一种基于铁氧化物厌氧颗粒污泥微生物电化学系统生产甲烷的方法与流程

1.本发明涉及微生物电化学系统技术领域，特别涉及一种基于铁氧化物厌氧颗粒污泥微生物电化学系统生产甲烷的方法。


背景技术：

2.通过厌氧消化可将有机废弃物分解转化成清洁能源甲烷，实现资源化利用。但有机废弃物在厌氧消化过程中产生的挥发性脂肪酸极易积累并抑制产甲烷菌的活性，使得现有厌氧消化系统普遍存在稳定性差，消化效率低等问题。
3.微生物电化学系统(mec)不仅可以通过传统的耗乙酸产甲烷和耗氢产甲烷途径产生甲烷，而且还可以通过外加电场驱动生物阴极还原co2产甲烷。即mec反应器中阳极的微生物(如电活性微生物，geobacter)将有机物分解产生co2、h

和电子，电子通过外电路传递到阴极与co2和h

反应产生ch4。微生物电化学系统阴极co2捕获的电子来源于阳极氧化有机物产生的电子，因此微生物电化学系统既可以促进复杂有机物的分解，又可以提高产甲烷效率。
4.新近研究表明添加铁氧化物可以取代厌氧消化系统中的h2和甲酸盐，充当电子管道，在产甲烷菌和产酸菌之间建立稳定的电子转移链，使电子通过铁氧化物直接从细菌传递到甲烷菌，发生直接种间电子传递产甲烷过程。但铁氧化物微生物附着性较差，直接投加将会导致聚集、分布不均等缺陷，极大地影响了它与微生物的接触面积，限制了其在微生物电化学系统中的应用。


技术实现要素：

5.鉴于此，本发明目的在于提供一种基于铁氧化物厌氧颗粒污泥微生物电化学系统生产甲烷的方法，本发明提供的方法能够有效利用铁氧化物种间电子传递，提高微生物电化学系统甲烷的产量。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.本发明提供了一种基于铁氧化物厌氧颗粒污泥微生物电化学系统生产甲烷的方法，包括以下步骤：
8.(1)将厌氧颗粒污泥、铁氧化物和培养液混合，进行孵育，得到铁氧化物厌氧颗粒污泥，所述培养液的成分包括无机盐、微量元素和有机碳源；
9.(2)构建微生物电化学系统，所述微生物电化学系统包括阳极、阴极、隔膜、阳极电解液和阴极电解液，所述微生物电化学系统的阳极和/或阴极接种所述铁氧化物厌氧颗粒污泥；
10.(3)对所述微生物电化学系统施加外电压，进行预运行；
11.(4)以梯度浓度比例的乙酸和乙醇作为阳极底物、以碳酸氢钠作为阴极底物，对预运行后的微生物电化学系统进行微生物驯化，得到驯化微生物电化学系统；
12.(5)以有机物原料作为阳极底物，以碳酸氢钠作为阴极底物，进行有机物降解，在阳极和阴极获得甲烷。
13.优选的，所述步骤(1)中的无机盐包括nh4hco3、kh2po4、nahco3和cacl2；所述微量元素包括ni、mn、fe、zn、b、mo、co和cu；所述有机碳源包括甲酸盐、乙酸盐和葡萄糖中的一种或几种。
14.优选的，所述步骤(1)厌氧颗粒污泥、铁氧化物和培养液的混合液中，所述厌氧颗粒污泥的浓度为4～12gvs/l；
15.所述铁氧化物的浓度为40～80mmol/l。
16.优选的，所述步骤(2)中，所述阳极电解液的成分包括磷酸缓冲液、微量元素和有机酸盐；所述阴极电解液的成分包括磷酸缓冲液、微量元素和碳酸氢钠。
17.优选的，所述阳极电解液中，所述有机酸盐为乙酸钠、丙酸钠中的一种或几种，所述有机酸盐的浓度为500～1000mg/l；
18.所述阴极电解液中，所述碳酸氢钠的浓度为500～1000mg/l。
19.优选的，所述步骤(2)中，铁氧化物厌氧颗粒污泥的接种量为15～30gvs/l。
20.优选的，所述步骤(3)中预运行的外加电压为0.6～1.0v，运行温度为30～40℃，单个预运行周期的水力停留为2～4天；所述预运行的周期为3～4个周期。
