厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方法，包括：S1、在20～25℃下，以剩余污泥為接種物，利用雙室微生物燃料電池富集陽極產(chǎn)電菌，當(dāng)微生物燃料電池的外電阻電壓值趨于穩(wěn)定，且至少重現(xiàn)三個周期時(shí)，陽極微生物富集完成；S2、將剩余污泥在35℃、振蕩條件下厭氧發(fā)酵7天，得到中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處理的剩余污泥；S3、在20～25℃下，外加電壓0.5～0.9V，以預(yù)處理剩余污泥為底物運(yùn)行單室微生物電解池，實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫。本發(fā)明利用剩余污泥厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物，如揮發(fā)性脂肪酸、碳水化合物、蛋白質(zhì)等，結(jié)合微生物電解技術(shù)使發(fā)酵上清液中小分子有機(jī)物產(chǎn)氫，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵末端產(chǎn)物的再利用。
【專利說明】
厭氧發(fā)酵與微生物電解池輔合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氨的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明具體設(shè)及一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池禪合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氨的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國水環(huán)境保護(hù)工作的不斷開展，污水處理量日益增加。W生化技術(shù)為主的 污水處理工藝不可避免會產(chǎn)生大量的剩余污泥，運(yùn)些剩余污泥的含水率約99%，包含泥砂、 纖維、膠體、有機(jī)質(zhì)、微生物和金屬元素等。其中病原體、有機(jī)污染物和重金屬等有害物質(zhì)對 環(huán)境造成了威脅。據(jù)推測，到2020年，我國的污泥產(chǎn)量將突破6000萬噸，剩余污泥的處理處 置已成為環(huán)境保護(hù)的難題。
[0003] 目前，我國污泥處理主要是污泥濃縮和脫水，實(shí)現(xiàn)污泥減量，而污泥的最終處置方 式主要有衛(wèi)生填埋、干化焚燒、堆肥、加工建材等。但運(yùn)些處置方式存在諸多問題，如衛(wèi)生填 埋會產(chǎn)生滲濾液;干化焚燒會產(chǎn)生煙塵;堆肥農(nóng)用對人類健康有威脅;加工建材也存在污染 物質(zhì)的溶出風(fēng)險(xiǎn)。在污泥減量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化、無害化、資源化將是污泥治理的 發(fā)展方向。
[0004] 厭氧消化是實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定的常用技術(shù)，通過厭氧微生物的代謝作用降解污泥有機(jī) 質(zhì)并產(chǎn)氣，實(shí)現(xiàn)污泥減量和資源化目標(biāo)。但傳統(tǒng)的厭氧消化存在"發(fā)酵障礙"，即有機(jī)物發(fā)酵 產(chǎn)氣不徹底。例如，葡萄糖發(fā)酵的產(chǎn)氨量為2~3mol/mol，與理論值12mol/mol相差甚遠(yuǎn)，其 原因是葡萄糖發(fā)酵的產(chǎn)物，如乙酸、下酸等小分子揮發(fā)酸，無法被發(fā)酵細(xì)菌利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池禪合實(shí) 現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氨的方法。對于無法被發(fā)酵細(xì)菌利用的小分子揮發(fā)酸，微生物電解池可W利 用運(yùn)些小分子有機(jī)物繼續(xù)產(chǎn)氨。因此本發(fā)明通過將厭氧消化技術(shù)與微生物電解技術(shù)相結(jié) 合，能夠提高污泥有機(jī)質(zhì)的降解效果，并回收清潔的氨能源。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了 W下技術(shù)方案：
[0007] -種厭氧發(fā)酵與微生物電解池禪合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氨的方法，包括如下步驟：
[000引S1、在20~25°C下，W剩余污泥為接種物，利用雙室微生物燃料電池富集陽極產(chǎn)電 菌，當(dāng)微生物燃料電池的外電阻電壓值趨于穩(wěn)定，且至少重現(xiàn)Ξ個周期時(shí)，陽極富集完成；
[0009] S2、在35°C下，將剩余污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵，得到中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處理的剩余污泥；
[0010] S3、在20~25°C下，WS2中預(yù)處理的剩余污泥為底物運(yùn)行單室微生物電解池，實(shí)現(xiàn) 剩余污泥產(chǎn)氨。
