一种污泥的破解方法及其在发酵产氢中的应用
阅读：439发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种污泥的破解方法及其在发酵产氢中的应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于环境保护与资源综合利用技术领域，尤其涉及一种剩余 污泥 的破解方法及在 发酵 产氢中的应用，包括以下步骤：利用酸性溶液调节市政污泥的pH为3-7，向其中投加Fe2+后，在室温条件下接受γ射线辐照；辐照结束后，将市政污泥pH调节至中性，得到破解污泥。本发明的方法促进市政污泥后续的资源化利用，同时为 生物 制氢过程提供一种廉价易得的底物来源，具有很好的市场应用前景。，下面是一种污泥的破解方法及其在发酵产氢中的应用专利的具体信息内容。
1.一种市政污泥或剩余污泥的破解方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用酸性溶液调节市政污泥的pH为3-7，向其中投加Fe2+后，在室温条件下接受γ射线辐照；辐照结束后，将市政污泥pH调节至中性，得到破解污泥。
2.根据权利要求1所述的破解方法，其中，所述酸性溶液包括盐酸。
3.根据权利要求1所述的破解方法，其中，所述Fe2+投加量范围为大于0mg/L且在
1000mg/L以下。
4.根据权利要求1所述的破解方法，其中，所述γ射线辐照的剂量为10-30kGy。
60
5.根据权利要求1所述的破解方法，其中，所述辐照的放射源为 Co或电子加速器。
6.根据权利要求1所述的破解方法，其中，所述污泥破解的条件是pH 5,800mg/L Fe2+,
20kGy电离辐照。
7.一种暗发酵产氢方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接种菌群的预处理；
(2)以权利要求1-6中任一项所述的破解污泥为底物，进行微生物暗发酵产氢。
8.根据权利要求7所述的暗发酵产氢方法，其中，
接种菌群的预处理方法为：用2-10kGy剂量的γ射线辐照处理厌氧消化污泥，放射源为60Co源或电子加速器，得到辐照后的消化污泥，并置于-80℃下冷冻保藏。
9.根据权利要求7所述的暗发酵产氢方法，其中，暗发酵产氢的具体操作为，将破解污泥置于反应器中，将辐照处理后消化污泥解冻并接种于所述反应器中；发酵开始前，调节溶液初始pH至6.0-8.0，并用氮气吹脱为反应提供厌氧环境；发酵温度为30-40℃，80-160r/min恒温振荡培养，直至停止产气。
10.权利要求1所述方法得到的污泥破解液在暗发酵产氢中的应用，其特征在于，具体步骤为：
(1)接种菌群的预处理；
(2)以破解污泥为底物，进行微生物暗发酵产氢。
一种污泥的破解方法及其在发酵产氢中的应用
技术领域
[0001] 本发明属于环境保护与资源综合利用技术领域，尤其涉及一种剩余污泥的破解方法及在发酵产氢中的应用。
背景技术
[0002] 氢气是一种理想的清洁，具有热值高、氧化产物无污染等优点。氢气的多种制备方法中，生物产氢的环境效益最高，最具有可持续发展性。生物产氢中，暗发酵产氢以沼气发酵为基础，将发酵制备沼气的过程截止在产氢产酸步骤，不仅免除了进一步生物反应过程的能量消耗，还得到了比沼气更加清洁的能源——氢气。目前，沼气发酵已经得到了广泛的应用。因此，以现有沼气的制备、储存和运输设施为基础，暗发酵产氢具有良好的应用前景。
[0003] 暗发酵产氢的底物来源非常广泛。其中，以有机废物为底物发酵产氢，可以同时实现废物治理和清洁能源生产的双重效益，受到了人们的广泛关注。考虑到暗发酵产氢大规模应用的要求，用于暗发酵产氢的废物需满足富含有机质，来源广泛，廉价易得等。
[0004] 随着我国城镇化程度的提高，城市污水产生量逐年加大，而污废水的处理过程形成了大量的市政污泥，市政污泥的处置问题日益突出。市政污泥主要由微生物细胞组成，富含有机质和多种微量元素；此外，市政污泥的产生量大且来源稳定，可谓是一种理想的暗发酵产氢底物来源。
