一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法

本发明涉及污泥处理，更具体地说，本发明涉及一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法。

背景技术：

1、随着城市的发展，市政污泥的产生量逐渐增加，污泥无害化处置的问题亟需解决。而当前对于污泥的处理处置方式主要还是依赖传统的填埋、自然干化以及焚烧，此类污泥处理处置方式不仅基建成本高，资源能源耗费大，而且易对生态环境带来二次污染。而污泥中富含大量有机质，碳源资源丰富，采用适当处理处置方式，实现其资源化、能源化成为当前的研究热点，同时也符合环保政策要求。因此需要进行大量的预处理[例如应用机械、热、化学、生物或组合预处理]来实现污泥溶解并提高厌氧发酵效率，以获得沼气、挥发性脂肪酸(vfa)、pha合成、植物生长生物刺激剂或中链脂肪酸(mcfa)和长链脂肪酸的高价值产品醇(lca)。但是，此类预处理增加了剩余污泥处理的总成本，占污水处理厂总运营费用的40％以上。

2、另一方面，通过使用氧化还原介体(rms)催化加速电子传输效率来触发氧化还原反应速率来改善厌氧处理生物过程中的微生物代谢功能将是提高剩余污泥处理效率的另一种有效刺激策略。一些外源性rm已被证实广泛应用于细胞呼吸系统、生物体内的新陈代谢，并广泛应用于支持全球生命，如中性红、吩恶嗪、2-氨基苯酚、醌系列等。一些脱色中间体(例如2-氨基苯酚)、胺酚类化合物和植物源物质(例如黄芩及其成分、富含花青素的植物提取物和微藻代谢物)可以作为外源电子穿梭机促进厌氧生物过程(例如生物电发生)具有更高的有机物降解效率。

3、但这种增强方式的弊端也不容忽视。一方面，这种外源电子穿梭机在使用后会完全丢失，无法再重复使用。另一方面，这些外源性rm的提取或获得不可避免地增加了总运营成本。相比之下，内生能源可以通过mfc生产和促进有机物生物降解的电子转移能力在发电来源方面表现出更优越的优势。然而，由于胞外聚合物(eps)的稳定结构以及动态限制，这种内源性rm从剩余污泥的固相到液相的自发释放效率在正常水解过程中处于相对较低的水平。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，具体方法步骤如下：

3、步骤一：对污泥进行机械破碎、低温加热、冻融的预处理，取预处理的上清液；将三组预处理上清液分别加入微生物燃料电池(mfcs)中，以实现可溶性有机物的生物降解并收集剩余物质，记作流出物，流出物中包含污泥源氧化还原介体(sludge-sourceredoxmediators,ssrms)；

4、步骤二：将步骤一中的流出物加入到新的其他微生物燃料电池(mfcs)中进行强化生物产电工作；

5、步骤三：将流出物和新鲜污泥共混后，进行厌氧发酵产酸处理工作。

6、进一步的，在步骤一中，机械破碎预处理时：将污泥加入到球磨机中进行球磨处理在2400～2600rpm下剧烈冲击2小时，将机械破碎的污泥加入到离心管中以7900～8100rpm离心9～11min，然后收集上清液。

7、进一步的，在步骤一中，低温加热预处理时：将污泥在80～90℃温度下进行水浴加热28～32min，然后低温加热的污泥加入离心管中以7900～8100rpm离心9～11min，然后收集上清液。

8、进一步的，在步骤一中，冻融预处理时：将污泥在-24℃下预处理8小时；然后，在接下来的2小时内，在35℃下进行解冻，即一个操作周期，经过5个操作循环后将预处理后的污泥加入离心管中以7900～8100rpm离心9～11min，然后收集上清液。

9、进一步的，将三组预处理上清液分别加入微生物燃料电池中，以实现污泥源性氧化还原介体(内源介体)的收集；

10、微生物燃料电池(mfcs)均以分批进料模式运行，并以3d操作作为运行周期。

11、进一步的，微生物燃料电池(mfcs)阳极经壳聚糖固定化设计，增强了阳极微生物稳定性；微生物燃料电池包括阳极和阴极，微生物燃料电池阳极经壳聚糖固定化设计；微生物燃料电池包括阳极和阴极，所述微生物燃料电池反应器由聚甲基丙烯酸甲酯制成；微生物燃料电池两侧中的一侧设为进水端，另一侧设为出水端；疏水碳布作为空气阴极；碳布作为阳极，阳极使用壳聚糖进行固定化；阴阳极有一根钛丝穿过1k欧姆的电阻连接外电路。

12、进一步的，在步骤二中，将步骤一中的流出物加入离心管中以12050～12100rpm离心13～17min；将离心后相应的上清液分别加入到微生物燃料电池中(每个稳定运行循环约5.0ml)进行生物产电工作。

13、进一步的，所述微生物燃料电池均以分批进料模式运行，并以3d操作作为运行周期；在一个稳定的运行周期后，当输出电压小于0.05v时，收集微生物燃料电池(mfcs)中剩余的液体用于下一次探索。

14、进一步的，在步骤三中，厌氧发酵产酸处理工作过程中，厌氧容器中包含未经预处理的新鲜污泥、接种污泥和流出物，厌氧容器进行密封后，置于恒温摇床上，温度35±1℃，转速115～125r/min；发酵时间为7～9天。