[0011] 優(yōu)選的，S1中雙室微生物燃料電池富集陽極產(chǎn)電菌的過程為：將濃度為3.1~ 6.4g/L的剩余污泥接種物與溶液A混合得到混合液B，混合液B加入雙室微生物燃料電池陽 極室，將溶液C加入雙室微生物燃料電池陰極室;在20~25°C下進(jìn)行試驗(yàn)，記錄外電阻的電 壓值，當(dāng)最大電壓趨于穩(wěn)定時(shí)，更換混合液B和溶液C，如果最大電壓至少重現(xiàn)Ξ個周期，貝U 陽極富集完成；
[0012] 其中，溶液A成分為每升去離子水：NaAc 1.5g、KH2P〇4 2.4145g、K2HP〇4 · 3H20 7.3539g、NH4Cl 0.31g、KCl 0.13g;溶液C成分為每升去離子水:Κ此P〇4 2.4145g、K2HP〇4· 3出0 7.3539g、KCl 0.13g。
[0013] 進(jìn)一步的，S2中剩余污泥厭氧發(fā)酵預(yù)處理的過程為:將剩余污泥置于設(shè)有排氣管 的密閉容器內(nèi)，通入高純氮?dú)猓貧鈒OminW去除殘留的氧氣;然后置于恒溫振蕩器上，在35 °C、100r/min振蕩條件下厭氧發(fā)酵7天，得到混合液D，完成剩余污泥的中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處 理；
[0014] 進(jìn)一步的，S3中W中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處理的剩余污泥為底物運(yùn)行單室微生物電解池 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氨的過程為:將S1中富集完成的陽極轉(zhuǎn)移至單室微生物電解池陽極，陰極為載銷碳 布，取適量混合液D，加入KH2P04、K油P〇4 · 3H20、NH4C1和KC1，各自濃度分別為：KH2PO4 2.4145邑/1、1(2冊〇4?3此0 7.3539邑/1、畑此10.31邑/1、雌10.13邑/1，溶解后的混合液加入 單室微生物電解池，再加入3.6mL的微量元素溶液E和1.5mL的維生素溶液F;向反應(yīng)器通入 高純氮?dú)?，曝氣lOminW去除殘留的氧氣;兩極間串聯(lián)10 Ω電阻和0.5~0.9V的直流穩(wěn)壓電 源，完成產(chǎn)氨。
[0015] 進(jìn)一步的，步驟S1和S3中，陽極均為大絲束石墨纖維絲纏繞在鐵絲上制成的石墨 纖維刷電極，陰極均為不防水碳布。
[0016] 進(jìn)一步的，使用之前，石墨纖維刷和碳布依次在丙酬、乙醇和純水中超聲清洗 lOmin，隨后在450°C下高溫處理30min。
[0017]進(jìn)一步的，所述剩余污泥接種物與溶液A的添力化例化：2。
[0018] 進(jìn)一步的，步驟S3中，微量元素溶液E成分為每升去離子水乙酸1.5g、MgS化· 7出0 3.0g、MnS〇4*2H2〇 0.5g、化C1 1.0g、FeS〇4*7H2〇 0.1g、CoCl2 0.1g、CaCl2*2H2〇 0.1g、ZnS04 0.1g、CuS04·5此0 0.01g、AlK(S04)2 0.01g、曲B03 0.01g、Na2Mo04 0.025g、 化Cl · 6出0 0.024g。
[0019] 進(jìn)一步的，步驟S3中，維生素溶液F成分為每升去離子水:生物素2mg、葉酸2mg、維 生素 Bs lOmg、維生素 Bi 5mg、維生素 B2 5mg、煙酸5mg、泛酸巧5mg、維生素 Bi2 0.1mg、4-氨基 苯甲酸5mg、硫辛酸5mg。
[0020] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0021] 1)、本發(fā)明將微生物電解技術(shù)與傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵技術(shù)禪合，克服了 "發(fā)酵障礙"問題， 實(shí)現(xiàn)污泥、尤其是剩余污泥發(fā)酵上清液中小分子有機(jī)物的充分降解，試驗(yàn)表明，20~25°C的 室溫條件下，懸浮固體SS去除率達(dá)18%~50%，揮發(fā)性懸浮固體VSS去除率為44.5%~ 58.6%，總化學(xué)需氧量TC0D去除率42.9%~50.5%，表明，本發(fā)明方法在剩余污泥減量的基 礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了污泥的穩(wěn)定化。
[0022] 2)、本發(fā)明經(jīng)中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處理的剩余污泥在微生物電解池中的氨氣產(chǎn)率為 0.017~0.024m3此/(m3 · d)，實(shí)現(xiàn)了剩余污泥的資源化利用。同時(shí)，本發(fā)明先將污泥在35°C 中發(fā)酵，然后再投加入微生物電解池(MEC)反應(yīng)器，保證微生物電解過程常溫即可，操作方 便。另外，本專發(fā)明采用單室微生物電解池實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氨，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊、不需要質(zhì) 子交換膜。
[0023] 3)、本發(fā)明在450°C高溫條件下處理石墨纖維刷電極和碳布電極30min，增加了電 極表面的粗糖度和表面積，有利于陽極產(chǎn)電菌的附著和陰極催化劑的涂覆。