21.优选的，所述步骤(4)中微生物驯化的温度为30～40℃，单个微生物驯化周期的水利停留时间为2～4天，微生物驯化的周期为3～4个周期。
22.优选的，所述步骤(4)中，乙酸与乙醇的质量比为2:1、1:1和1:2。
23.优选的，所述步骤(5)中，有机物原料为葡糖糖、纤维素和蛋白质中的一种或几种；所述有机物原料的浓度为1000～6000mg/l。
24.本发明提供了一种基于铁氧化物厌氧颗粒污泥微生物电化学系统生产甲烷的方法，包括以下步骤：(1)将厌氧颗粒污泥、铁氧化物和培养液混合，进行孵育，得到铁氧化物厌氧颗粒污泥，所述培养液的成分包括无机盐、微量元素和有机碳源；(2)构建微生物电化学系统，所述微生物电化学系统的阳极和/或阴极接种所述铁氧化物厌氧颗粒污泥；(3)对所述微生物电化学系统施加外电压，进行预运行；(4)以梯度浓度比例的乙酸和乙醇作为阳极底物、以碳酸氢钠作为阴极底物，对预运行后的微生物电化学系统进行微生物驯化，得到驯化微生物电化学系统；(5)以有机物原料作为阳极底物，以碳酸氢钠作为阴极底物，进行有机物降解，在阳极和阴极获得甲烷。本发明先将厌氧颗粒污泥、铁氧化物和培养液进行孵育，能够将铁氧化物直接附着到厌氧颗粒的微生物细胞上，有效解决了铁氧化物微生物附着性差、易聚集、分布不均的特点，极大增加了铁氧化物与微生物的接触面积，提高了厌氧消化过程中产酸菌与产甲烷菌之间的电子传递效率。本发明以铁氧化物厌氧颗粒污泥充当微生物电化学系统的电极，解决了微生物电化学系统电极与微生物接触面积小的局限性，提高种间电子传递效率。实施例结果表明，本发明提供的基于铁氧化物厌氧颗粒污泥微生物电化学系统生产甲烷的方法能够明显提升甲烷产量，与普通厌氧颗粒污泥做电极相比，本发明能够将甲烷产量提升11.76～29.59％，显著增加了微生物电化学系统在有机物厌氧消化产甲烷方面的应用。
25.同时，本发明提供的方法操作简单，易于实现工业化生产。
附图说明
26.图1为不同培养时间下铁氧化物颗粒污泥中fe的负载量；
27.图2为厌氧颗粒污泥的扫描电镜图；
28.图3为铁氧化物厌氧颗粒污泥的扫描电镜图；
29.图4为实施例1～2和对比例1的甲烷产量。
具体实施方式
30.本发明提供了一种基于铁氧化物厌氧颗粒污泥微生物电化学系统生产甲烷的方法，包括以下步骤：
31.(1)将厌氧颗粒污泥、铁氧化物和培养液混合，进行孵育，得到铁氧化物厌氧颗粒污泥，所述培养液的成分包括无机盐、微量元素和有机碳源；
32.(2)构建微生物电化学系统，所述微生物电化学系统包括阳极、阴极、隔膜、阳极电解液和阴极电解液，所述微生物电化学系统的阳极和/或阴极接种所述铁氧化物厌氧颗粒污泥；
33.(3)对所述微生物电化学系统施加外电压，进行预运行；
34.(4)以梯度浓度比例的乙酸和乙醇作为阳极底物、以碳酸氢钠作为阴极底物，对预运行后的微生物电化学系统进行微生物驯化，得到驯化微生物电化学系统；
35.(5)以有机物原料作为阳极底物，以碳酸氢钠作为阴极底物，进行有机物降解，在阳极和阴极获得甲烷。
36.本发明将厌氧颗粒污泥、铁氧化物和培养液混合，进行孵育，得到铁氧化物厌氧颗粒污泥。在本发明中，所述厌氧颗粒污泥来自有机物废水处理产生的絮状污泥，所述有机物废水优选为含有淀粉、酒精、造纸或柠檬酸的废水。在本发明中，所述厌氧颗粒污泥、铁氧化物和培养液的混合液中，所述厌氧颗粒污泥的浓度优选为4～12gvs/l，更优选为6～10gvs/l。
37.在本发明中，所述铁氧化物优选为水合铁氧化物。在本发明中，所述铁氧化物优选为feooh、fe2o3、fe3o4。在本发明中，所述铁氧化物的浓度优选为40～80mmol/l，更优选为50～60mmol/l。