[0005] 然而，市政污泥的有机质大多被包裹于微生物细胞内，很难被产氢微生物直接利用。为了实现剩余污泥的高效产氢，需要对剩余污泥采取一定的预处理手段，破坏微生物细胞结构，释放有机物。常用的处理方法主要有热处理、超声处理、微波处理、碱处理等。王建龙等于2015年首次提出将电离辐照法应用于剩余污泥的破解和产氢，发现电离辐照与NaOH耦合可以有效地破解剩余污泥用于产氢。然而，大量NaOH的投加对后续的产氢过程造成了抑制，导致污泥破解液的累积产氢量很低。
[0006] 当电离辐照作用于剩余污泥时，高能射线造成水的辐解，生成一系列的活性基团，如式1。这些活性基团中，以·OH的氧化性最强。本发明提出了电离辐照与Fe2+的耦合工艺处理市政污泥。一方面，利用Fe2+催化电离辐照过程中生成的H2O2，得到氧化性更强的·OH，提升电离辐照对市政污泥的破解效果；另一方面，利用Fe2+对产氢酶活性的促进作用，在暗发酵过程中进一步促进产氢。
[0007]
发明内容
[0008] 发明要解决的技术问题
[0009] 本发明的目的是提供市政污泥的破解方法及在发酵产氢中的应用。
[0010] 用于解决技术问题的方法
[0011] 针对上述问题，本发明提出了一种市政污泥的破解方法，其包括以下步骤：
[0012] 利用酸性溶液调节市政污泥的pH为3-7，向其中投加Fe2+后，在室温条件下接受γ射线辐照；辐照结束后，将市政污泥pH调节至中性，得到破解污泥。
[0013] 一种实施方式为，所述酸性溶液包括盐酸。
[0014] 一种实施方式为，所述Fe2+投加量范围为大于0mg/L且在1000mg/L以下。
[0015] 一种实施方式为，所述γ射线辐照的剂量为10-30kGy。
[0017] 一种实施方式为，所述污泥破解的条件是pH 5,800mg/L Fe2+,20kGy电离辐照。
[0018] 根据本发明的第二方面，提供一种暗发酵产氢方法，其包括以下步骤：
[0019] (1)接种菌群的预处理；
[0020] (2)以前述的破解污泥为底物，进行微生物暗发酵产氢。
[0021] 一种实施方式为，接种菌群的预处理方法为：用2-10kGy剂量的γ射线辐照处理厌60
氧消化污泥，放射源为 Co源或电子加速器，得到辐照后的消化污泥，并置于-80℃下冷冻保藏。
氧消化污泥，放射源为 Co源或电子加速器，得到辐照后的消化污泥，并置于-80℃下冷冻保藏。
[0022] 一种实施方式为，暗发酵产氢的具体操作为，将破解污泥置于反应器中，将辐照处理后消化污泥解冻并接种于所述反应器中；发酵开始前，调节溶液初始pH至6.0-8.0，并用氮气吹脱为反应提供厌氧环境；发酵温度为30-40℃，80-160r/min恒温振荡培养，直至停止产气。
[0023] 根据本发明的第三方面，提供一种污泥破解液在暗发酵产氢中的应用，其具体步骤为：
[0024] (1)接种菌群的预处理；
[0025] (2)以破解污泥为底物，进行微生物暗发酵产氢。
[0026] 本发明的有益效果
[0027] (1)用辐照与Fe2+耦合处理的方法促进市政污泥中有机组分的充分释放，为其后续的资源化利用提供基础；(2)实现破解污泥为底物的高效产氢，为生物制氢过程提供一种廉价易得的底物来源，降低发酵制氢的成本；(3)与原污泥相比，污泥破解液中溶解性COD，多糖和蛋白质分别是原污泥中浓度的2.5-4.64倍，2.65-2.92倍及2.25-3.35倍；暗发酵产氢的累积产氢量提高了15-100％。
[0029] 图1是20kGy辐照与400mg/L Fe2+在pH 3条件下耦合处理市政污泥并用于产氢的效果；
[0030] 图2是20kGy辐照与800mg/L Fe2+在pH 5条件下耦合处理市政污泥并用于产氢的效果；
[0031] 图3是20kGy辐照与1000mg/L Fe2+在pH 7条件下耦合处理市政污泥并用于产氢的效果。
具体实施方式