[0024] 4)、本發(fā)明中所添加的各溶液均適于產(chǎn)電菌的生存，有效保證了本發(fā)明實(shí)現(xiàn)剩余 污泥產(chǎn)氨的效果。
【附圖說明】
[00巧]圖1為本發(fā)明的原理圖。
[0026] 圖中標(biāo)注符號的含義如下：
[0027] 1-直流穩(wěn)壓電源2-電阻
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描 述。W下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能W此來限制本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
[0029] -種厭氧發(fā)酵與微生物電解池禪合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氨的方法，包括如下步驟：
[0030] S1、W剩余污泥為接種物，利用雙室微生物燃料電池富集陽極產(chǎn)電菌：將濃度為 3.1~6.4g/L的剩余污泥與溶液A按1:2的比例混合得到混合液B，混合液B加入雙室微生物 燃料電池陽極室，將溶液C加入雙室微生物燃料電池陰極室。試驗(yàn)在20~25°C下進(jìn)行，記錄 外電阻的電壓值，當(dāng)最大電壓趨于穩(wěn)定時(shí)，更換混合液B和溶液C，如果最大電壓至少重現(xiàn)Ξ 個周期，則陽極富集完成；
[0031] S2、剩余污泥的中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處理:將剩余污泥置于密閉容器(設(shè)有排氣管），通 入高純氮?dú)?，曝氣lOminW去除殘留的氧氣。然后置于恒溫振蕩器上，在35°C、100r/min振蕩 條件下厭氧發(fā)酵7天，得到混合液D，完成剩余污泥的中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處理；
[0032] S3、W預(yù)處理剩余污泥為底物運(yùn)行單室微生物電解池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氨:將S1富集完成的 陽極轉(zhuǎn)移至單室微生物電解池陽極，陰極為載銷碳布(銷含量〇.5mg/cm2)。取適量混合液D， 加入K此P04、K2HP04 · 3此0、畑此1和KC1，各自濃度分別為：K此P〇4 2.4145g/L、K2HP〇4 · 3此0 7.3539g/L、NH4C10.31g/L、KCl 0.13g/L，溶解后的混合液加入單室微生物電解池，再加入 3.6mL的微量元素溶液E和1.5mL的維生素溶液F。向反應(yīng)器通入高純氮?dú)猓貧鈒Omin W去除 殘留的氧氣。在20~25°C下，兩極間串聯(lián)10 Ω電阻2和0.5~0.9V的直流穩(wěn)壓電源1，完成產(chǎn) 氨。
[0033] 其中，S1和S3的陽極均為大絲束石墨纖維絲（24K)纏繞在鐵絲上制成的石墨纖維 刷電極，陰極是不防水碳布，使用之前，石墨纖維刷和碳布依次在丙酬、乙醇和純水中超聲 清洗lOmin，隨后在450°C下高溫處理30min。
[0034] 其中，溶液A成分為（每升去離子水）：化Ac 1.5g、K出P〇4 2.4145g、K2冊〇4 · 3出0 7.3539g、NH4Cl 0.31g、KCl 0.13g;
[003引溶液C成分為（每升去離子水）：KH2P04 2.4145g、K2HP04 · 3出0 7.3539g、KCl 0.13g；
[0036] 溶液E成分為（每升去離子水）：Ξ乙酸 1.5g、MgS〇4 · 7H20 3.0g、MnS〇4 · 2H20 0.5g、PfeC11.0g、FeS〇4?7H2〇0.1g、CoCl2〇.lgXaCl2*2H2〇0.1g、ZnS〇4〇.lg、CuS〇4· 5出0 0.01g、A化（S〇4)2 0.01、出B03 0.01g、Na2Mo〇4 0.0化g、NiCl ·6出0 0.024g;
[0037] 溶液F成分為（每升去離子水）：生物素2mg、葉酸2mg、維生素 B6 lOmg、維生素 Bi 5mg、維生素 B2 5mg、煙酸5mg、泛酸巧5mg、維生素 Bi2 0. lmg、4-氨基苯甲酸5mg、硫辛酸5mg。
[0038] 上述溶液均適于產(chǎn)電菌的生存，有效保證了本發(fā)明的產(chǎn)氨效果。
[0039] 實(shí)施例1~實(shí)施例5
[0040] 按上述步驟，中溫厭氧發(fā)酵與微生物電解池禪合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氨的各實(shí)施例參 數(shù)如下表：
[0041]
[0042]
[0043] 由表可知，經(jīng)中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處理的剩余污泥在微生物電解池中的氨氣產(chǎn)率為 0.017~0.024m3出/(m3 . d)，實(shí)現(xiàn)了剩余污泥的資源化利用。
[0044] 在20~25°C的室溫條件下，懸浮固體SS去除率達(dá)18%~50%，揮發(fā)性懸浮固體VSS 去除率為44.5%~58.6%，總化學(xué)需氧量TC0D去除率42.9%~50.5%，表明，本發(fā)明方法在 剩余污泥減量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了污泥的穩(wěn)定化。