15、进一步的，厌氧容器中未经预处理的新鲜污泥、接种污泥和流出物的体积比为7∶2∶1；所述接种污泥为其他厌氧发酵反应装置中的厌氧污泥。

16、本发明的技术效果和优点：

17、1、采用本发明中的方法，相比于外源电子穿梭机在使用后会完全丢失，无法再重复使用且外源性氧化还原介体的提取或获得不可避免地增加了总运营成本的弊端，基于微生物燃料电池获取污泥源氧化还原介体可以增强生物电发生和挥发性脂肪酸的产生，同步回收两种能源，同时污泥源性氧化还原介体(内源介体)分布于污泥固相中，污泥自身即是一个巨大的氧化还原介体库，具有巨大应用潜力；预处理上清液进入mfcs获取污泥源性氧化还原介体(内源介体)是核心技术点；污泥源性氧化还原介体(内源介体)用于强化有机质生物产电是核心技术点；污泥源性氧化还原介体(内源介体)用于强化厌氧发酵产挥发性脂肪酸是核心技术点；

18、2、本发明中，使用本方法获取内源介体后在微生物燃料电池中可提升39％的生物产电效率；使用本方法获取内源介体强化剩余污泥产酸发酵的乙酸可提升60％、丙酸可提升25％、丁酸可提升30％及戊酸可提升35％的转化效率，平均vfa强化效率为37.5％；使用本方法获取内源介体进行污泥厌氧发酵，剩余污泥的vs/ts减量效率可提升11.37％。

技术特征：

1.一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，其特征在于：具体方法步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，其特征在于：在步骤一中，机械破碎预处理时：将污泥加入到球磨机中进行球磨处理在2400～2600rpm下剧烈冲击2小时，将机械破碎的污泥以7900～8100rpm离心9～11min，然后收集上清液。

3.根据权利要求1所述的一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，其特征在于：在步骤一中，低温加热预处理时：将污泥在80～90℃温度下进行水浴加热28～32min，然后低温加热的污泥以7900～8100rpm离心9～11min，然后收集上清液。

4.根据权利要求1所述的一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，其特征在于：在步骤一中，冻融预处理时：将污泥在-24℃下预处理8小时；然后，在35℃下解冻2小时，即一个操作周期，经过5个操作循环后将预处理后的污泥以7900～8100rpm离心9～11min，然后收集上清液。

5.根据权利要求1所述的一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，其特征在于：在步骤一中，将三组预处理上清液分别加入微生物燃料电池中，以实现污泥氧化还原介体的收集；

6.根据权利要求1所述的一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，其特征在于：微生物燃料电池阳极经壳聚糖固定化设计；微生物燃料电池包括阳极和阴极，所述微生物燃料电池反应器由聚甲基丙烯酸甲酯制成；微生物燃料电池两侧中的一侧设为进水端，另一侧设为出水端；疏水碳布作为空气阴极；碳布作为阳极，阳极使用壳聚糖进行固定化；阴阳极有一根钛丝穿过1k欧姆的电阻连接外电路。

7.根据权利要求1所述的一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，其特征在于：在步骤二中，将步骤一中的流出物加入离心管中以12050～12100rpm离心13～17min；将离心后相应的上清液分别加入到微生物燃料电池中进行强化生物产电工作。

8.根据权利要求7所述的一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，其特征在于：所述微生物燃料电池均以分批进料模式运行，并以3d操作作为运行周期；在一个稳定的运行周期后，当输出电压小于0.05v时，收集微生物燃料电池中剩余的液体用于下一次探索。

9.根据权利要求1所述的一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，其特征在于：在步骤三中，厌氧发酵产酸处理工作过程中，厌氧容器中包含未经预处理的新鲜污泥、接种污泥和流出物，厌氧容器进行密封后，置于恒温摇床上，温度35±1℃，转速115～125r/min；发酵时间为7～9天。

10.根据权利要求9所述的一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，其特征在于：厌氧容器中未经预处理的新鲜污泥、接种污泥和流出物的体积比为7∶2∶1；所述接种污泥为其他厌氧发酵反应装置中的厌氧污泥。

技术总结
本发明公开了一种内源介体强化有机质生物产电及厌氧发酵产酸的方法，具体涉及污泥处理技术领域。本发明中基于微生物燃料电池获取污泥源氧化还原介体可以增强生物电发生和挥发性脂肪酸的产生，同步回收两种能源，同时污泥源性氧化还原介体可以在污泥固相中广泛富集，是一个巨大的氧化还原介体库，具有巨大应用潜力；预处理上清液进入MFCs获取污泥源性氧化还原介体；污泥源性氧化还原介体用于生物发电；污泥源性氧化还原介体用于厌氧发酵产挥发性脂肪酸；使用本方法获取污泥源氧化还原介体后在微生物燃料电池中可提升生物产电效率；使用本方法获取污泥源氧化还原介体强化剩余污泥产酸发酵的乙酸、丙酸、丁酸、戊酸的转化效率。

技术研发人员：辛晓东,谢嘉倩,李林娟,李威,吕斯濠
受保护的技术使用者：东莞理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15