一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法技术

本发明专利技术涉及一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法，该方法采用具有Janus特性的功能材料对有机固体废物进行处理，包括以下步骤：将有机固体废物与具有Janus特性的功能材料混合均匀，得到混合物；向混合物中加入接种物，得到厌氧体系；调节厌氧体系的pH，采用吹扫气吹扫厌氧消化反应器至无残留氧气；在密闭条件下进行厌氧消化反应。与现有技术相比，本发明专利技术突破了有机固体废物复杂结构限制其生物降解的瓶颈问题，提高了有机固体废物厌氧消化产甲烷性能，可提高有机固体废物厌氧消化产甲烷总量，为有机固体废物高效资源化利用提供新思路，具有很好的应用前景。具有很好的应用前景。具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法


[0001]本专利技术属于有机固体废物处理与资源化
，涉及一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法。

技术介绍

[0002]随着世界人口的快速增长，人类活动产生的有机固体废物(如餐厨垃圾、厨余垃圾、污水厂污泥等)日益增加。有机固体废物富含大量易腐有机质(如类多糖、类蛋白质和类脂质等)，其不当的处理处置不仅会对人类健康造成危害，同时释放的大量二氧化碳会加剧全球变暖。厌氧消化技术能够在回收生物质能(如甲烷)的同时减少温室气体(如二氧化碳)的排放，在有机固体废物资源化和无害化处理中发挥着重要作用。然而，有机固体废物是一种多组分、多介质、半刚性的复杂体系，其中有机质赋存形态复杂，难以被生物利用，以及由此引发的厌氧生物转化效率低的问题是限制有机固体废物厌氧消化产甲烷的关键因素。
[0003]目前，针对有机固体废物中有机质难降解问题已经发展多种预处理方法(包括物理、化学、生物以及联合预处理)，通过促进有机质的溶出和水解提升有机固体废物的厌氧生物可降解性。例如，专利CN113233727A公开了一种复合生物酶强化剩余污泥快速溶胞的方法，专利CN101012096A公开了一种超声波强化污泥厌氧消化产气方法，专利CN101524699A公开了一种利用微波碱热水解改善污泥厌氧消化性能的方法，专利CN104593432A公开了碱与盐联合预处理提高玉米秸秆厌氧消化甲烷产量的方法，专利CN115710076A公开了基于游离氨预处理污泥厌氧发酵产甲烷的方法和装置，尽管上述研究均能在一定程度上通过强化有机质溶出和水解提高有机固体废物的厌氧生物转化效率，但是有机固体废物中有机质的溶出、水解甚至生物降解能力本质上取决于有机固体废物复杂的空间结构以及有机质的物化性质(如空间构象、分子极性以及分子大小)，而目前传统的预处理手段忽略了以上问题，导致针对不同的有机固体废物通常难以发挥稳定的处理效果，未能从根本上突破有机固体废物难生物利用的关键屏障。
[0004]此外，传统预处理过程中额外的能量输入、药剂的连续补充以及二次污染等问题限制了技术的实际应用。
[0005]专利CN113501646A公开了一种基于催化
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导电材料耦合强化污泥两相厌氧消化的方法，在污泥两相厌氧消化系统中，向水解酸化相中加入锆金属有机骨架材料作为催化剂，以此强化污泥中复杂有机物的水解酸化效率，同时向产甲烷相中加入导电材料作为互营微生物间的导电介质，以此提高水解酸化产物转化为甲烷的效率，实现了污泥中复杂有机物的高效产甲烷。但该专利中传统的锆金属有机骨架材料仅作为质子传递网络对互营甲烷化过程产生一定的促进作用，并没有从根本上解决有机固体废物难生物降解的特性；该专利涉及工艺复杂，材料投加成本较高。
[0006]专利CN110964209A公开了一种锆基MOF材料的制备方法及其提升醋糟厌氧产甲烷的方法，锆基MOF材料的制备方法包括如下步骤：(1)取ZrOCl
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8H2O和H2BDC溶于DMF中，搅拌形成透明均匀溶液；(2)加入盐酸和乙酸作为调节剂，继续搅拌得反应母液；(3)反应母液放
入烘箱中于95
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105℃反应2
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3h，凝胶后转移至反应釜中，在175
‑
185℃下继续反应2
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3h，自然降温至25
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40℃后用乙醇离心洗涤，干燥得白色颗粒状产品；随后将制备的锆基MOF材料用于提高醋糟厌氧消化过程中产甲烷效率。但该专利中的锆基MOF材料主要致力于提高互营微生物间电子传递效率，从而在缓解大量挥发性有机酸积累的同时提高醋糟厌氧消化过程中互营微生物产甲烷，其并没有关注有机固体废物复杂的物化特性所导致的有机物难生物降解问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法，本专利技术突破了有机固体废物复杂结构限制其生物降解的瓶颈问题，提高了有机固体废物厌氧消化产甲烷性能，可提高有机固体废物厌氧消化产甲烷总量，为有机固体废物高效资源化利用提供新思路，具有很好的应用前景。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009]本专利技术的技术方案之一在于，提供一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法，该方法采用具有Janus特性的功能材料对有机固体废物进行处理，包括以下步骤：
