申請日2016.05.06

　　公開(公告)日2016.07.27

　　IPC分類號C12P3/00; C02F11/00

　　摘要

　　本發(fā)明公開了一種利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，(1)以污水廠剩余污泥為接種物，利用雙室微生物燃料電池富集陽極產電菌，完成陽極微生物富集;(2)利用超聲波細胞粉碎機破解剩余污泥，得到預處理后的剩余污泥;(3)在10~15℃環(huán)境下，外加電壓0.5V，以預處理后的剩余污泥為底物，運行單室微生物電解池，實現剩余污泥產氫。本發(fā)明通過超聲破解剩余污泥，釋放出污泥胞外生物有機質，增強微生物對有機物的利用。在低溫環(huán)境下，剩余污泥的SS去除率為32.5%~50%，VSS去除率為15.9%~22.5%，TCOD去除率為22.5%~42.6%，實現了剩余污泥減量和穩(wěn)定，氫氣產率為0.029~0.043 m3 H2/(m3·d);實現了剩余污泥的資源化利用。

　　權利要求書

　　1.一種利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，包括以下步驟：

　　(1)以污水廠剩余污泥為接種物，利用雙室微生物燃料電池富集陽極產電菌，完成陽極微生物富集;

　　(2)利用超聲波細胞粉碎機破解剩余污泥，得到預處理后的剩余污泥;

　　(3)在10~15℃環(huán)境下，外加電壓0.5V，以預處理后的剩余污泥為底物，運行單室微生物電解池，實現剩余污泥產氫。

　　2.根據權利要求1所述的利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

　　步驟一、以污水處理廠剩余污泥為接種物，利用雙室微生物燃料電池富集陽極產電菌：將懸浮固體濃度為3.1~6.4g/L的剩余污泥與溶液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，記錄外電阻的電壓值，完成陽極微生物富集;

　　步驟二、利用超聲波細胞粉碎機破解剩余污泥，得到預處理后的剩余污泥：取懸浮固體濃度為3.1~6.4g/L的剩余污泥，對剩余污泥超聲處理，得到混合液D，完成剩余污泥的預處理;

　　步驟三、以預處理后的剩余污泥為底物，運行單室微生物電解池實現產氫：將步驟一完成的陽極轉移至單室微生物電解池，作為陽極，陰極為載鉑碳布;單室微生物電解池中依次加入：混合液D、3.6mL的溶液E、1.5mL的溶液F，在兩極間串聯10Ω電阻和0.5V直流穩(wěn)壓電源，完成產氫。

　　3.根據權利要求2所述的利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，其特征在于：步驟一和步驟三的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，陰極為不防水的碳布電極;使用之前，石墨纖維刷電極和碳布電極依次在丙酮、乙醇和純水中超聲清洗10min，隨后在450℃下高溫處理30min。

　　4.根據權利要求2所述的利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，其特征在于：步驟一和步驟三均在10~15℃低溫條件下運行。

　　5.根據權利要求2所述的利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，其特征在于：步驟一中，接種物與溶液A按1:2的比例混合得到混合液B。

　　6.根據權利要求2所述的利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，其特征在于：步驟二中，在2W/mL聲能密度和20kHz工作頻率下，對剩余污泥超聲處理5min。

　　7.根據權利要求2所述的利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，其特征在于：溶液A成分為每升去離子水中包含：NaAc1.5g、KH2PO42.4145g、K2HPO4·3H2O7.3539g、NH4Cl0.31g、KCl0.13g;

　　溶液C成分為每升去離子水中包含：KH2PO42.4145g、K2HPO4·3H2O7.3539g、NH4Cl0.31g、KCl0.13g;

　　根據權利要求2所述的利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，其特征在于：溶液E成分為每升去離子水中包含：三乙酸1.5g、MgSO4·7H2O3.0g、MnSO4·2H2O0.5g、NaCl1.0g、FeSO4·7H2O0.1g、CoCl20.1g、CaCl2·2H2O0.1g、ZnSO40.1g、CuSO4·5H2O0.01g、AlK(SO4)20.01、H3BO30.01g、Na2MoO40.025g、NiCl·6H2O0.024g;

　　溶液F成分為每升去離子水中包含：生物素2mg、葉酸2mg、維生素B610mg、維生素B15mg、維生素B25mg、煙酸5mg、泛酸鈣5mg、維生素B120.1mg、4-氨基苯甲酸5mg、硫辛酸5mg。

　　說明書

　　一種利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法

　　技術領域

　　本發(fā)明涉及一種低溫條件下利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，尤其是一種在低溫條件下利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法。

　　背景技術

　　剩余污泥是城鎮(zhèn)污水處理廠的副產物，其成分包括泥砂、纖維、膠體、有機質、微生物和金屬元素等，未經處理的剩余污泥直接排放將對環(huán)境造成二次污染。

　　剩余污泥通常采用濃縮-脫水的處理工藝，未經穩(wěn)定的脫水污泥在后續(xù)的處置過程中將會對人體健康造成危害。常用的污泥處置技術有衛(wèi)生填埋、干化焚燒、生產建材等，雖然實現了無害化，但是技術的弊端也很明顯：衛(wèi)生填埋場所選址困難，脫水污泥含水率高，對填埋場的土力結構產生不良影響，容易給土壤帶來二次污染;干化焚燒需要添加燃料，產生的煙塵尤其是其中的二噁英，造成大氣污染;污泥加工成建材不僅需要當地有生產企業(yè)，而且成本較高、消納量有限。

