[发明专利]一种负载生物纳米Fe3

说明书

本发明公开了属于厌氧生物处理技术领域的一种负载生物纳米Fe₃O₄的厌氧颗粒污泥提高甲烷产量的方法，步骤如下：向厌氧颗粒污泥，加入无机盐培养液和碳源，配制厌氧颗粒污泥混合液；向其中加入无定形羟基氧化铁悬浮液和电子供体，并控制反应体系pH；反应得到负载生物纳米Fe₃O₄的厌氧颗粒污泥；利用负载生物纳米Fe₃O₄的厌氧颗粒污泥，投加到厌氧反应器中，以有机废水作为进水，进行反应测定甲烷产量。本发明利用厌氧颗粒污泥中的微生物将Fe(III)异化还原为生物Fe₃O₄纳米颗粒，实现厌氧颗粒污泥中纳米Fe₃O₄颗粒的原位负载，通过其强化微生物直接种间电子传递，提高厌氧颗粒污泥分解有机物产甲烷效率。

技术领域

本发明属于厌氧生物处理技术领域，尤其涉及一种负载生物纳米Fe₃O₄的厌氧颗粒污泥提高甲烷产量的方法。

背景技术

厌氧生物处理技术是利用厌氧和兼性厌氧微生物将污水中的复杂有机质底物转化为无机物的一项污水处理技术。该技术具有有机负荷高、能耗小，且能够产生可再生能源——沼气(甲烷和二氧化碳)等特点。厌氧颗粒污泥则是由不同功能的厌氧/兼性微生物聚集形成的一种特殊微生物聚集体，因其具有代谢活性高、生物密度大、沉降性能好等优点而成为一种高效的厌氧生物处理技术。厌氧颗粒污泥由水解发酵菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌构成。水解发酵菌最先将有机物分解为醇类、有机酸等；随后，产氢产乙酸菌分解醇类和有机酸，产生H₂、乙酸等物质；产甲烷菌进一步将乙酸、H₂、CO₂以及其它一些简单的化合物转化为甲烷。

种间氢气传递机制是产氢产乙酸菌与产甲烷菌之间最常见的电子和能量交换形式，然而基于种间氢气传递的生物电子链接脆弱，相关微生物极易受环境条件的影响，造成厌氧体系内氢气分压升高，破坏产甲烷代谢的平衡，最终导致厌氧甲烷化的停滞。最新研究表明，厌氧体系存在一种更为高效的种间电子和能量的传递机制，即通过生物电子链接或非生物的电化学活性物质进行的直接种间电子传递(Direct Interspecies ElectronTransfer，DIET)。向厌氧体系中加入导体材料可以促进DIET过程，因为微生物可以直接附着在导电性材料的表面，依靠其较高的电导性和较大表面积实现物种间长距离电子和能量的直接交换。

磁铁矿是自然界土壤和沉积物中常见的一种具有良好导电性能的含铁矿物，主要成分为纳米Fe₃O₄颗粒。研究表明向悬浮形式的厌氧污泥中加入磁铁矿，可以促进微生物直接种间电子传递过程，进而强化厌氧发酵过程有机物的去除及甲烷的产生。但这些研究都是利用人工合成的化学磁铁矿，其需要高温等严格的制备环境，制备过程复杂且价格高昂。同时，对于厌氧颗粒污泥系统，直接投加化学磁铁矿只能使其分布于聚集态的颗粒外部，而难以对颗粒内部微生物的电子传递过程发挥作用。研究发现，微生物可以提供一种绿色经济的方法以合成功能性生物纳米磁铁矿颗粒。生物磁铁矿是指微生物在异化铁还原过程中，利用胞外Fe(III)为电子受体，在氧化有机物的同时还原Fe(III)产生的混合价态铁矿物。

目前已发现许多厌氧微生物可以通过异化铁还原在胞外形成磁铁矿，如Geobacter mentallireducens、Shewanella oneidensis、Ferribacterium limneticum、Thermolithobacter ferrihydriticus等。生物磁铁矿可在环境温度、压力和中性pH下合成，且可直接附着在微生物细胞上以弥补微生物胞外分泌的OmcS细胞色素，从而更为有效地在微生物之间构建起DIET 通道，如图1所示。为此，亟待提出了一种利用厌氧颗粒污泥微生物原位合成纳米Fe₃O₄颗粒，强化DIET过程，进而提高厌氧颗粒污泥产甲烷的能力的方法。

发明内容