一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的方法技术

本发明专利技术公开了一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的方法，其特点是在厌氧膜生物反应器基础上通过引入碳点，联合生物电耦合厌氧膜生物反应器协同强化污泥的甲烷转化并增强厌氧膜反应器的抗膜污染能力。处理方法包括：污泥的预处理、碳点耦合生物微电流调控、有机物降解同步甲烷转化厌氧膜生物反应等步骤。本发明专利技术与现有技术相比具有明显增强甲烷转化效率，缓解膜污染，促进有机物水解进程，增强微生物种群多样性和协同作用等优势，实现了有机固废的高效能源转化，较好地解决了污泥甲烷转化率低和厌氧膜反应器膜污染严重的问题，且具较为广泛的产业化应用前景。具较为广泛的产业化应用前景。具较为广泛的产业化应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的方法
[0001]

[0002]本专利技术涉及有机固废厌氧膜生物能源转化处理和生物电化学
，尤其是一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的方法。

技术介绍

[0003]有机固废的高效转化和循环利用是解决全球环境污染、能源短缺和资源缺乏的重要手段。厌氧发酵具有集中高效、环境友好、能源再生的特点，是实现固废资源化、处置无害化的重要实现手段。废水污泥和餐厨垃圾是有机固废的重要组成，两者协同进行厌氧共消化，能克服单基质发酵的弊端，更好地平衡C/N比并促进体系稳定，是更具有潜力的处理方式。然而在实践应用中，厌氧发酵往往存在停留周期长，操作复杂，消化表现不稳定等弊端，因此，亟需对现有的厌氧发酵工艺进行改进优化。
[0004]厌氧膜生物反应器是厌氧处理工艺中新兴的装置手段，凭借其膜材料的细小孔径对大分子物质的截留作用，实现水力停留时间与固体停留时间的完全分离。与传统厌氧工艺相比，厌氧膜生物反应器具有发酵过程稳定、能耗较低、处理效果提升等优势。但是，厌氧膜生物反应器一般应用于高浓度有机废水的处理，其处理有机固废的启动时间仍然较长，运行成本较高。此外，单策略调控下甲烷转化率低也是制约其进一步发展的关键因素。因此，为节约成本，提高该工艺的效率和利润，需要引入多策略调控。
[0005]中国专利《一种折流板式厌氧膜生物反应器系统》（授权公告号CN207537216U，授权公告日2018.06.26）提出一种利用折流板分隔的膜生物反应器，通过延长反应流程，在各个隔室内形成污泥和有机物浓度梯度，降低了最终与膜组件接触的污泥混合液浓度，提高厌氧反应的效率，并且降低了运行的洗膜成本。其缺点在于反应器占地面积较大，折板结构制造复杂，成本较高。
[0006]中国专利《预处理
‑
EGSB
‑
微生物电化学联合的剩余污泥降解装置及方法》（授权公告号CN 105541059 B，授权公告日2017.10.24）提出了一种微生物电化学耦合膨胀颗粒污泥床的污泥处理工艺，通过将污泥进行厌氧消化和破碎，形成含有固体颗粒的高浓度有机废水；高浓度有机废水被EGSB厌氧颗粒污泥降解，再经微生物电化学系统进一步处理废水，从而使废水达标排放。其缺点在于，EGSB启动时间长，颗粒污泥培养困难；微生物电化学仅作用于水相，对微生物促进作用有限；生物气产量缺少数据支持，不适合商业应用。
[0007]中国专利《一种采用碳量子点作为促进剂提高厌氧发酵产气的方法》（授权公告号CN 107604011 B，授权公告日2020.07.31）提出一种以柠檬酸钠水溶液和乙二胺为原料制得的碳量子点方法，在投加量为1.0 g/L的条件下，甲烷总产量较对照组提高14.8%。其缺点在于，投加碳量子点后的甲烷产量提效有限，当投加量为0.1 g/L时，甲烷的总产有减小趋势，实用性欠缺。
[0008]中国专利《一种一体化抗膜污染的膜生物反应器》（授权公告号CN203807301U，授
权公告日2014.09.03）提出了一种集成化抗膜污染的膜生物反应器，通过设置动力与控制区、高效前处理区、膜生物处理区控制膜污染。该方法内置聚丙烯半软性球状填料箱，把微生物和膜污染物转移到填料，并集成了超声波清洗装置，保持膜面清洁。缺点在于反应器维护复杂，能源需求较高。
[0009]综上，现有技术存在工艺结构复杂，维护难度高，处理效果有限，投资运行成本较高，难以投入规模化应用的缺陷。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的方法，其特点是在厌氧膜生物反应器基础上通过引入碳点，联合生物电耦合厌氧膜生物反应器协同强化污泥的甲烷转化并增强厌氧膜反应器的抗膜污染能力。处理方法包括：污泥的预处理、碳点耦合生物微电流调控、有机物降解同步甲烷转化厌氧膜生物反应等步骤。本专利技术与现有技术相比具有明显增强甲烷转化效率，缓解膜污染，促进有机物水解进程，增强微生物种群多样性和协同作用等优势，实现了有机固废的高效能源转化，不仅较好地解决了污泥甲烷转化率低和厌氧膜反应器膜污染严重的问题，而且具有工艺流程简易，设备价格低廉，具较为广泛的产业化应用前景的优势。
