[实用新型]一种三维导电填料和一种厌氧反应器

说明书

本实用新型公开了一种三维导电填料及其应用和一种厌氧反应器，所述三维导电填料包括导电支架和连接在所述导电支架上的导电纤维，至少部分所述导电纤维上负载有导电聚合物。本实用新型的三维导电填料能够实现填料的三维导电，克服了传统填料生物膜生长后填料被微生物覆盖限制电子传递的缺陷。将本实用新型的三维导电填料应用于厌氧反应器时，本实用新型设计的填料具有随反应器水流方向进行自我调节的功能，类似河流中形成的流线型生物膜，具有强化传质及其与污泥高效接触的效果，提升了厌氧产甲烷效率。

技术领域

本实用新型涉及污水处理填料技术领域，尤其是涉及一种三维导电填料和一种厌氧反应器。

背景技术

污水厌氧处理能够产生能源物质甲烷，是实现污水能源化目标的关键技术保障。在厌氧产甲烷过程中，微生物降解复杂有机物产甲烷需要通过水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段完成。其中水解阶段由水解微生物将复杂有机物(如淀粉和蛋白质等)转化成小分子有机物(如葡萄糖和氨基酸等)；酸化阶段由酸化菌将这些小分子有机物进一步转化为乙醇、丙酸、丁酸和乳酸等；随后产氢产乙酸菌利用这些短链有机物产生乙酸和氢气；最后在产甲烷阶段，产甲烷菌利用乙酸或氢气等完成产甲烷过程。因此，产甲烷过程由水解酸化菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等协同合作完成，是一个涉及梯级氧化还原反应的复杂生化转化过程，需要不同功能的微生物之间通过电子传递协同实现。由此导致厌氧处理需要较长的反应时间，处理效率相对较低。

在厌氧产甲烷过程中，产氢产乙酸过程在标准状态下吉布斯自由能为正值，反应不能自发进行，而产甲烷菌利用H₂作为电子供体生成甲烷可以消耗产氢产乙酸过程的产物，从而促进化学平衡向产物方向进行，因此互营产酸菌和产甲烷菌之间的电子传递过程常常是产甲烷过程的限速步骤，如何促进电子在产甲烷过程功能菌之间的协同高效传递是解决产甲烷效率低的关键科学问题。

近年来有研究显示，产酸菌和产甲烷菌之间除了可以通过氢气和甲酸作为电子载体完成种间电子传递外，还可以通过产酸菌的导电菌毛和细胞色素c实现直接种间电子传递，而无需先产生氢气和甲酸等电子载体。随后研究发现，厌氧处理工艺中加入导电材料可以有效促进产甲烷过程。Liu等发现加入颗粒活性炭(GAC)后能够提高Geobactermetallireducens和Methanosarcina barkeri产甲烷互营体系的产甲烷效率，通过扫描电镜发现厌氧互营微生物附着在GAC上，但相互之间并没有紧密接触，说明GAC可能起到了传递电子的作用(参考文献：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等以葡萄糖为碳源，在厌氧颗粒污泥中加入生物炭，发现生物炭可以不同程度地缩短产甲烷延滞时间和提高最大产甲烷速率，同时生物炭还能促进挥发酸的产生与降解(参考文献：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，具有优异导电性能的铁氧化物也成为强化厌氧产甲烷研究的热点之一，在厌氧体系中加入导电铁氧化物如四氧化三铁亦可促进产甲烷。