[發(fā)明專利]一種三維導(dǎo)電填料及其應(yīng)用和一種厭氧反應(yīng)器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910271941.1
• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN109987700A
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳光學(xué);杜瑾;顧夢琪;尹啟東;杜青;劉瑜
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳研究生院
• 主分類號: C02F3/28
• 分類號: C02F3/28
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44205
• 代理人: 唐致明

本發(fā)明公開了一種三維導(dǎo)電填料及其應(yīng)用和一種厭氧反應(yīng)器，所述三維導(dǎo)電填料包括導(dǎo)電支架和連接在所述導(dǎo)電支架上的導(dǎo)電纖維，至少部分所述導(dǎo)電纖維上負(fù)載有導(dǎo)電聚合物。本發(fā)明的三維導(dǎo)電填料能夠?qū)崿F(xiàn)填料的三維導(dǎo)電，克服了傳統(tǒng)填料生物膜生長后填料被微生物覆蓋限制電子傳遞的缺陷。將本發(fā)明的三維導(dǎo)電填料應(yīng)用于厭氧反應(yīng)器時，本發(fā)明設(shè)計的填料具有隨反應(yīng)器水流方向進行自我調(diào)節(jié)的功能，類似河流中形成的流線型生物膜，具有強化傳質(zhì)及其與污泥高效接觸的效果，提升了厭氧產(chǎn)甲烷效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及污水處理填料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種三維導(dǎo)電填料及其應(yīng)用和一種厭氧反應(yīng)器。

背景技術(shù)

污水厭氧處理能夠產(chǎn)生能源物質(zhì)甲烷，是實現(xiàn)污水能源化目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)保障。在厭氧產(chǎn)甲烷過程中，微生物降解復(fù)雜有機物產(chǎn)甲烷需要通過水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四個階段完成。其中水解階段由水解微生物將復(fù)雜有機物(如淀粉和蛋白質(zhì)等)轉(zhuǎn)化成小分子有機物(如葡萄糖和氨基酸等)；酸化階段由酸化菌將這些小分子有機物進一步轉(zhuǎn)化為乙醇、丙酸、丁酸和乳酸等；隨后產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌利用這些短鏈有機物產(chǎn)生乙酸和氫氣；最后在產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷菌利用乙酸或氫氣等完成產(chǎn)甲烷過程。因此，產(chǎn)甲烷過程由水解酸化菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等協(xié)同合作完成，是一個涉及梯級氧化還原反應(yīng)的復(fù)雜生化轉(zhuǎn)化過程，需要不同功能的微生物之間通過電子傳遞協(xié)同實現(xiàn)。由此導(dǎo)致厭氧處理需要較長的反應(yīng)時間，處理效率相對較低。

在厭氧產(chǎn)甲烷過程中，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下吉布斯自由能為正值，反應(yīng)不能自發(fā)進行，而產(chǎn)甲烷菌利用H₂作為電子供體生成甲烷可以消耗產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程的產(chǎn)物，從而促進化學(xué)平衡向產(chǎn)物方向進行，因此互營產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌之間的電子傳遞過程常常是產(chǎn)甲烷過程的限速步驟，如何促進電子在產(chǎn)甲烷過程功能菌之間的協(xié)同高效傳遞是解決產(chǎn)甲烷效率低的關(guān)鍵科學(xué)問題。

近年來有研究顯示，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌之間除了可以通過氫氣和甲酸作為電子載體完成種間電子傳遞外，還可以通過產(chǎn)酸菌的導(dǎo)電菌毛和細(xì)胞色素c實現(xiàn)直接種間電子傳遞，而無需先產(chǎn)生氫氣和甲酸等電子載體。隨后研究發(fā)現(xiàn)，厭氧處理工藝中加入導(dǎo)電材料可以有效促進產(chǎn)甲烷過程。Liu等發(fā)現(xiàn)加入顆?；钚蕴?GAC)后能夠提高Geobactermetallireducens和Methanosarcina barkeri產(chǎn)甲烷互營體系的產(chǎn)甲烷效率，通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)厭氧互營微生物附著在GAC上，但相互之間并沒有緊密接觸，說明GAC可能起到了傳遞電子的作用(參考文獻：Liu F,Rotaru AE,Shrestha PM,Malvankar NS,Nevin KP,Lovley DR.2012.Promoting direct interspecies electron transfer with activatedcarbon.Energy&Environmental Science,5:8982.)。Luo等以葡萄糖為碳源，在厭氧顆粒污泥中加入生物炭，發(fā)現(xiàn)生物炭可以不同程度地縮短產(chǎn)甲烷延滯時間和提高最大產(chǎn)甲烷速率，同時生物炭還能促進揮發(fā)酸的產(chǎn)生與降解(參考文獻：Luo C,Lu F,Shao L,HeP.2015.Application of eco-compatible biochar in anaerobic digestion torelieve acid stress and promote the selective colonization of functionalmicrobes.Water Research,68:710-718.)。除碳材料外，具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的鐵氧化物也成為強化厭氧產(chǎn)甲烷研究的熱點之一，在厭氧體系中加入導(dǎo)電鐵氧化物如四氧化三鐵亦可促進產(chǎn)甲烷。