[0045] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和變形，運(yùn)些改進(jìn)和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方法，其特征在于包括如下 步驟： 51、 在20~25°C下，以剩余污泥為接種物，利用雙室微生物燃料電池富集陽極產(chǎn)電菌， 當(dāng)微生物燃料電池的外電阻電壓值趨于穩(wěn)定，且至少重現(xiàn)三個周期時(shí)，陽極富集完成； 52、 在35°C下，將剩余污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵，得到中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處理的剩余污泥； 53、 在20~25 °C下，以S2中預(yù)處理的剩余污泥為底物運(yùn)行單室微生物電解池，實(shí)現(xiàn)剩余 污泥產(chǎn)氫。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方 法，其特征在于，S1中雙室微生物燃料電池富集陽極產(chǎn)電菌的過程為:將濃度為3.1~6.4g/ L的剩余污泥接種物與溶液A混合得到混合液B，混合液B加入雙室微生物燃料電池陽極室， 將溶液C加入雙室微生物燃料電池陰極室;在20~25°C下進(jìn)行試驗(yàn)，記錄外電阻的電壓值， 當(dāng)最大電壓趨于穩(wěn)定時(shí)，更換混合液B和溶液C，如果最大電壓至少重現(xiàn)三個周期，則陽極富 集完成； 其中，溶液A成分為每升去離子水:NaAc 1.5g、KH2P〇4 2.4145g、K2HP〇4.3H20 7.3539g、 NH4CI 0.31g、KCl 0.13g;溶液 C 成分為每升去離子水：KH2P〇4 2.4145g、K2HP〇4.3H20 7.3539g、KCl 0.13g〇3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方 法，其特征在于，S2中剩余污泥厭氧發(fā)酵預(yù)處理的過程為:將剩余污泥置于設(shè)有排氣管的密 閉容器內(nèi)，通入高純氮?dú)猓貧鈒Omin以去除殘留的氧氣;然后置于恒溫振蕩器上，在35°C、 lOOr/min振蕩條件下厭氧發(fā)酵7天，得到混合液D，完成剩余污泥的中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處理。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方 法，其特征在于，S3中以中溫厭氧發(fā)酵預(yù)處理的剩余污泥為底物運(yùn)行單室微生物電解池實(shí) 現(xiàn)產(chǎn)氫的過程為:將S1中富集完成的陽極轉(zhuǎn)移至單室微生物電解池陽極，陰極為載鉑碳布， 取適量混合液D，加入KH 2P〇4、K2HP〇4· 3H20、NH4C1和KC1，各自濃度分別為:KH2P〇4 2.4145g/ L、K2HP〇4.3H20 7.3539g/L、NH4Cl 0.31g/L、KCl 0.13g/L，溶解后的混合液加入單室微生 物電解池，再加入3.6mL的微量元素溶液E和1.5mL的維生素溶液F;向反應(yīng)器通入高純氮?dú)猓?曝氣lOmin以去除殘留的氧氣;兩極間串聯(lián)10 Ω電阻和0.5~0.9V的直流穩(wěn)壓電源，完成產(chǎn) 氫。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方 法，其特征在于:步驟S1和S3中，陽極均為大絲束石墨纖維絲纏繞在鈦絲上制成的石墨纖維 刷電極，陰極均為不防水碳布。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方 法，其特征在于:使用之前，石墨纖維刷和碳布依次在丙酮、乙醇和純水中超聲清洗lOmin， 隨后在450°C下高溫處理30min。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方 法，其特征在于:所述剩余污泥接種物與溶液A的添加比例為1:2。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方 法，其特征在于:步驟S3中，微量元素溶液E成分為每升去離子水:三乙酸1.5g、MgS0 4 · 7H20 3.0g、MnS〇4.2H20 0.5g、NaCl 1.0g、FeS〇4.7H20 0.1g、CoCl2 0.1g、CaCl2.2H20 O.lg、 ZnS〇4 0.1g、CuS〇4*5H20 0.01g、AlK(S〇4)2 0.01g、H3B03 0.01g、Na2Mo〇4 0.025g、NiCl· 6H2O 0.024g〇9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種厭氧發(fā)酵與微生物電解池耦合實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)氫的方 法，其特征在于:步驟S3中，維生素溶液F成分為每升去離子水:生物素 2mg、葉酸2mg、維生素 B6 10mg、維生素 Bi 5mg、維生素 B2 5mg、煙酸5mg、泛酸|丐5mg、維生素 Bi2 0.1mg、4_氨基苯甲 酸5mg、硫辛酸5mg。
【文檔編號】C12P3/00GK106011176SQ201610520155
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】胡凱, 陳衛(wèi), 賈碩秋, 徐蘭
【申請人】河海大學(xué)