　　厭氧消化是實現剩余污泥生產清潔能源的主要途徑之一，即在無氧環(huán)境下利用厭氧菌降解污泥中有機質，產生沼氣。但是，剩余污泥厭氧發(fā)酵的主要末端產物是揮發(fā)酸，微生物無法利用這類物質繼續(xù)產氣，造成殘留在揮發(fā)酸中能量的浪費。

　　通過微生物電解池技術，施加微小電壓就可以實現上述小分子酸的繼續(xù)產氫，因此，將同是厭氧操作的微生物電解池技術和厭氧消化技術聯用極具前景。因為污泥絮體的主要成分——胞內物質和胞外聚合物難以被產電菌利用，而且在低溫條件下污泥的水解速率很慢，因此，增強低溫環(huán)境時剩余污泥的水解效果和強化電化學產氫是必要的。

　　發(fā)明內容

　　目的：為了克服現有技術中存在的不足，克服低溫條件下，微生物電解池利用剩余污泥產氫難的問題，本發(fā)明提供一種利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，增強低溫條件下剩余污泥的水解速率和強化微生物電解池產氫。

　　技術方案：為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：

　　一種利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，包括以下步驟：

　　(1)以污水廠剩余污泥為接種物，利用雙室微生物燃料電池富集陽極產電菌，完成陽極微生物富集;

　　(2)利用超聲波細胞粉碎機破解剩余污泥，得到預處理后的剩余污泥;

　　(3)在10～15℃環(huán)境下，外加電壓0.5V，以預處理后的剩余污泥為底物，運行單室微生物電解池，實現剩余污泥產氫。

　　具體包括以下步驟：

　　步驟一、以污水處理廠剩余污泥為接種物，利用雙室微生物燃料電池富集陽極產電菌：將懸浮固體濃度為3.1～6.4g/L的剩余污泥與溶液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，記錄外電阻的電壓值，當最大電壓趨于穩(wěn)定時，更換混合液B和溶液C，如果最大電壓穩(wěn)定重現3個周期，則陽極微生物富集完成;

　　步驟二、利用超聲波細胞粉碎機破解剩余污泥，得到預處理后的剩余污泥：取懸浮固體濃度為3.1～6.4g/L的剩余污泥，對剩余污泥超聲處理，得到混合液D，完成剩余污泥的預處理;

　　步驟三、以預處理后的剩余污泥為底物，運行單室微生物電解池實現產氫：將步驟一完成的陽極轉移至單室微生物電解池，作為陽極，陰極為載鉑碳布(鉑含量0.5mg/cm2);單室微生物電解池中依次加入：混合液D、3.6mL的溶液E、1.5mL的溶液F，在兩極間串聯10Ω電阻和0.5V直流穩(wěn)壓電源，完成產氫。

　　作為優(yōu)選方案，步驟一和步驟三的陽極均為大絲束石墨纖維絲(24K)纏繞在鈦絲上制成的石墨纖維刷電極，陰極為不防水的碳布電極;使用之前，石墨纖維刷電極和碳布電極依次在丙酮、乙醇和純水中超聲清洗10min，隨后在450℃下高溫處理30min。

　　步驟一和步驟三均在10～15℃低溫條件下運行。

　　作為優(yōu)選方案，步驟一中，接種物與溶液A按1:2的比例混合得到混合液B。

　　作為優(yōu)選方案，步驟二中，在2W/mL聲能密度和20kHz工作頻率下，對剩余污泥超聲處理5min。

　　作為優(yōu)選方案，所述的利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，其特征在于：溶液A成分為每升去離子水中包含：NaAc1.5g、KH2PO42.4145g、K2HPO4·3H2O7.3539g、NH4Cl0.31g、KCl0.13g;

　　溶液C成分為每升去離子水中包含：KH2PO42.4145g、K2HPO4·3H2O7.3539g、NH4Cl0.31g、KCl0.13g;

　　溶液E成分為每升去離子水中包含：三乙酸1.5g、MgSO4·7H2O3.0g、MnSO4·2H2O0.5g、NaCl1.0g、FeSO4·7H2O0.1g、CoCl20.1g、CaCl2·2H2O0.1g、ZnSO40.1g、CuSO4·5H2O0.01g、AlK(SO4)20.01、H3BO30.01g、Na2MoO40.025g、NiCl·6H2O0.024g;

　　溶液F成分為每升去離子水中包含：生物素2mg、葉酸2mg、維生素B610mg、維生素B15mg、維生素B25mg、煙酸5mg、泛酸鈣5mg、維生素B120.1mg、4-氨基苯甲酸5mg、硫辛酸5mg。

　　有益效果：與現有技術相比，本發(fā)明提供的利用微生物電解池實現剩余污泥產氫的方法，通過超聲破解剩余污泥，釋放出污泥胞外生物有機質，增強微生物對有機物的利用。優(yōu)點在于：1、在450℃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糙度和表面積，有利于陽極產電菌的附著和陰極催化劑的涂覆;2、在2W/mL的超聲聲能密度下，釋放了污泥胞內物質，破解了胞外聚合物，顯著增加了溶解性有機物濃度，有利于微生物在低溫條件下的利用，從而實現剩余污泥的降解和有機物去除，在低溫(10～15℃)環(huán)境下，剩余污泥的SS(懸浮固體)去除率為32.5%～50%，VSS(揮發(fā)性懸浮固體)去除率為15.9%～22.5%，TCOD(總化學需氧量)去除率為22.5%～42.6%，實現了剩余污泥減量和穩(wěn)定;3、采用單室結構降低微生物電解池內阻，這些措施增強了微生物電解池低溫產氫效能，氫氣產率為0.029～0.043m3H2/(m3·d);實現了剩余污泥的資源化利用。