38.在本发明中，所述培养液的成分包括无机盐、微量元素和有机碳源。在本发明中，所述无机盐优选包括nh4hco3、kh2po4、nahco3和cacl2；在本发明中，所述nh4hco3的浓度优选为450～500mg/l，更优选为460～480mg/l、所述kh2po4的浓度优选为60～80mg/l，更优选为70mg/l、所述nahco3的浓度优选为500～1000mg/l，更优选为600～800mg/l、所述cacl2的浓度优选为6～8mg/l，更优选为7mg/l。
39.在本发明中，所述微量元素优选包括ni、mn、fe、zn、b、mo、co和cu。作为本发明中，所述含微量元素的化合物优选为nicl2、mncl2、fecl2、zncl2、h3bo3、na2moo4、cocl2和cuso4。在本发明中，所述微量元素的浓度优选为：nicl2＝450～500μg/l，更优选为460～480μg/l、mncl2＝450～500μg/l，更优选为460～480μg/l、fecl2＝450～500μg/l，更优选为460～480μg/l、zncl2＝80～100μg/l，更优选为90μg/l、h3bo3＝80～100μg/l，更优选为90μg/l、na2moo4＝40～60μg/l，更优选为50μg/l、cocl2＝40～60μg/l，更优选为50μg/l、cuso4＝5～7μg/l，更优选为6μg/l。
40.在本发明中，所述有机碳源优选包括甲酸盐、乙酸盐和葡萄糖中的一种或几种。在本发明中，所述甲酸盐优选为甲酸钠、所述乙酸盐优选为乙酸钠。在本发明中，所述有机碳源的浓度优选为2000～4000mg/l，更优选为2500～3500mg/l。
41.本发明对所述混合的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的如搅拌混合。
42.在本发明中，所述孵育优选在恒温摇床中进行。在本发明中，所述孵育的温度优选为30～40℃，更优选为35℃；时间优选为1～5天，更优选为2～4天。
43.在本发明中，铁氧化物具有良好的导电性能，它不仅能作为导电材料有效促进厌氧颗粒污泥中产酸菌与产甲烷菌之间的直接种间电子传递过程，还能补充微生物胞外分泌的omcs细胞色素在微生物之间构建起直接种间电子传递的通道，提高有机物厌氧消化的产甲烷效率。在本发明中，所述孵育的过程中，铁氧化物直接附着到厌氧颗粒的微生物细胞上，有效解决了铁氧化物微生物附着性差、易聚集、分布不均的缺点，极大增加了铁氧化物与微生物的接触面积，提高了厌氧消化过程中产酸菌与产甲烷菌之间的电子传递效率。
44.得到所述铁氧化物厌氧颗粒污泥后，本发明构建微生物电化学系统，所述微生物电化学系统包括阳极、阴极、隔膜、阳极电解液和阴极电解液，所述微生物电化学系统的阳极和/或阴极接种所述铁氧化物厌氧颗粒污泥。在本发明中，所述微生物电化学系统的阳极优选为石墨，所述石墨优选为石墨毡。
45.在本发明中，所述微生物电化学系统的隔膜优选为质子交换膜。在本发明中，所述隔膜将微生物电化学系统分隔出阳极室和阴极室；所述阳极室内含有阳极电解液，所述阴极室内含有阴极电解液。在本发明中，所述微生物电化学系统的阳极电解液成分包括磷酸缓冲液、微量元素和有机酸盐；阴极电解液成分包括磷酸缓冲液、微量元素和碳酸氢钠。
46.在本发明中，所述阳极电解液中，所述磷酸缓冲液的成分优选包括na2hpo4、nah2po4、nh4cl和kcl。在本发明中，所述na2hpo4的浓度优选为4.09g/l、所述nah2po4的浓度优选为2.54g/l、所述nh4cl的浓度优选为0.31g/l、所述kcl的浓度优选为0.13g/l。