[0032] 以下对本公开的一个实施方式具体地说明，但本公开并非限定于此。
[0033] 本发明一方面，利用电离辐照与Fe2+耦合提高市政污泥的破解效果，促进污泥中有机质的释放，并用于暗发酵产氢；另一方面，利用破解污泥中的Fe2+对产氢酶活性的促进作用，在暗发酵过程中进一步促进产氢。
[0034] 实施例
[0035] 本发明所使用的市政污泥取自北京市某污水处理厂的二沉池，所使用的厌氧消化污泥取自北京市某污水处理厂的初级消化池。厌氧污泥作为接种污泥，主要提供厌氧微生物。破解污泥取自二沉池，含有大量好氧微生物。
[0036] 实施例1：20kGy剂量辐照与0-1000mg/L Fe2+在pH 3条件下耦合对市政污泥的破解效果
[0037] 取3L市政污泥，用盐酸调节其pH为3。将3L市政污泥分装于6个500mL棕色磨口瓶中。向6瓶污泥中，分别添加FeCl2使Fe2+剂量为0,200,400,600,800,1000mg/L，并在室温条60
件下接受剂量为20kGy的γ射线辐照，放射源为 Co。辐照结束后，用NaOH溶液将市政污泥pH调节至中性，得到破解污泥；分析破解污泥混合液中各项指标，得到污泥的破解效果见表1。
件下接受剂量为20kGy的γ射线辐照，放射源为 Co。辐照结束后，用NaOH溶液将市政污泥pH调节至中性，得到破解污泥；分析破解污泥混合液中各项指标，得到污泥的破解效果见表1。
[0038] 表1 20kGy,0-1000mg/L Fe2+在pH 3条件下耦合对市政污泥的破解效果[0039]
[0040] 实施例2：20kGy剂量辐照与0-1000mg/L Fe2+在pH 5条件下耦合对市政污泥的破解效果
[0041] 取3L市政污泥，用盐酸调节其pH为5。将3L市政污泥分装于6个500mL棕色磨口瓶中。向6瓶污泥中，分别添加FeCl2使Fe2+剂量为0,200,400,600,800,1000mg/L，并在室温条60
件下接受剂量为20kGy的γ射线辐照，放射源为 Co。辐照结束后，用NaOH溶液将市政污泥pH调节至中性，得到破解污泥；分析破解污泥混合液中各项指标，得到污泥的破解效果见表2。
件下接受剂量为20kGy的γ射线辐照，放射源为 Co。辐照结束后，用NaOH溶液将市政污泥pH调节至中性，得到破解污泥；分析破解污泥混合液中各项指标，得到污泥的破解效果见表2。
[0042] 表2 20kGy,0-1000mg/L Fe2+在pH 5条件下耦合对市政污泥的破解效果[0043]
[0044] 实施例3：20kGy剂量辐照与0-1000mg/L Fe2+在pH 7条件下耦合对市政污泥的破解效果
[0045] 取3L市政污泥，调节其pH为7。将3L市政污泥分装于6个500mL棕色磨口瓶中。向6瓶污泥中，分别添加FeCl2使Fe2+剂量为0,200,400,600,800,1000mg/L，并在室温条件下接受剂量为20kGy的γ射线辐照，放射源为60Co。辐照结束后，用NaOH溶液将市政污泥pH调节至中性，得到破解污泥；分析破解污泥混合液中各项指标，得到污泥的破解效果见表3。
[0046] 表3 20kGy,0-1000mg/L Fe2+在pH 7条件下耦合对市政污泥的破解效果[0047]
[0048]
[0049] 分析实施例1-3的结果可以发现，在pH＝3的条件下，不同剂量Fe2+对电离辐照破解污泥的影响较小；pH 5和pH 7条件下，添加Fe2+显著提高了电离辐照对市政污泥的破解效2+ 2+
果。pH 3,pH 5和pH 7条件下，20kGy与Fe 耦合处理市政污泥的最佳Fe 剂量分别为400mg/L,800mg/L和1000mg/L。在偏酸性条件下，过量的Fe2+会猝灭电离辐照过程中生成的氧化活性基团，进而降低市政污泥的处理效果。
果。pH 3,pH 5和pH 7条件下，20kGy与Fe 耦合处理市政污泥的最佳Fe 剂量分别为400mg/L,800mg/L和1000mg/L。在偏酸性条件下，过量的Fe2+会猝灭电离辐照过程中生成的氧化活性基团，进而降低市政污泥的处理效果。
