CN114409031A - 一种基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法，属于污水处理技术领域。所述基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法的步骤包括：(1)以活性炭、碳纳米管和水为原料配制流动电极材料；(2)利用步骤(1)配制的流动电极材料，通过FCDI装置去除污泥厌氧发酵液中的氮和磷，得到基于污泥厌氧发酵液的碳源；其中，流动电极材料中活性炭的含量为0.5g/L，碳纳米管的含量为0.1g/L。通过本发明提供的分离纯化方法，可以使不同pH下氨氮和磷酸盐在出水中浓度均有明显下降，基本实现了碳源的分离提纯。

Description

一种基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法。
背景技术
随着社会的不断发展，人均用水量随之增加，从而导致各地污水处理厂的负荷不断攀升，进而使污水处理最终产物-污泥，也不断增加，与之相对应的是，污泥处置在污水处理过程中所占的投资份额高达50％以上，无疑给污水厂的长期发展带来了严峻挑战。目前大多数污水处理厂均面临着碳源不足的问题，导致脱氮除磷效率比较低下，很难使出水水质达标，严重制约了污水处理厂的效率。
剩余污泥中含有丰富的有机物和营养元素(氮、磷)等，是一种可以回收的资源。污泥厌氧发酵液有诸多利用价值：(1)作为污水处理厂外加碳源投加到生物反应单元的前端，提高脱氮除磷中所需的碳源；(2)用来合成可降解合成塑料的原料物质；(3)在产甲烷过程中作为底物来利用。而在污泥发酵过程中，随着蛋白质的水解，以及污泥细胞的破碎，在污泥发酵过程中会释放出大量的氮磷元素，不利于发酵液碳源进行后续使用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法。通过以活性炭为吸附材料，以碳纳米管为导电添加剂，配制出流动电极材料，将其加入到FCDI装置中，运行FCDI装置，除去污泥厌氧发酵液中的氮、磷等，得到基于污泥厌氧发酵液的优质碳源。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法，包括以下步骤：
(1)以活性炭、碳纳米管和水为原料配制流动电极材料；
(2)利用步骤(1)配制的流动电极材料，通过FCDI装置去除污泥厌氧发酵液中的氮和磷，得到基于污泥厌氧发酵液的碳源；
步骤(1)中所述流动电极材料中活性炭的含量为0.5g/L，碳纳米管的含量为0.1g/L。
流动电极电容去离子技术(FCDI)，是利用可流动的碳电极通过外加电压吸附电子，具有连续和节能运行的潜力。FCDI是作为一种创新的盐水脱盐的方法开发的，本发明则将其应用于分离纯化污泥厌氧发酵液中的碳源。其中流动电极材料，作为FCDI技术的关键因素，是决定分离效果的根本。活性炭对于氨氮和磷的吸附是有效果的，但是尚未达到最优吸附效果，对于挥发性脂肪酸的分离效果也比较有限，因此本发明对电极材料进行了改进，从而提升其分离纯化污泥厌氧发酵液中碳源的性能。
本发明所配制的流动电极材料中，以活性炭为吸附材料，利用活性炭的多孔结构和较高的比表面积，吸附污泥厌氧发酵液中的氮、磷等；以碳纳米管为导电添加剂，增强所配制的流动电极材料的导电性能。进一步地，通过调整两种物质的用量比，达到了更好的分离纯化效果。
优选地，所述流动电极材料与所述污泥厌氧发酵液的体积比为1:1。
优选地，步骤(1)中所述活性炭的粒径为8～12μm；所述碳纳米管的管径为20～40nm。
优选地，步骤(2)中所述FCDI装置的包括依次排列的第一有机玻璃端板、阴极石墨板、阳离子交换膜、中空有机玻璃板、阴离子交换膜、阳极石墨板、第二有机玻璃端板；所述阴极石墨板上刻有凹槽形成第一流动电极室；所述阳极石墨板上刻有凹槽形成第二流动电极室。
优选地，所述FCDI装置还包括位于所述中空有机玻璃板两侧的中空硅胶垫片。
优选地，FCDI装置的运行电压为1.0～1.5V。
优选地，FCDI装置的运行时间为60min。
优选地，FCDI装置运行时的pH值为3。
优选地，所述FCDI装置的运行方式为：短路闭合循环。
本发明的有益技术效果如下：
本发明通过对FCDI装置施加电压，使阳极室中的电极材料因与阳极石墨板接触而带正电荷，发酵液中的阴离子磷酸根在电场的作用下透过阴离子交换膜进入阳极室，随即吸附于带正电的电极材料上，并随着流动电极浆液的流动被带出阳极区而进入流动电极液储槽中；同时，发酵液中的阳离子铵根离子吸附于带负电的电极材料上也进入流动电极液储槽中。这时的污泥厌氧发酵液中只剩下无法穿过离子交换膜的有机酸，从而实现从污泥厌氧发酵液中分离碳源的目的。
通过本发明提供的分离纯化方法，可以使不同pH下氨氮和磷酸盐在出水中浓度均有明显下降，基本实现了碳源的分离提纯。
附图说明
图1为本发明所用FCDI装置的示意图。
其中，1为第一有机玻璃端板，2为阴极石墨板，3为第一流动电极室，4为阳离子交换膜，5为中空有机玻璃板，6为阴离子交换膜，7为第二流动电极室，8为阳极石墨板，9为第二有机玻璃端板。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
(1)FCDI装置的构建：