47.在本发明中，所述微量元素的种类和浓度优选与步骤(1)培养液中微量元素的种类和浓度相同，在此不再赘述。
48.在本发明中，所述有机酸盐为乙酸钠和/或丙酸钠，所述有机酸盐的浓度优选为500～1000mg/l，更优选为600～800mg/l。
49.在本发明中，所述阴极电解液中，所述磷酸缓冲液、微量元素的种类和浓度与阳极电解液中磷酸缓冲液、微量元素的种类和浓度相同，在此不再赘述。
50.在本发明中，所述碳酸氢钠的浓度优选为500～1000mg/l，更优选为800～1000mg/l。
51.在本发明中，所述铁氧化物厌氧颗粒污泥的含量优选为15～30gvs/l，更优选为20～25gvs/l。
52.在本发明中，当微生物电化学系统的阳极或阴极不接种铁氧化物厌氧颗粒污泥时，本发明优选在不接种铁氧化物厌氧颗粒污泥的电极上接种普通厌氧颗粒污泥。在本发明中，所述普通厌氧颗粒污泥的含量优选为15～30gvs/l，更优选为20～25gvs/l。
53.本发明对所述微生物电化学系统施加外电压，进行预运行。在本发明中，所述预运行的外加电压优选为0.6～1.0v，更优选为0.8～0.9v；运行温度优选为30～40℃，更优选为
35℃；单个预运行周期的水力停留优选为2～4天，更优选为3天；所述预运行的周期优选为3～4个周期。在本发明中，所述预运行的目的是启动微生物电化学反应系统。
54.所述预运行后，本发明以梯度浓度比例的乙酸和乙醇作为阳极底物、以碳酸氢钠作为阴极底物，对预运行后的微生物电化学系统进行微生物驯化，得到驯化微生物电化学系统。在本发明中，所述梯度浓度比例的乙酸和乙醇优选为：质量比为2:1、1:1和1:2的乙酸和乙醇。在本发明中，所述梯度浓度比例的乙酸和乙醇的浓度具体优选包括：1000mg/l:500mg/l的乙酸和乙醇、500mg/l:500mg/l的乙酸和乙醇、500mg/l:1000mg/l的乙酸和乙醇。
55.在本发明中，所述碳酸氢钠的浓度优选为500～1000mg/l，更优选为800～1000mg/l。
56.在本发明中，所述微生物驯化的温度优选为30～40℃，更优选为35℃；单个微生物驯化周期的水利停留时间优选为2～4天，更优选为3天；微生物驯化的周期优选为3～4个周期。本发明通过所述微生物驯化，能够在铁氧化物厌氧颗粒污泥中富集电活性微生物。
57.所述微生物驯化后，本发明以有机物原料作为阳极底物，以碳酸氢钠作为阴极底物，进行有机物降解，在阳极和阴极获得甲烷。
58.在本发明中，所述有机物原料优选为葡糖糖、纤维素和蛋白质中的一种或几种；所述有机物原料的浓度优选为1000～6000mg/l，更优选为2000～5000mg/l。
59.在本发明中，所述有机物降解在无氧条件下进行，本发明优选使用氮气对微生物电化学系统进行吹扫排氧。在本发明中，所述有机物降解的温度优选为30～40℃，更优选为35℃。
60.下面结合实施例对本发明提供的基于铁氧化物厌氧颗粒污泥微生物电化学系统生产甲烷的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
61.实施例1
62.按如下成分配制微量元素溶液：nicl2·
6h2o＝500mg/l、mncl2·
4h2o＝500mg/l、fecl2·
4h2o＝500mg/l、zncl2·
7h2o＝100mg/l、h3bo3＝100mg/l、na2moo4·
2h2o＝50mg/l、cocl2·
6h2o＝50mg/l、cuso4·
