活性污泥制备电容性电极材料

中国污水处理工程网时间：2018-3-9 15:32:55

　　申请日2016.05.25

　　公开(公告)日2016.10.12

　　IPC分类号H01G11/86; H01G11/34; H01G11/44; C02F11/00; C02F11/02; C02F11/10; C02F11/12

　　摘要

　　本发明公开了一种利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，包括以下步骤：(1)对活性污泥进行硝化驯化或苯酚驯化，得到驯化后的活性污泥;(2)将步骤(1)得到的污泥进行干燥、研磨、过筛，在惰性气体氛围下，于700～1000℃下煅烧1.5～4小时，经酸处理后用蒸馏水洗至中性，在55～105℃下干燥后过筛得到自掺杂多孔污泥碳材料粉末，即电容性电极材料。本发明的方法提高了污泥碳材料中氮元素的含量，具有更好的电容性能。

　　摘要附图

　　权利要求书

　　1.一种利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

　　(1)对活性污泥进行硝化驯化或苯酚驯化，得到驯化后的活性污泥;

　　所述硝化驯化，具体为：

　　活性污泥在pH=7.0～8.0的硝化驯化液中，通入流量为1～3L/min的空气进行好氧硝化驯化培养，控制MLSS在3～6g/L，得到以硝化细菌为优势菌的自养型活性污泥絮体;所述硝化驯化液包含氨氮;

　　所述苯酚驯化，具体为：

　　活性污泥在pH=7.0～8.0的苯酚驯化液中，通入流量为1～3L/min的空气进行好氧苯酚驯化培养，控制MLSS在3～6g/L;得到苯酚降解细菌为优势菌的异养型活性污泥絮体;所述苯酚驯化液包含苯酚;

　　(2)将步骤(1)得到的污泥进行干燥、研磨、过筛，在惰性气体氛围下，于700～1000℃下煅烧1.5～4小时，经酸处理后用蒸馏水洗至中性，在55～105℃下干燥后过筛得到自掺杂多孔污泥碳材料粉末，即电容性电极材料。

　　2.根据权利要求1所述的利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，其特征在于，所述硝化驯化液包含磷酸缓冲液、矿物质溶液、维生素溶液、无机碳源和氨氮;所述苯酚驯化液包含磷酸缓冲液、矿物质溶液、维生素溶液、氮源和苯酚。

　　3.根据权利要求1所述的利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，其特征在于，所述硝化驯化液中氨氮的浓度为200～500mg/L。

　　4.根据权利要求1所述的利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，其特征在于，所述苯酚驯化液中苯酚的浓度为500～1000mg/L。

　　5.根据权利要求1所述的利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，其特征在于，所述好氧硝化驯化培养采用梯度浓度培养的方式;所述好氧苯酚驯化培养采用梯度浓度培养的方式。

　　6.根据权利要求5所述的利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，其特征在于，所述好氧硝化驯化培养采用梯度浓度培养的方式：依次在氨氮浓度为50、100、150、200、250、300、400、500mg/L的硝化驯化液中驯化。

　　7.根据权利要求5所述的利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，其特征在于，所述好氧苯酚驯化培养采用梯度浓度培养的方式，具体为：依次在苯酚浓度为50、100、200、300、400、600、800、1000mg/L的苯酚驯化液中驯化。

　　8.根据权利要求1所述的利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，其特征在于，所述活性污泥为富含氧元素、氮元素、铁元素的活性污泥。

　　9.根据权利要求1所述的利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，其特征在于，所述活性污泥为焦化废水活性污泥。

　　10.根据权利要求1所述的利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，其特征在于，所述自掺杂多孔污泥碳材料粉末包括氮掺杂多孔碳、铁掺杂多孔碳以及表面富含氧官能团多孔碳。

　　说明书

　　一种利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法

　　技术领域

　　本发明属于电容性材料技术领域，具体涉及一种利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法。

　　背景技术

　　随着能源和环境污染问题的日趋严重，发展新能源或改进能源存储和转化方式逐渐引起研究人员的兴趣。具有高功率密度，超长使用寿命和高安全性的超级电容器是一种解决能源转化和存储问题的理想选择。基于电荷存储机理,超级电容器可以分为双电层电容器和基于氧化还原反应的赝电容器。双电层电容器电极材料主要是以碳材料为主。在各种赝电容器材料中，元素掺杂、高分子聚合物、过渡金属是高性能的超级电容器活性材料，因此可通过向碳材料中添加活性材料提高电容性能。