[0011]实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的方法，特点是该方法具体包括以下步骤：（一）污泥的预处理污泥预处理阶段，以餐厨垃圾作为污泥调理剂，并添加用以接种微生物的接种污泥；污泥取自某市生活污水处理厂二沉池的废水污泥，餐厨垃圾取自某食堂，接种污泥取自稳定运行2
‑
4年的连续搅拌厌氧反应器的消化污泥，三者在转速200
‑
300 rpm的磁力搅拌机中均质搅拌1
‑
1.5小时，以按照初始废水污泥、餐厨垃圾和接种污泥的挥发性固体含量比1:1:1配比混合作为厌氧发酵进程的基质，用0.8
‑
1.2 mol/L HCl或0.8
‑
1.2 mol/L NaOH分别调pH至7.0
±
0.2；随后使用高温加热装置对配比基质进行热水解预处理4
‑
6小时，其加热温度为160
‑
200 ℃；（二）碳点耦合生物微电流调控将预处理后的基质连续加入厌氧膜生物反应器中，并向基质内投加碳点，以所述基质的总体积计，选择投加的碳点浓度为0.5
‑
1.0 g/L，优选的，投加浓度为1.0 g/L；将三相电势恒定仪与厌氧膜生物反应器内膜组件通过钛丝相连，用于外部微电流调控，通过高灵敏电势电流在线记录仪监测电势电流变化，选择施加的电势为0.6
‑
1.0 V，优选的，施加电势选择0.8 V；（三）有机物降解同步甲烷转化厌氧膜生物反应在厌氧膜生物反应器顶部气体通道口通入速率为300
‑
500 mL/min的高纯氮气0.5
‑
1.5小时以保证瓶内的厌氧环境；通过恒温水浴装置控制厌氧发酵反应的温度恒定在37.5
±
0.5 ℃，以提供适宜厌氧微生物生长的活动环境；通过反应基质内和富集于膜组件上的微生物作用将污泥转化为高值生物气甲烷，其产生的生物气由气体通道口排出存储，其清液由出水口排出；通过连接在厌氧膜生物反应器一侧的生物气内循环装置间歇曝气，
用于加速发酵液流态化；通过安装在反应器顶部的湿式气体流量计和气相色谱仪追踪甲烷产生情况；利用连接在反应器内部膜组件上的压力传感器记录膜组件的透膜压差的变化以表征膜污染缓解情况。
[0012]所述碳点为柠檬酸热解制备得到的碳点。
[0013]所述碳点的制备方法包括以下步骤：将柠檬酸投加至去离子水溶液中混合均匀，并使用磁力搅拌器搅拌1
‑
2小时使混合均匀，将所得混合液转移至内衬聚四氟乙烯的高压釜，在鼓风干燥箱中160
‑
200 ℃加热10
‑
12小时；自然冷却至室温，将母液取出并将其通过0.22 μm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：a、污泥的预处理污泥预处理阶段，以餐厨垃圾作为污泥调理剂，并添加用以接种微生物的接种污泥；污泥取自某市生活污水处理厂二沉池的废水污泥，餐厨垃圾取自某食堂，接种污泥取自稳定运行2
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4年的连续搅拌厌氧反应器的消化污泥，三者在转速200
‑
300 rpm的磁力搅拌机中均质搅拌1
‑
1.5小时，以按照初始废水污泥、餐厨垃圾和接种污泥的挥发性固体含量比1:1:1配比混合作为厌氧发酵进程的基质，用0.8
‑
1.2 mol/L HCl或0.8
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1.2 mol/L NaOH分别调pH至7.0
±
0.2；随后使用高温加热装置对所述基质进行热水解预处理4
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6小时，其加热温度为160
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200 ℃；b、碳点耦合生物微电流调控将预处理后的基质连续加入厌氧膜生物反应器中，并向基质内投加碳点，以所述基质的总体积计，选择投加的碳点浓度为0.5
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1.0 g/L；将三相电势恒定仪与厌氧膜生物反应器内膜组件通过钛丝相连，用于外部微电流调控，通过高灵敏电势电流在线记录仪监测电势电流变化，选择施加的电势为0.6
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1.0 V；c、有机物降解同步甲烷转化厌氧膜生物反应在厌氧膜生物反应器顶部气体通道口通入速率为300
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【专利技术属性】
技术研发人员：邱博然，王恺元，衡世亮，甄广印，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：