[发明专利]一种含铁污泥基生物炭材料的制备方法以及其在厌氧消化中的应用

说明书

本发明提供了一种含铁污泥基生物炭的制备方法及应用，以城市污水处理厂产生的剩余污泥为原料，将其倒入浓度为1g/L的FeCl₃溶液中使其絮凝吸附三价铁盐后，然后经过脱水作用得到含铁污泥，将含铁污泥放入管式炉内，在600℃、氮吹的条件下烧制2个小时，所得样品即为含铁污泥基生物炭。结果表明，在600℃条件下，污泥吸附的三价铁转变为四氧化三铁，使所述生物炭的导电性得到提高，同时在此温度下，生物炭表面的官能团得以保留，使得此含铁污泥基生物炭具备良好的充放电性能。将所述含铁污泥基生物炭投加到厌氧反应器内可以显著的提高有机物去除率和甲烷产量。

技术领域

本发明涉及有机废水、物环保处理领域。

背景技术

厌氧消化技术是解决有机废水、有机固体废弃物的有效方法之一，具有能耗低，污泥产量低和可回收沼气等优点。但该技术运行不稳定，尤其是在处理高浓度有机废水、高含固有机废物时，常常会产生酸性积累导致厌氧消化失败。这极大的限制了厌氧消化技术在工程上的推广使用。造成反应器酸性积累的主要原因在于：厌氧消化产甲烷是一个多过程、多组分的复合生化反应，需要多种微生物协调合作，而厌氧产酸过程与产甲烷过程的微生物在生态、代谢速度等方面的差异较大，产酸菌产生的挥发性有机酸不能及时被产甲烷菌消耗掉，所以容易导致甲烷化酸性失衡而使反应停顿。一般认为，投加外源性电活性材料可以促进微生物之间的电子传递过程，原因在于，电活性材料从微生物进化方面可以代替微生物用于互相接触的菌毛，有利于节省微生物的生长代谢能量，另一方面宏观尺寸的电活性材料可以使微生物之间发生长距离的电子传递，使产酸菌氧化有机物产生的电子及时有效的传递到产甲烷菌群，缓解产酸过程与产甲烷过程代谢速度不平衡的问题，使处理系统运行更稳定。

生物炭作为一种多孔材料由于其拥有极高的比表面积已被广泛应用于污水处理中并取得了良好的促进效果。除了已被广为人知的吸附作用，越来越多的研究人员开始关注生物炭介入微生物胞外电子传递过程的功能。这归因于生物炭材料的电活性，包括导电性和充放电性：一方面，生物炭的稠环芳烃结构和共轭π电子对可以让生物炭具有导体的性质使外源电子直接在生物炭内部传导；另一方面，生物炭表面具有稠环芳香烃骨架和醌/氢醌官能团结构，充电时醌基接受微生物氧化有机物产生的电子变为氢醌，放电时氢醌再将电子转移至其他微生物和电子受体如铁氧化物等，同时氢醌转变回醌基。目前，利用不同原材料烧制生物炭并将其应用厌氧处理中已被广泛报道。

然而，在低温下制备的生物炭其石墨化程度较低，稠环芳烃结构和共轭π电子对不能形成，导致其导电性较差；制备温度的上升可以生物炭材料的使石墨化程度上升，进而导电能力提高。但代价是生物炭表面的氢氧元素逐步减少，导致其官能团如醌基/氢醌消失，导致其充放电性降低。因此，如何调控制备手段使生物炭同时保留较高的导电性和充放电性以更有效的介入厌氧胞外电子传递过程成为一个亟待解决的问题。

发明内容

为解决现有生物炭制备技术的不足，本发明在传统生物炭制备工艺中加入三价铁离子，使其在生物炭烧制过程中转化成具有一定电导性的四氧化三铁从而获得同时具备优良电导性和充放电能力的含铁生物炭。本发明同时将其应用在高浓度有机污水及废物的厌氧生物处理中，使其作为电活性材料加速产酸菌与产甲烷菌之间的电子传递过程，缓解两种菌群因代谢不平衡而容易导致反应器酸化的问题。具体发明内容如下：

一种含铁污泥基生物炭材料的制备方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤：

1)将污水处理厂絮凝沉淀后产生的剩余污泥置于含有FeCl₃溶液的吸附池1中，搅拌混匀24小时，使污泥充分吸收溶液中的三价铁离子，FeCl₃溶液浓度以铁计为1g/L。

2)用碳酸氢钠将所述泥水混合液的pH调节至中性，最佳为7.0，随后静置沉淀并将上清液排出，通过离心机2使污泥进一步脱水，随后转移至悬浮池3。