本發(fā)明涉及污水處理與資源化，特別涉及微生物厭氧發(fā)酵，具體是一種基于直接種間電子傳遞的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法。

背景技術(shù)：

1、厭氧消化主要是在無氧的條件下，由厭氧菌群降解有機(jī)質(zhì)，并將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳和甲烷等。在此過程中，污泥中的有害物質(zhì)得到分解，污泥總量得以降低并且獲得了氫氣、甲烷等能源氣體，在實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了污泥資源化利用。大部分有機(jī)物都存在于污泥絮體內(nèi)，因此需要合適的預(yù)處理促進(jìn)胞內(nèi)有機(jī)物的釋放，以及加速后續(xù)產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷過程。然而，產(chǎn)酸階段與產(chǎn)甲烷階段在微生物生態(tài)、代謝速率、環(huán)境適應(yīng)性等方面存在較大差異。這就使得操作條件的改變，如溫度、有機(jī)負(fù)荷、ph等，極易破壞產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷之間的代謝平衡，導(dǎo)致甲烷化失衡而停滯。因此，維持產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷的代謝平衡是強(qiáng)化厭氧消化的關(guān)鍵。產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌借助h2、甲酸作為電子載體來實(shí)現(xiàn)彼此間有效的電子交換，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)物向甲烷的轉(zhuǎn)變，也就是間接種間電子傳遞(miet)。miet易受氫分壓波動(dòng)的影響，出現(xiàn)酸失衡情況。

2、近年來研究證實(shí)，由電活性菌與產(chǎn)甲烷菌組成的互營(yíng)體系中，前者能夠?qū)麅?nèi)代謝產(chǎn)生的電子通過其導(dǎo)電鞭毛和細(xì)胞色素c傳遞給產(chǎn)甲烷菌，實(shí)現(xiàn)甲烷的產(chǎn)生，并將這種不需要外部電子載體參與的電子轉(zhuǎn)移過程稱為直接種間電子傳遞(diet)。目前，diet廣泛應(yīng)用于啤酒廢水、養(yǎng)殖廢水等高濃度有機(jī)廢水的厭氧消化處理中。相較于miet，diet不涉及電子載體的產(chǎn)生、擴(kuò)散和利用，改善了酸失衡問題，因此成為研究的熱點(diǎn)和前沿。但因電活性菌的導(dǎo)電鞭毛和細(xì)胞色素c在厭氧環(huán)境中的可及性限制，以及diet構(gòu)建過程比較有限，導(dǎo)致其在厭氧消化中實(shí)際應(yīng)用的效率和占比均較小。

3、有人研究在diet中引入導(dǎo)電材料來解決其可及性有限的問題，強(qiáng)化diet效率。目前導(dǎo)電材料多使用金屬鐵，如cn112250271a公開了一種金屬導(dǎo)電材料聯(lián)合污泥預(yù)處理促進(jìn)剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的方法，其將金屬網(wǎng)和污泥混合后放入?yún)捬跸磻?yīng)器中進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)甲烷。在厭氧消化體系中，fe離子提供電子并降低氧化還原電位，促進(jìn)甲烷產(chǎn)率。但fe離子易發(fā)生團(tuán)聚且穩(wěn)定性差，從而抑制了電子傳遞和反應(yīng)活性，限制了應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于直接種間電子傳遞的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，提高微生物厭氧消化系統(tǒng)的效能。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于直接種間電子傳遞的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，在污泥中加入導(dǎo)電材料，在攪拌下進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)；所述導(dǎo)電材料為sc/fes復(fù)合材料。本申請(qǐng)中加入導(dǎo)電材料能提高甲烷產(chǎn)量1.2-3.75倍。

4、進(jìn)一步方案，所述sc/fes復(fù)合材料加入的重量占污泥混合液體積的0.3-0.8g/l。

5、進(jìn)一步方案，所述攪拌條件為：30-40℃、100-150rpm。

6、進(jìn)一步方案，所述sc/fes復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

7、(1)對(duì)干燥后的檸檬酸鈉進(jìn)行升溫?zé)峤?，獲得具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳材料；

8、(2)將氯化亞鐵溶液加入步驟(1)制備的碳材料中，攪拌并進(jìn)行超聲分散；然后對(duì)混合液進(jìn)行離心，得到吸附有鐵離子的熱解碳固體；

9、(3)將硫化鈉溶液加入步驟(2)中的熱解碳固體中進(jìn)行混合；

10、(4)將步驟(3)的混合物進(jìn)行曝氮?dú)夂竺芊怅惢?，再用無氧水清洗并凍干，得sc/fes復(fù)合材料。

11、進(jìn)一步方案，步驟(1)中，所述升溫?zé)峤馐且?℃/min的升溫速率加熱至600℃，熱解2-4h；然后以5℃/min的降溫速率冷卻至室溫。

12、進(jìn)一步方案，步驟(1)中，碳材料先用濃度為0.8-1.2mol/l的鹽酸溶液對(duì)熱解產(chǎn)物進(jìn)行清洗，再用去離子水洗至中性后進(jìn)行干燥所得。

