申请日2014.05.06
公开(公告)日2014.07.16
IPC分类号C02F11/04; C02F11/00
摘要
微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法，它涉及一种有机废弃生物质快速产甲烷的方法。本发明为了解决现有污泥厌氧发酵工艺存在污泥絮体破壁困难、污泥微生物细胞中有机质难以充分释放至液相、污泥有机质利用率和甲烷回收率低的技术问题。本方法如下：一、污泥预处理;二、阳极电解菌群功能微生物驯化;三、微生物电介导促进污泥厌氧消化。本发明借助微生物催化电解系统的电介导作用更快速的转化了体系中的质子，同时以电子形式有效转化复杂有机酸成分，消除系统中酸累积的抑制作用，能够有效促进污泥厌氧消化和产甲烷的速率与产量。本发明属于微生物电解促进剩余污泥产甲烷的领域。
权利要求书
1.微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法，其特征在于微生物电介导促进污泥厌氧消 化的方法按照以下步骤进行：
一、污泥预处理：调节污泥浓度至14000mg/L，利用双频超声对污泥预处理10min， 用氢氧化钠溶液调节污泥pH值为10，然后冷藏待用;
二、阳极电解菌群功能微生物驯化：以单室MEC反应器作为微生物电解厌氧驯化器， 电极两端添加固定外加0.6～0.9V微电压，30℃条件下培养，单室MEC反应器启动阶段， 24h为一个周期，且每间隔24h更换一次培养基，在单室MEC反应器换完培养基后，反应 室中持续通入20min纯度为99.998%的氮气去除残留的氧气，在驯化温度为30℃的条件下， 进行序批式驯化，检测串联10?电阻的电路中电流达到2.0mA以上，完成驯化，得到带有 阳极功能菌群的微生物电极;
三、微生物电介导促进污泥厌氧消化：以步骤二中的微生物电极为阳极，涂铂碳布为 阴极，将两电极以阴极下置、阳极上置的形式插入厌氧消化反应器中，然后将步骤一中经 预处理的污泥加入到厌氧消化反应器，并添加占总体积10%的新鲜污泥作为接种物，步骤 一中经预处理的污泥与新鲜污泥的体积比为10﹕1，曝氮气10min，密封厌氧消化反应器， 电极两端添加0.8V微电压，控制发酵温度35℃～38℃，磁力搅拌速度100rpm/min，发酵5～20 天，完成微生物电介导促进污泥厌氧消化的过程。
2.根据权利要求1所述微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法，其特征在于步骤一中 所述双频超声对污泥预处理是在装有频率为28kHz和40kHz的超声波发生器的槽式超声仪 中进行的，超声预处理的声能密度为0.25～1.0kW/L。
3.根据权利要求1所述所述微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法，其特征在于步骤 二中电极两端添加固定外加0.8V微电压。
4.根据权利要求1所述所述微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法，其特征在于步骤 三中发酵温度为37℃。
5.根据权利要求1所述所述微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法，其特征在于步骤 三中发酵时间为6天。
6.根据权利要求1所述所述微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法，其特征在于步骤 三中发酵时间为7天。
7.根据权利要求1所述所述微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法，其特征在于步骤 三中发酵时间为8天。
8.根据权利要求1所述所述微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法，其特征在于步骤 三中电两极间距为0.5～5cm。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述所述微生物电介导促进污泥厌氧消化 的方法，其特征在于步骤三中电极位置为阳极上置，阴极下置。
说明书
微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法
技术领域
本发明涉及一种有机废弃生物质快速产甲烷的方法。
背景技术
城市污泥对环境的潜在危害及其高昂的处理费用使得污泥的减量化与资源化成为世界 范围广泛关注的问题，而利用剩余污泥产甲烷是实现其资源化的最重要的方式之一，厌氧 消化工艺是目前最可行的污泥稳定化工艺，与其他生化方法相比，厌氧消化工艺的优点包 括(1)处理效果好，能够最大限度的降解污泥中的有机物;(2)消化污泥的脱水性好，可 大大减少污泥体积，实现污泥的减量化和稳定化;(3)可伴随产生高能沼气，工艺整体能 耗低。