[0050] 实施例4：20kGy辐照与400mg/L Fe2+在pH 3条件下耦合处理市政污泥并用于产氢的效果
[0051] 按照实施例1所述方法中，选择0mg/L Fe2+，400mg/L Fe2+与20kGy电离辐照在pH 3条件下耦合处理市政污泥，得到污泥破解液。取80mL污泥破解液置于150mL锥形瓶中，向其中接种5kGy电离辐照处理得到的消化污泥20mL，得到反应液总体积为100mL。以原污泥作为对照组。发酵开始前，用5mol/L盐酸和氢氧化钠溶液调节反应液初始pH为7.0，利用氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，以36℃，100r/min条件反应，间隔2h记录产气量，直至停止产气。产氢过程见图1。
[0052] 经过18h后三组反应均结束，对照组，0mg/L Fe2+和400mg/L Fe2+处理组得到的累积产氢量分别约为13mL，21mL和23mL。可以看出，pH 3条件下，电离辐照、及电离辐照与Fe2+耦合处理均可以显著提升市政污泥的产氢效果。
[0053] 实施例5：20kGy辐照与800mg/L Fe2+在pH 5条件下耦合处理市政污泥并用于产氢的效果
[0054] 按照实施例2所述方法中，选择0mg/L Fe2+，800mg/L Fe2+与20kGy电离辐照在pH 5条件下耦合处理市政污泥，得到污泥破解液。取80mL污泥破解液置于150mL锥形瓶中，向其中接种5kGy电离辐照处理得到的消化污泥20mL，得到反应液总体积为100mL。以原污泥作为对照组。发酵开始前，用5mol/L盐酸和氢氧化钠溶液调节反应液初始pH为7.0，利用氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，以36℃，100r/min条件反应，间隔2h记录产气量，直至停止产气。产氢过程见图2。
[0055] 经过20h后三组反应均结束，对照组，0mg/L Fe2+和800mg/L Fe2+处理组得到的累积产氢量分别约为13mL，15mL和26mL。可以看出，pH 5条件下，单独的电离辐照处理对产氢效果的提升作用不明显，而电离辐照与Fe2+耦合处理后，市政污泥的产氢效果得到显著提升。
[0056] 实施例6：20kGy辐照与1000mg/L Fe2+在pH 7条件下耦合处理市政污泥并用于产氢的效果
[0057] 按照实施例3所述方法中，选择0mg/L Fe2+，1000mg/L Fe2+与20kGy电离辐照在pH 7条件下耦合处理市政污泥，得到污泥破解液。取80mL污泥破解液置于150mL锥形瓶中，向其中接种5kGy电离辐照处理得到的消化污泥20mL，得到反应液总体积为100mL。以原污泥作为对照组。发酵开始前，用5mol/L盐酸和氢氧化钠溶液调节反应液初始pH为7.0，利用氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，以36℃，100r/min条件反应，间隔2h记录产气量，直至停止产气。产氢过程见图3。
[0058] 经过20h后三组反应均结束，对照组，0mg/L Fe2+和1000mg/L Fe2+处理组得到的累积产氢量分别约为13mL，14mL和18mL。可以看出，pH 7条件下，单独的电离辐照处理对产氢效果的提升作用微弱，而电离辐照与Fe2+耦合处理后，市政污泥的产氢效果得到显著提升。
[0059] 工业实用性
[0060] 本发明的方法促进市政污泥后续的资源化利用，同时为生物制氢过程提供一种廉价易得的底物来源，具有很好的市场应用前景。
[0061] 此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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