FCDI装置由依次排列的第一有机玻璃端板1、阴极石墨板2、阳离子交换膜4、中空有机玻璃板5、阴离子交换膜6、阳极石墨板8、第二有机玻璃端板9组成；阴极石墨板2上11条长110mm，宽1mm，深1mm的槽形成第一流动电极室3，用于泵入流动电极材料；阳极石墨板8上11条长110mm，宽1mm，深1mm的槽形成第二流动电极室7，用于泵入流动电极材料；中空有机玻璃板5的两侧附有中空硅胶垫片，防止装置漏水。阴极石墨板2(150mm×80mm×70mm)和阳极石墨板8(150mm×80mm×70mm)作为集电体，用于传递外电路的电子。第一流动电极室3与阳离子交换膜4的有效接触面积为12.4cm2；第二流动电极室7与阴离子交换膜6的有效接触面积为12.4cm2。阳离子交换膜4、中空有机玻璃板5(中空有机玻璃板5为中间掏空的有机玻璃板)、阴离子交换膜6以及中空有机玻璃板5的两侧的中空硅胶垫片共同构成中空电极室，用于循环污泥发酵液。FCDI装置的示意图见图1，各部分压合组装形成FCDI装置。
(2)分离纯化污泥发酵液
配制模拟污泥厌氧发酵液(乙酸：2000mg·L-1；丙酸：500mg·L-1；丁酸：500mg·L-1；氨氮：400mg·L-1；磷酸盐：30mg·L-1)100mL，加入到锥形瓶中，配制含0.5g/L活性炭和0.1g/L碳纳米管的流动电极材料(分别将粒径为8～12μm的活性炭和管径为20～40nm的碳纳米管分散于去离子水中，室温下连续搅拌48h，制得)，以25mL·min-1的流速分别泵入第一流动电极室3和第二流动电极室7，然后通过双泵头返回锥形瓶中。流动电极悬浮液通过磁力搅拌器不断搅拌，以防止碳颗粒沉降和团聚。同时，污泥厌氧发酵液(100mL)以10mL·min-1的流速泵入中空电极室。电化学工作站提供1.5V的恒定电压，***运行60min，通过4mol/L的NaOH和1mol/L的HCl调节pH，在pH＝3条件下进行分离，运行方式为短路闭合循环，分别留取FCDI运行开始前、结束后的模拟发酵液进行参数分析，分析结果见表1。
实施例2
与实施例1相比，区别在于FCDI装置运行过程中，pH＝4，分别留取FCDI运行开始前、结束后的模拟发酵液进行参数分析，分析结果见表1。
实施例3
与实施例1相比，区别在于FCDI装置运行过程中，pH＝5，分别留取FCDI运行开始前、结束后的模拟发酵液进行参数分析，分析结果见表1。
实施例4
与实施例1相比，区别在于FCDI装置运行过程中，pH＝6，分别留取FCDI运行开始前、结束后的模拟发酵液进行参数分析，分析结果见表1。
表1
Figure BDA0003495543900000061
实施例5
对不同的流动电极材料进行考察：
(1)为了比较不同碳材料作为流动电极的性能，采用单一类型的碳材料制备流动电极。在一定的流动通道中，由于流动电极的粘性使通道堵塞，使得碳材料的最大浓度受到限制。所以活性炭(AC)、炭黑(CB)和碳纳米管(CNTs)三种碳材料均悬浮至5.0g/100mL，溶液为去离子水(DI)。在1.0～1.5V电压下对实际100mL浓度为500mg/L的氯化镁溶液进行60min脱盐实验，每1min记录盐水电导率。
(2)为了获得性能和经济最优的流动电极组合，使用不同负载(0.5wt％，1.0wt％)的炭黑和碳纳米管作为流动电极添加到5.0g/100mL的活性炭悬浮液中作为导电添加剂。在1.5V电压下对实际100mL浓度为500mg/L的氯化镁溶液进行60min脱盐实验，每1min记录盐水电导率。
各流动电极材料的配方见表2；
表2
Figure BDA0003495543900000071
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以活性炭、碳纳米管和水为原料配制流动电极材料；
(2)利用步骤(1)配制的流动电极材料，通过FCDI装置去除污泥厌氧发酵液中的氮和磷，得到基于污泥厌氧发酵液的碳源；
步骤(1)中所述流动电极材料中活性炭的含量为0.5g/L，碳纳米管的含量为0.1g/L。
2.根据权利要求1所述的基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法，其特征在于，步骤(1)中所述活性炭的粒径为8～12μm；所述碳纳米管的管径为20～40nm。
3.根据权利要求1所述的基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法，其特征在于，步骤(2)中所述FCDI装置的包括依次排列的第一有机玻璃端板(1)、阴极石墨板(2)、阳离子交换膜(4)、中空有机玻璃板(5)、阴离子交换膜(6)、阳极石墨板(8)、第二有机玻璃端板(9)；所述阴极石墨板(2)上刻有凹槽形成第一流动电极室(3)；所述阳极石墨板(8)上刻有凹槽形成第二流动电极室(7)。
4.根据权利要求3所述的基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法，其特征在于，所述FCDI装置还包括位于所述中空有机玻璃板(5)两侧的中空硅胶垫片。
5.根据权利要求1所述的基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法，其特征在于，FCDI装置的运行电压为1.0～1.5V。
6.根据权利要求1所述的基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法，其特征在于，FCDI装置的运行时间为60min。
7.根据权利要求1所述的基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法，其特征在于，FCDI装置运行时的pH值为3。
8.根据权利要求1所述的基于污泥厌氧发酵液的碳源纯化方法，其特征在于，所述FCDI装置的运行方式为：短路闭合循环。
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