由于污泥的特殊性质，现有污泥厌氧发酵工艺普遍存在着污泥絮体破壁困难、污泥微 生物细胞中有机质难以充分释放至液相、污泥有机质利用率和甲烷回收率低等问题，且单 纯通过运行调控和操作优化难以有所突破，因此，如何从机理上有创造性地改进污泥厌氧 发酵过程，提高污泥利用率和甲烷产率，是广受关注的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有污泥厌氧发酵工艺存在的污泥絮体破壁困难、污泥微生物细 胞中有机质难以充分释放至液相、污泥有机质利用率和甲烷回收率低的技术问题，提供了 一种微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法。
微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法按照以下步骤进行：
一、污泥预处理：调节污泥浓度至14000mg/L，利用双频超声对污泥预处理10min， 用氢氧化钠溶液调节污泥pH值为10，然后冷藏待用;
二、阳极电解菌群功能微生物驯化：以单室MEC反应器作为微生物电解厌氧驯化器， 电极两端添加固定外加0.6～0.9V微电压，30℃条件下培养，单室MEC反应器启动阶段， 24h为一个周期，且每间隔24h更换一次培养基，在单室MEC反应器换完培养基后，反 应室中持续通入20min纯度为99.998%的氮气去除残留的氧气，在驯化温度为30℃的条 件下，进行序批式驯化，检测串联10?电阻的电路中电流达到2.0mA以上，完成驯化， 得到带有阳极功能菌群的微生物电极;
三、微生物电介导促进污泥厌氧消化：以步骤二中的微生物电极为阳极，涂铂碳布为 阴极，将两电极以阴极下置、阳极上置的形式插入厌氧消化反应器中，然后将步骤一中经 预处理的污泥加入到厌氧消化反应器，并添加占总体积10%的新鲜污泥作为接种物，步 骤一中经预处理的污泥与新鲜污泥的体积比为10﹕1，曝氮气10min，密封厌氧消化反应 器，电极两端添加0.8V微电压，控制发酵温度35℃～38℃，磁力搅拌速度100rpm/min， 发酵5～20天，完成微生物电介导促进污泥厌氧消化的过程。
步骤一中所述利用双频超声对污泥预处理是在装有频率为28kHz和40kHz的超声波 发生器的槽式超声仪中进行的，超声预处理的声能密度为0.25～1.0kW/L。
步骤三中电两极间距为0.5～5cm。
步骤三中电极位置为阳极上置，阴极下置。
本发明的原理：
由于剩余污泥的生物可降解性低，完全的厌氧消化需相当长的时间，20～30d的停留 时间仅能去除30%～50%的挥发性固体(VSS)，污泥固体细胞分解和胞内生物大分子水解为 小分子，是厌氧消化的限速步骤。传统的厌氧消化过程的处理时间长，产甲烷过程是产甲 烷菌群与发酵产酸产氢菌群相互合作的过程。阳极电子传递菌与产甲烷菌具有相似的生态 位，本发明方法是将附着于电极表面的胞外电子传递菌构筑于传统厌氧产甲烷反应器中。 这类胞外电子传递功能菌具有高效的降解有机物的能力，并能够将复杂底物直接降解为电 子和二氧化碳。通过上置阳极下置阴极的嵌入结构，首先保证产甲烷菌优先利用乙酸等最 适底物，剩余的C3以上的挥发酸以及短时间内未有效降解的复杂有机质在上部阳极区生 物分解;在外加辅助电压下，阳极功能菌群有效降解各类有机酸并将生物电子传递到下部 阴极，在阴极表面的催化剂作用下由电子与质子直接结合产生氢气。这个过程可以通过调 节外加电压实现电子传递过程的加速和质子的进一步消耗，减少酸性抑制，利用微生物电 催化产氢为氢营养产甲烷菌提供充足的氢气底物。
本发明的有益效果：微生物电介导促进污泥厌氧消化的方法中，借助生物催化电解系 统的电介导作用更快速的转化了体系中的质子，同时以电子形式有效转化复杂有机酸成分， 消除系统中酸累积的抑制作用，能够有效促进污泥厌氧消化，提高产甲烷的速率与产量。 经预处理的剩余厌氧发酵24h后有机酸达到4000mg COD/L，第3天提升至6000mg COD/L， 并在微生物电子介导作用下开始产甲烷，稳定后最大产甲烷速率为0.138m3CH4/m3/d，比 传统厌氧发酵过程提高3倍，VSS去除率提高10～20%。
本发明方法用于促进污泥厌氧消化。
本发明提出的工艺将生物催化电解系统与厌氧体系耦合，借助生物催化电解系统更快 速的转化质子，同时以电子形式有效转化复杂有机酸成分，微生物电解体系能有效提高污 泥产甲烷的速率和产量。生物电化学技术与传统工艺结合能够科学的避免新工艺与传统工 艺技术改造以及现有设施\设备更换之间的冲突，现有技术体系下在保留原有工艺设施的基 础上通过工艺局部改进即可对污泥处理效果和能量收益产生较大的促进作用。