13、進(jìn)一步方案，所述氯化亞鐵溶液是由四水氯化亞鐵溶于去離子水中形成的，硫化鈉溶液是由九水硫化鈉溶于去離子水中形成的；所述四水氯化亞鐵與九水硫化鈉的摩爾比為1-2：2，九水硫化鈉與熱解碳的質(zhì)量比為16?-24：1。

14、進(jìn)一步方案，步驟(2)中，超聲分散時(shí)為2-4h，以確保二價(jià)鐵離子完整吸附在熱解碳表面。

15、進(jìn)一步方案，步驟(4)中，曝氮?dú)鈺r(shí)間為30-60min，密封后置于搖床中均勻搖晃，陳化至少24h。再用無氧水清洗后離心或過濾分離得到固體材料，放在凍干機(jī)里面冷凍干燥，得sc/fes復(fù)合材料。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

17、本發(fā)明在污泥中加入sc/fes復(fù)合材料作為導(dǎo)電材料，能提升微生物厭氧消化效率，實(shí)現(xiàn)廢水處理資源化利用，能提高甲烷產(chǎn)量1.2-3.75倍。

18、sc/fes復(fù)合材料中的碳材料具有豐富的比表面積和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，有助于微生物的附著和生長(zhǎng)；而硫化亞鐵(fes)則具有高電子遷移率和優(yōu)異的生物相容性，能夠有效收集和轉(zhuǎn)移電子。故本申請(qǐng)將二者進(jìn)行復(fù)合可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，提高復(fù)合材料的綜合性能。所以將sc/fes復(fù)合材料作為厭氧消化導(dǎo)電材料，能增強(qiáng)diet而促進(jìn)厭氧消化系統(tǒng)的效率。

19、本發(fā)明利用梯度升溫?zé)峤饧夹g(shù)將檸檬酸鈉轉(zhuǎn)化成具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳材料(sc)，并用于吸附二階鐵離子合成sc/fes復(fù)合材料。將其加入污水厭氧處理系統(tǒng)中，能使得微生物厭氧消化體系甲烷產(chǎn)量得到顯著提高，其原因主要?dú)w因于sc良好的生物相容性、快速的傳質(zhì)能力和電子傳遞能力；其次，在此基礎(chǔ)上又在sc表面負(fù)載了導(dǎo)電性良好的硫化亞鐵fes顆粒，使得微生物厭氧消化系統(tǒng)的最大產(chǎn)甲烷速率相較于單一sc的投加又有了成倍的提升，這主要?dú)w因于fes的負(fù)載顯著增強(qiáng)了sc的導(dǎo)電性能，sc與fes之間的協(xié)同作用有效促進(jìn)了微生物厭氧消化過程的進(jìn)行。

技術(shù)特征：

1.一種基于直接種間電子傳遞的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，其特征在于，在污泥中加入導(dǎo)電材料，在攪拌下進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)；所述導(dǎo)電材料為sc/fes復(fù)合材料。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，其特征在于，所述sc/fes復(fù)合材料加入的重量占污泥混合液體積的0.3-0.8g/l。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，其特征在于，所述攪拌的條件為30-40℃、100-150rpm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，其特征在于，所述sc/fes復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，其特征在于，步驟(1)中，所述升溫?zé)峤馐且?℃/min的升溫速率加熱至600℃，熱解2-4h；然后以5℃/min的降溫速率冷卻至室溫。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，其特征在于，步驟(1)中，碳材料先用濃度為0.8-1.2mol/l的鹽酸溶液對(duì)熱解產(chǎn)物進(jìn)行清洗，再用去離子水洗至中性后進(jìn)行干燥所得。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，其特征在于，所述氯化亞鐵溶液是由四水氯化亞鐵溶于去離子水中形成的，硫化鈉溶液是由九水硫化鈉溶于去離子水中形成的；所述四水氯化亞鐵與九水硫化鈉的摩爾比為1-2：2，九水硫化鈉與熱解碳的質(zhì)量比為16-24：1。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，其特征在于，步驟(2)中，超聲分散時(shí)為2-4h。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，其特征在于，步驟(4)中，曝氮?dú)鈺r(shí)間為30-60min，密封后置于搖床中均勻搖晃，陳化至少24h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于直接種間電子傳遞的污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷方法，在污泥中加入導(dǎo)電材料，在攪拌下進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)；所述導(dǎo)電材料為SC/FeS復(fù)合材料。本發(fā)明在污泥中加入SC/FeS復(fù)合材料作為導(dǎo)電材料，由于SC良好的生物相容性、快速的傳質(zhì)能力和電子傳遞能力；以及導(dǎo)電性良好的硫化亞鐵FeS顆粒，能提升微生物厭氧消化效率，實(shí)現(xiàn)廢水處理資源化利用，能提高甲烷產(chǎn)量1.2?3.75倍。

技術(shù)研發(fā)人員：王新建,孫嚴(yán),李琦,孫旭東,馬步春,高強(qiáng),馬浩奇,劉棟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東晟環(huán)保科技集團(tuán)（安徽）股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2