[0010](1)将有机固体废物与具有Janus特性的功能材料混合均匀，得到混合物；
[0011](2)向混合物中加入接种物，得到厌氧体系；
[0012](3)调节厌氧体系的pH，采用吹扫气吹扫厌氧消化反应器至无残留氧气；
[0013](4)在密闭条件下进行厌氧消化反应产甲烷。
[0014]已有研究表明，有机固体废物中的主要成分是水(含水率>80％)，且其中复杂有机质主要以固态形式存在。在厌氧生物转化过程中，这种“固
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液
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固”模式造成了有机固体废物复杂的空间结构，极大程度限制了有机质的可生物转化潜势以及厌氧生物反应的传质效率和酶促反应速率。
[0015]具有Janus特性的催化材料同时拥有疏水部位和亲水部位，能够重构有机固体废物的空间结构，在降低污泥有机质从固态向液态转变的能量势垒的同时能够基于疏水效应直接调控固态有机质的物化性质(分子极性以及空间构象)。此外，Janus界面调控后的有机质可以更高效地与催化材料中的催化位点结合，进一步提高大分子有机质向小分子有机质的催化分解性能。总而言之，具有Janus特性的催化材料提高了复杂有机质本身的可生物转化潜势，强化了厌氧生物转化过程的传质效率和酶促反应效率，从而实现有机固体废物的高效厌氧生物转化过程。
[0016]本专利技术采用具有Janus特性的功能材料对有机固体废物进行处理，重构有机固体废物中有机分子的空间结构，改变固、液两相中有机质的空间构象、分子极性以及分子大小，提升有机固体废物的厌氧生物转化潜势，强化厌氧生物转化过程的传质效率和酶促反应效率，从而实现有机固体废物高效厌氧消化产甲烷。
[0017]进一步地，步骤(1)中具有Janus特性的功能材料为表面疏水化改性的亲水性催化材料。
[0018]进一步地，所述的亲水性催化材料为对有机质具有催化分解能力的多孔金属有机框架材料，包括MOF
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808、UiO
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66或NU
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1000。
[0019]进一步地，所述的表面疏水化改性采用高温炭化法，具体为：将亲水性催化材料置
于加热炉中，在保护气条件下以一定升温速度加热至目标温度后，在目标温度下维持一段时间，通过热解亲水性催化材料表面实现材料的表面疏水化改性，随后立即将材料冷却至室温，得到具有Janus特性的功能材料。
[0020]进一步地，所述的保护气为氮气，所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法，其特征在于，该方法采用具有Janus特性的功能材料对有机固体废物进行处理，包括以下步骤：(1)将有机固体废物与具有Janus特性的功能材料混合均匀，得到混合物；(2)向混合物中加入接种物，得到厌氧体系；(3)调节厌氧体系的pH，采用吹扫气吹扫厌氧消化反应器至无残留氧气；(4)在密闭条件下进行厌氧消化反应。2.根据权利要求1所述的一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法，其特征在于，步骤(1)中具有Janus特性的功能材料为表面疏水化改性的亲水性催化材料。3.根据权利要求2所述的一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法，其特征在于，所述的亲水性催化材料为对有机质具有催化分解能力的多孔金属有机框架材料，包括MOF
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808、UiO
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66或NU
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1000。4.根据权利要求2所述的一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法，其特征在于，所述的表面疏水化改性采用高温炭化法，具体为：将亲水性催化材料置于加热炉中，在保护气条件下以一定升温速度加热至目标温度后，在目标温度下维持一段时间，随后立即将材料冷却至室温，得到具有Janus特性的功能材料。5.根据权利要求4所述的一种Janus界面诱导有机固体废物高效厌氧消化方法，其特征在于，所述的保护气为氮气，所述的升温速度为5
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10℃/min，所述的目标温度为200
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400℃，所述的维持时间为5
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【专利技术属性】
技术研发人员：戴晓虎，刘昊宇，许颖，陈永栋，李磊，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：