5h2o＝5mg/l。
63.按照如下成分配制培养液：nh4hco3(460mg/l)、kh2po4(70mg/l)、nahco3(1000mg/l)、cacl2(7.5mg/l)，葡萄糖(2500mg/l)、乙酸钠(20mm)以及1ml/l的微量元素溶液。
64.基于铁氧化物厌氧颗粒污泥微生物电化学系统生产甲烷的方法如下：
65.(1)铁氧化物厌氧颗粒污泥的培养：
66.取柠檬酸废水处理厂的厌氧颗粒污泥(记为angss)，用磷酸盐缓冲液清洗，置于500ml葡萄糖瓶中，使污泥浓度为6gvs/l，加入碳源葡萄糖、电子供体乙酸钠、水合铁氧化物和无机盐培养液，水合铁氧化物浓度为60mm，fe与污泥混合液生物量浓度比为1:1，反应器有效体积为300ml，调节反应器ph为7，在35℃恒温摇床培养1～5天，即得到铁氧化物颗粒污泥(记为fe-angss)。
67.不同培养时间下铁氧化物颗粒污泥中fe的负载量如图1所示。由图1可以看出，当培养时间为3天时，fe的负载量最多。
68.其中，厌氧颗粒污泥的扫描电镜(sem)图如图2所示，铁氧化物厌氧颗粒污泥的扫描电镜(sem)图如图3所示。由图2、3可以看出，相比普通颗粒污泥表面呈现的片状结构，fe-angss表面多为球、秆结构，说明铁氧化物被负载到了颗粒污泥中。
69.(2)微生物电化学系统的构建：
70.微生物电化学系统采用双室微生物电解池(mec)，有效体积为200ml，阳极为石墨毡，阴极为上述培养3天的铁氧化物厌氧颗粒污泥，添加量为20gvs/l；阳极接种厌氧颗粒污泥，添加量为20gvs/l，两室之间用质子交换膜隔开。阳极室添加磷酸缓冲液、微量元素和乙酸钠500mg/l，阴极室添加磷酸缓冲液、微量元素和碳酸氢钠1000mg/l，设置外加电压0.6～1.0v，反应温度35℃，水力停留4天，进行反应器启动。
71.(3)直接种间电子传递微生物驯化：
72.反应器启动运行稳定后阳极分别用乙酸：乙醇为2:1(1000mg/l:500mg/l)、1:1(500mg/l:500mg/l)、1:2(500mg/l:1000mg/l)，阴极用碳酸氢钠(1000mg/l)进行直接种间电子传递微生物驯化，驯化温度为35℃，水利停留时间为4天，运行周期数为3次。
73.(4)微生物电化学系统有机物生产甲烷：
74.阳极添加葡萄糖模拟有机废水在mec体系中的厌氧消化过程，添加浓度为2000mg/l，同时添加磷酸盐缓冲液和微量元素。用氮气对反应器进行吹扫排氮后在35℃添加进行厌氧消化实验，并收集阳极和阴极产生的气体，测定甲烷含量，同时通过外电路电流计算直接种间电子传递产甲烷量。
75.实施例2
76.本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于步骤(2)中微生物电解池(mec)阳极为石墨毡 铁氧化物厌氧颗粒污泥，阴极为普通厌氧颗粒污泥。
77.对比例1
78.与实施例1的区别在于，阴极为普通厌氧颗粒污泥，阳极为石墨毡 普通厌氧颗粒污泥。
79.实施例1～2和对比例1的甲烷产量如表1所示和图4所示。
80.表1实施例1～2和对比例1的甲烷产量
[0081][0082]
可以看出，与普通厌氧颗粒污泥做阴极相比，铁氧化物厌氧颗粒污泥充当阴极时，阴极累积甲烷产量提高了14.10％，直接种间电子传递甲烷产量提高了29.23％；铁氧化物厌氧颗粒污泥充当阳极时，阳极累积甲烷产量提高了13.67％，直接种间电子传递甲烷产量提高了29.59％。
[0083]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。