[发明专利]一种用于废水厌氧处理中促进生物产甲烷性能的材料

说明书

本发明《一种用于废水厌氧处理中促进生物产甲烷性能的材料》属于环境能源回收的应用。快速且高效地使废水中的含碳有机物通过微生物厌氧过程产生具有较高能源价值的甲烷气体是微生物厌氧处理废水技术进步的目标之一，本发明提供了一种指向上述目标的途径。本案要点是通过分子设计的方法合成具有较高导电性、稳定性及生物亲和性的聚苯胺基导电材料并将其投加到厌氧生物处理系统中。与传统的厌氧生物处理系统相比，投加聚苯氨基导电材料的厌氧生物处理系统具有更加快速的产CH₄速率且更短的水力停留时间。同时，聚苯氨基导电材料具有成本低廉，易于制备，稳定性高的优点。聚苯氨基导电材料的新功能的发现将在污水处理等方面具有巨大的应用价值。

技术领域

本发明属于污水处理与资源化领域，涉及一种用于废水厌氧处理中生物产甲烷性能的导电聚苯氨基材料。

背景技术

废水中含有大量的有机污染物，已被认为是一种能源资源。我国每年平均排放废水超过6.85×109 t，COD排放量约为2.42×106 t，因此将废水CH₄能源化具有很大的潜力。

在厌氧生物过程中，废水中有机污染物转化为CH₄共包括水解、酸化、产乙酸产氢和产甲烷4个阶段。酸化和产乙酸过程中，细菌将废水中有机污染物分解并产生小分子的中间产物，如挥发性脂肪酸(VFAs)、CO₂，同时释放电子。厌氧生物产CH₄包括两个路径：其一，在乙酸营养型产甲烷菌的作用下，乙酸被转化为CH₄和CO₂；其二，电子利用环境中的H⁺生成H₂，氢营养型甲烷菌再利用H₂，将CO₂还原转化为CH₄。

在氢营养型产甲烷路径中，H₂通过扩散传递给厌氧污泥中的氢营养型产甲烷菌。因此，体系中H₂浓度决定着氢营养型产甲烷过程。H₂浓度过高会抑制古菌的活性，从而影响产甲烷性能；而H₂浓度过低又会减缓其在污泥中的扩散，减弱氢营养型产甲烷菌利用CO₂产CH₄的性能。同时，废水厌氧生物处理中产CH₄需要较长的水力停留时间，导致产CH₄速率较低。

为了解决该问题，研究人员将具有较高导电性的活性炭布、活性炭、生物炭等碳系导电材料和零价铁(ZVI)、Fe₂O₃、Fe₃O₄和针铁矿等铁系材料用于厌氧生物处理体系中，强化厌氧生物产CH₄速率。研究表明，活性碳布(电阻约为18.5 mS/cm)和生物炭(3~5 µS/cm)、活性炭颗粒（3000 µS/cm）均能通过直接种间电子传递的作用有效促进厌氧生物产甲烷。然而，活性碳材料导电性相对较差，且在厌氧生物环境中不稳定，易被生物进一步活化，致其导电性更差；而铁材料易在厌氧环境中易被腐蚀和溶解，失去电子导体的功能，并对水体造成影响。此外，导电材料与厌氧微生物之间良好的亲和性是保证生物活性和直接种间电子传递的基础。

因此应该提供一种导电材料不仅能促进厌氧生物产CH₄，同时材料本身还应具备高的导电性，高的稳定性及高的生物亲和性。