[发明专利]改性复合石墨烯气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种改性复合石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，属于废水处理技术领域。其中，改性复合石墨烯气凝胶由氧化石墨烯在还原剂的作用下与羧基化碳纳米管通过水热法合成制备得到。本发明还提供了上述改性复合石墨烯气凝胶厌氧生物处理有机物废水的方法。本发明提供的气凝胶外观完整，结构紧密，具有低密度和高比表面积，其在厌氧生物处理有机物废水的过程中，以块状的形式存在，避免流失，提高了反应运行的稳定性；其表面的羧基和羰基等含氧官能团作为电子穿梭基团，能够增强微生物之间的胞外电子直接传递，增加反应速率，从而加速甲烷的产生和有机物的去除效率。

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种改性复合石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着医药行业的迅猛发展，随之而来抗生素制药废水的排放已成为水污染的重要来源，越来越引起人们的关注。这些抗生素类污染物通过在环境和食物链中的不断积累对水生生态系统和人类造成了亚慢性或慢性中毒，给生物多样性和人们的健康构成威胁，因此抗生素制药废水的处理亟待解决。目前，厌氧生物工艺处理抗生素废水被认为是一种经济可行的处理方法，与好氧生物处理技术相比具有多种优势，其不仅能够处理高浓度难降解的有机废水，还具有产生能源物质(甲烷)、运行成本低和剩余污泥产量少等优点。正是由于厌氧生物处理工艺能够将废水中的有机物转化为能源物质，达到了变废为宝的目的，因此得到了废水处理业界人士的青睐。

厌氧生物处理过程分为水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，厌氧生物处理的效能取决于水解产酸菌和产甲烷菌的协同作用，难降解有机污染物经水解酸化菌分解为乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸，再经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化碳，最终产甲烷菌以乙酸为主要的底物生成甲烷能源物质。当产生的挥发性脂肪酸不能被产甲烷菌及时消耗将会导致其在反应器中的累计含量过量，进而使得混合消化液酸化，而产甲烷菌只有在适宜的pH值(6.8～7.5)环境下才能正常工作。高浓度的抗生素废水对厌氧微生物的活性具有抑制作用，尤其是对生态位敏感的产甲烷菌，高浓度的抗生素废水会导致产甲烷菌生长速度缓慢，反应周期长，有机物去除率降低，甲烷产量显著减少。抗生素废水厌氧生物处理系统中产酸菌通常比产甲烷菌生长得快，有机物水解酸化产生有机酸的速率高于乙酰氧基化和甲烷化，导致反应器中挥发性脂肪酸积累，pH值下降，积累的有机酸不仅能抑制乙酰氧基化和甲烷化，还能抑制有机物的水解酸化，导致厌氧反应器有机物处理效率低甚至反应器失效，因此如何提高抗生素废水的厌氧生物处理效能迫切需要开发新的处理技术。

针对传统厌氧生物工艺处理抗生素废水存在有机物去除效率低、微生物的活性受抑制、反应器运行不稳定、易于造成酸化等不足，现有的解决方法主要有设计不同构型的厌氧生物反应器及调控不同反应器的运行参数、增加功能型微生物的丰富度和添加导电介体促进微生物间进行高效电子传递以达到协同代谢等方式。通过改进反应器的构型及运行条件能够增加废水和微生物之间的接触程度，调控反应器的运行负荷；向厌氧反应器中添加功能菌群加速特定污染物的降解，由于反应器的高效运行需要各种菌群协同代谢，且功能菌群会随着反应条件的不同而发生变化；强化厌氧生物处理过程可克服复杂底物降解速率慢或不利环境条件等因素，即是通过向厌氧生物处理系统中添加生物强化剂、氧化还原介体、填料、电场或磁场等强化措施以达到增强水解酸化菌和产甲烷菌之间的直接或间接电子传递的能力，提高功能性微生物的丰富度和多样性，降低反应的活化能，从而促进有机酸的快速转化，减少挥发性脂肪酸的积累，增强甲烷的产生速率和累计产量，进而达到厌氧生物对抗生素废水的处理效果。

改变反应器的类型和运行条件对促进抗生素废水的高效处理效果有限，仅是从宏观影响因素进行调节，同时存在操作复杂，调控周期长等不足；强化厌氧生物技术中的添加特定的生物菌剂、电场和磁场存在处理成本高、操作复杂等缺点。广泛应用的厌氧生物强化介体有铁基(零价铁、磁铁矿、氧化铁、刨花铁和含铁复合材料等)和碳基(颗粒活性炭、碳纳米管、生物炭及石墨烯等)材料，这些强化介体主要以粒子或者粉末态存在于消化液中，因此会随着出水流失，使得出水中引入了新的污染物，反应器中强化介体的浓度减少，强化效果减弱。综上，现有技术存在的不足可以归纳为以下三点：