　　在另一方面，污水处理中活性污泥法因其对水质水量稳定，耗能少，净化污水效果好而被广泛应用，但其在运行过程中却会产生大量活性污泥。这些活性污泥蓄积了大量难降解有机物、微生物、重金属和其他有毒化合物。若处理利用不当将带来二次污染的风险，因此活性污泥的处置与利用成为污水厂工作的一大难题。活性污泥主要由生物质、有机污染物和无机物等成分构成，其富含C、H、N、O、S等有机元素。无机物以及丝状菌构成活性污泥的骨架，是微生物附着生长的模板，Fe、Al等絮凝剂成分和丝状菌使得活性污泥具有较大的比表面积和疏松的形貌。以焦化废水活性污泥为例，其富含氧、氮、铁、硫等元素，其中吡啶、吡咯等含氮杂环化合物是优良的电化学活性成分。因而，污泥具有作为良好的电容性储能材料原料的潜力，可将污泥处置利用和储能材料的制备相结合。

　　发明内容

　　为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，通过驯化提高污泥碳材料中氮元素的含量和比表面积，具有更好的电容性能。

　　本发明的目的通过以下技术方案实现：

　　一种利用驯化活性污泥制备电容性电极材料的方法，包括以下步骤：

　　(1)对活性污泥进行硝化驯化或苯酚驯化，得到驯化后的活性污泥;

　　所述硝化驯化，具体为：

　　所述苯酚驯化，具体为：

　　活性污泥在pH=7.0～8.0的苯酚驯化液中，通入流量为1～3L/min的空气进行好氧苯酚驯化培养;控制MLSS在3～6g/L;得到苯酚降解细菌为优势菌的异养型活性污泥絮体;所述苯酚驯化液包含苯酚;

　　所述硝化驯化液包含磷酸缓冲液、矿物质溶液、维生素溶液、无机碳源和氨氮;所述苯酚驯化液包含磷酸缓冲液、矿物质溶液、维生素溶液、氮源和苯酚。

　　所述硝化驯化液中氨氮的浓度为200～500mg/L。

　　所述苯酚驯化液中苯酚的浓度为500～1000mg/L。

　　所述好氧硝化驯化培养采用梯度浓度培养的方式;所述好氧苯酚驯化培养采用梯度浓度培养的方式。

　　所述好氧硝化驯化培养采用梯度浓度培养的方式：依次在氨氮浓度为50、100、150、200、250、300、400、500mg/L的硝化驯化液中驯化。

　　所述好氧苯酚驯化培养采用梯度浓度培养的方式，具体为：依次在苯酚浓度为50、100、200、300、400、600、800、1000mg/L的苯酚驯化液中驯化。

　　所述活性污泥为富含氧元素、氮元素、铁元素的活性污泥。

　　所述活性污泥为焦化废水活性污泥。

　　所述自掺杂多孔污泥碳材料粉末包括氮掺杂多孔碳、铁掺杂多孔碳以及表面富含氧官能团多孔碳。

　　本发明的原理为：

　　本发明通过对活性污泥进行驯化，在驯化培养的过程中，污泥中的微生物的种类向选择性的特定功能种类演变，适应特定环境的微生物数量，不能利用特定营养物质的微生物则逐渐死亡、淘汰。最终活性污泥中的微生物可形成大量且较稳定单一的优势群体。通过特定的驯化培养，污泥中的氮元素含量得到进一步富集和提高，碳氮比趋于稳定，加上活性污泥中丰富的碳、氧、铁元素，使得驯化活性污泥所制备的碳材料应具有更强的导电能力、电化学活性和稳定制备的可控性。

　　与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

　　(1)本发明通过对活性污泥进行硝化驯化或苯酚驯化，提高了污泥碳材料中氮元素的含量，具有更好的电容性能。