[發明專利]一種負載生物納米Fe3

有效

• 申請號: 202010145565.4
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111302485B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 全向春;鄭宇
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: C02F3/28
• 分類號: C02F3/28
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

本發明公開了屬于厭氧生物處理技術領域的一種負載生物納米Fe₃O₄的厭氧顆粒污泥提高甲烷產量的方法，步驟如下：向厭氧顆粒污泥，加入無機鹽培養液和碳源，配制厭氧顆粒污泥混合液；向其中加入無定形羥基氧化鐵懸浮液和電子供體，并控制反應體系pH；反應得到負載生物納米Fe₃O₄的厭氧顆粒污泥；利用負載生物納米Fe₃O₄的厭氧顆粒污泥，投加到厭氧反應器中，以有機廢水作為進水，進行反應測定甲烷產量。本發明利用厭氧顆粒污泥中的微生物將Fe(III)異化還原為生物Fe₃O₄納米顆粒，實現厭氧顆粒污泥中納米Fe₃O₄顆粒的原位負載，通過其強化微生物直接種間電子傳遞，提高厭氧顆粒污泥分解有機物產甲烷效率。

技術領域

本發明屬于厭氧生物處理技術領域，尤其涉及一種負載生物納米Fe₃O₄的厭氧顆粒污泥提高甲烷產量的方法。

背景技術

厭氧生物處理技術是利用厭氧和兼性厭氧微生物將污水中的復雜有機質底物轉化為無機物的一項污水處理技術。該技術具有有機負荷高、能耗小，且能夠產生可再生能源——沼氣(甲烷和二氧化碳)等特點。厭氧顆粒污泥則是由不同功能的厭氧/兼性微生物聚集形成的一種特殊微生物聚集體，因其具有代謝活性高、生物密度大、沉降性能好等優點而成為一種高效的厭氧生物處理技術。厭氧顆粒污泥由水解發酵菌、產氫產乙酸菌和產甲烷菌構成。水解發酵菌最先將有機物分解為醇類、有機酸等；隨后，產氫產乙酸菌分解醇類和有機酸，產生H₂、乙酸等物質；產甲烷菌進一步將乙酸、H₂、CO₂以及其它一些簡單的化合物轉化為甲烷。

種間氫氣傳遞機制是產氫產乙酸菌與產甲烷菌之間最常見的電子和能量交換形式，然而基于種間氫氣傳遞的生物電子鏈接脆弱，相關微生物極易受環境條件的影響，造成厭氧體系內氫氣分壓升高，破壞產甲烷代謝的平衡，最終導致厭氧甲烷化的停滯。最新研究表明，厭氧體系存在一種更為高效的種間電子和能量的傳遞機制，即通過生物電子鏈接或非生物的電化學活性物質進行的直接種間電子傳遞(Direct Interspecies ElectronTransfer，DIET)。向厭氧體系中加入導體材料可以促進DIET過程，因為微生物可以直接附著在導電性材料的表面，依靠其較高的電導性和較大表面積實現物種間長距離電子和能量的直接交換。

磁鐵礦是自然界土壤和沉積物中常見的一種具有良好導電性能的含鐵礦物，主要成分為納米Fe₃O₄顆粒。研究表明向懸浮形式的厭氧污泥中加入磁鐵礦，可以促進微生物直接種間電子傳遞過程，進而強化厭氧發酵過程有機物的去除及甲烷的產生。但這些研究都是利用人工合成的化學磁鐵礦，其需要高溫等嚴格的制備環境，制備過程復雜且價格高昂。同時，對于厭氧顆粒污泥系統，直接投加化學磁鐵礦只能使其分布于聚集態的顆粒外部，而難以對顆粒內部微生物的電子傳遞過程發揮作用。研究發現，微生物可以提供一種綠色經濟的方法以合成功能性生物納米磁鐵礦顆粒。生物磁鐵礦是指微生物在異化鐵還原過程中，利用胞外Fe(III)為電子受體，在氧化有機物的同時還原Fe(III)產生的混合價態鐵礦物。

目前已發現許多厭氧微生物可以通過異化鐵還原在胞外形成磁鐵礦，如Geobacter mentallireducens、Shewanella oneidensis、Ferribacterium limneticum、Thermolithobacter ferrihydriticus等。生物磁鐵礦可在環境溫度、壓力和中性pH下合成，且可直接附著在微生物細胞上以彌補微生物胞外分泌的OmcS細胞色素，從而更為有效地在微生物之間構建起DIET 通道，如圖1所示。為此，亟待提出了一種利用厭氧顆粒污泥微生物原位合成納米Fe₃O₄顆粒，強化DIET過程，進而提高厭氧顆粒污泥產甲烷的能力的方法。

發明內容