと、を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の導電性ナノ材料に基づく嫌気性反応器の始動の促進方
法。
The conductive nanomaterial is modified nano triiron tetroxide, and the method for preparing the modified nano triiron tetroxide comprises:
1) The molar ratio of aniline monomer and Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O is 1:0.45-1.94
dissolving Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O in absolute ethanol and dissolving the aniline monomer in absolute ethanol such that
2) Next, after adding nitrogen gas into the magnetic ring reaction tube so that the filling amount in the magnetic ring reaction tube is equal to or less than the height of the magnetic ring, the pressure becomes 2.5 MPa. and heating the magnetic ring reaction tube to 180-200° C. to react for 6-8 hours;
3) After 30 minutes from the start of the reaction, the electromagnetic ring (2) of the magnetic ring reaction tube is switched between the reaction zone and the low temperature zone of the reaction tube body (1) at a frequency of 45 to 90 s/time to produce modified nanotetraoxide. Adsorbing and fixing triiron, when the electromagnetic ring (2) is energized, the residence time in the reaction zone and the low temperature zone is 3-5 s, and the temperature of the low temperature zone is controlled to 80-110° C.;
4) collecting the prepared precipitate by centrifugation, washing and drying to obtain modified nano triiron tetroxide;
The method of accelerating start-up of an anaerobic reactor based on conductive nanomaterials according to claim 1, characterized in that:
前記導電性ナノ材料複合嫌気性活性化汚泥中の導電性ナノ材料と前記嫌気性活性化汚泥の
乾燥重量の質量比が0.03~0.15:1である、
ことを特徴とする請求項1に記載の導電性ナノ材料に基づく嫌気性反応器の始動の促進方
法。
The conductive nanomaterial composite anaerobic activated sludge has a dry weight ratio of 0.03 to 0.15:1 between the conductive nanomaterial and the anaerobic activated sludge.
The method of accelerating start-up of an anaerobic reactor based on conductive nanomaterials according to claim 1, characterized in that:
前記嫌気性反応器が始動されると、pHを6.7~7.5、温度を27~36℃に制御し
、嫌気性反応器の動作開始過程中、COD:N:Pが400~200:7~3:1である

ことを特徴とする請求項1に記載の導電性ナノ材料に基づく嫌気性反応器の始動の促進方
法。
When the anaerobic reactor is started, the pH is controlled to 6.7-7.5, the temperature is controlled to 27-36° C., and the COD:N:P is 400-200 during the start-up process of the anaerobic reactor. : 7 to 3:1,
The method of accelerating start-up of an anaerobic reactor based on conductive nanomaterials according to claim 1, characterized in that:
前記嫌気性反応器は、通常消化槽、嫌気性接触消化槽、上昇流嫌気性汚泥床、嫌気性粒子
状汚泥膨張床中のいずれか1つであり、前記嫌気性活性化汚泥は凝集状汚泥、粒子状汚泥
中のいずれか1つである、
ことを特徴とする請求項1に記載の導電性ナノ材料に基づく嫌気性反応器の始動の促進方
法。
The anaerobic reactor is any one of a normal digester, an anaerobic catalytic digester, an ascending anaerobic sludge bed, and an anaerobic particulate sludge expansion bed, and the anaerobic activated sludge is flocculated sludge , in particulate sludge,
The method of accelerating start-up of an anaerobic reactor based on conductive nanomaterials according to claim 1, characterized in that:
前記攪拌方法は、機械的攪拌で22時間培養し、攪拌速度120rpmで嫌気性培養する

ことを特徴とする請求項1に記載の導電性ナノ材料に基づく嫌気性反応器の始動の促進方
法。
The stirring method is to culture for 22 hours with mechanical stirring and anaerobic culture at a stirring speed of 120 rpm.
The method of accelerating start-up of an anaerobic reactor based on conductive nanomaterials according to claim 1, characterized in that:
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