预处理提高藻类污泥厌氧消化产甲烷能力的方法

技术领域

本发明涉及污泥处理领域，尤其是利用超声波和零价铁协同预处理提高藻类污泥厌氧消化产甲烷能力的方法。

背景技术

藻类给淡水生态系统带来严重的环境问题，由于藻类的生物量产量和能源含量，是一种潜在的环保资源回收过程，厌氧消化利用几乎所有可生物降解的成分，如碳水化合物、蛋白质和脂质，用于沼气生产的原料，藻类的厌氧消化受到难以破坏藻类细胞壁的限制，有效的预处理方法对于厌氧消化前破坏藻类细胞壁的过程至关重要，使用机械、超声(US)、微波、热、化学或生物过程或通过这些过程的组合进行预处理，以破坏藻类结构和增加底物可用性，机械过程通常应用于大型藻类，而微波通常应用于微藻类。在厌氧消化前对微藻生物量进行超声预处理，发现甲烷产量提高了超声强度。同时，生产甲烷产生的能量不能满足超声处理的能量需求。热预处理是提高批量或半连续分解净能量产生的有效技术，超声作为一种能源密集、高效的方法，在分解污泥絮凝体、提高污泥细菌裂解和退水性方面表现出良好的性能。

本研究的目的是研究预处理藻污泥发酵后甲烷产量的改善。分析和讨论了藻类污泥池在预处理后的细胞破坏、细胞内聚合物释放、预处理后的藻类溶解度和脱水能力。采用生化甲烷潜力(BMP)试验对处理后的藻类的累积甲烷产量进行了分析。通过基于数学模型的分析，讨论了藻类甲烷的产生潜力和水解速率。本研究的结果为藻类污泥生产甲烷的新型节能和生态友好工业模型的开发提出了一个理论。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，提供利用超声波和零价铁协同预处理提高藻类污泥厌氧消化产甲烷能力的方法。

本发明通过下述方案实现：

利用超声波和零价铁协同预处理提高藻类污泥厌氧消化产甲烷能力的方法，该方法包括以下步骤：

S1、微藻污泥和种子污泥的准备；

S2、ZVI和US预处理；

S3、生化甲烷电位测试；

S4、BMP测试建模；

S5、基本参数分析；

S6、微生物群落分析。

优选的，在所述步骤一中，所述新鲜微藻污泥的初始TS浓度为10.48±0.04g/L，VS浓度为10.05±0.01g/L。

优选的，在所述步骤二中，本研究中使用的ZVI，尺寸为0.147mm，纯度为98％。

优选的，在所述步骤三中，预处理后的藻类和种子污泥初始VS比为2.1：1，用橡胶塞密封反应器，培养箱中恒温温度为37±1O℃，在培养箱中进行了3次批量测试，为期37天，直到反应器中的沼气产量下降到微不足计的水平。

优选的，在所述步骤四中，利用与藻类污泥中甲烷产量相关的两个关键参数，对剂量预处理下的甲烷生产动力学和甲烷生产潜力进行了评价，利用双底物模型可以提供不同US和ZVI浓度下预处理藻类污泥中快速和缓慢可降解成分的信息。

优选的，在所述步骤五中，对种子污泥和藻类的基本参数进行了三次重复测试，且在每次采样事件前，使用纳米计测量沼气体积，并且使用GC分析仪测试甲烷产量。

优选的，在所述步骤六中，收集藻类污泥样品，且提取DNA测量浓度和纯度，在所述步骤六中，对细菌和古细菌16SDNA基因的V4区进行PCR检测，且操作分类单元使用97％的识别阈值进行分类分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用超声波和零价铁协同预处理提高藻类污泥厌氧消化产甲烷能力的方法中零价铁和超声波的共存可以增强零价铁氧化成Fe(II)和羟基的生成，从而促进藻类污泥中藻类细胞的破坏和细胞内聚合物的释放，这最终可以提高藻类污泥的甲烷生产潜力，并在低能耗基础上提高消化后藻类的脱水能力。

2、为了减少能源需求，ZVI和藻类的共消化能提高甲烷产量。其他环保的预处理工艺也可用于与藻类污泥的共消化，以提高甲烷产量。

3、

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为零价铁和超声预处理前后藻污泥的特性；

图2为藻污泥预处理前后Chl-a发生变化；

图3为用

图4为厌氧消化后的荧光激发发射基质；

图5为预处理后、厌氧消化前后藻类的退水性；

图6为不同反应器微生物群落的门级分类(门分类占每个样品总序列的1％)。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

微藻污泥和种子污泥，藻类污泥由微囊藻属组成，微囊藻属，在藻类污泥中占主导地位，其比例超过98％。新鲜微藻污泥的初始TS浓度为10.48±0.04g/L，VS浓度为10.05±0.01g/L。

实施例2

ZVI和US预处理，处理30min后，以0、1、2、5、10、20g ZVI/gTS的藻类污泥进行ZVI预处理。处理采用清洁剂混合ZVI和藻类。本研究中使用的ZVI尺寸为0.147mm，纯度为98％。放在瓶子里的固体铁是离开的预处理后的液体溶液用于基本参数分析和随后的生化甲烷电位(BMP)测试。

实施例3

生化甲烷电位测试，采用BMP试验测定了经US和ZVI预处理后的藻类污泥的甲烷产量，将预处理后的藻类和种子污泥转移到相应的反应器中，初始VS比为2.1：1，所用反应器的总体积为每个反应器加入310mL、100mL的种子污泥和藻污泥80mL。将种子污泥和藻类完全混合，用纯氮冲洗25min厌氧条件下的气体。对100mL的种子污泥和80mL的MilliQ水代替藻类进行了空白试验。然后用橡胶塞密封反应器，培养箱中恒温温度为37±1O℃，在培养箱中进行了3次批量测试，为期37天，直到反应器中的沼气产量下降到微不足不计的水平，在前7天和24天内，每天监测沼气产量，藻类污泥产生的净沼气是通过减去空白反应器产生的沼气来确定的。甲烷体积是根据产生的沼气和测试的甲烷浓度计算出的甲烷体积，甲烷产量记录为每公斤在反应器中加入的TCOD藻类(LCH4/kgTCOD藻类)产生的甲烷柱。

实施例4

BMP测试建模，利用与藻类污泥中甲烷产量相关的两个关键参数，即水解速率(k)和生化甲烷潜力(B0)，对不同剂量预处理下的甲烷生产动力学和甲烷生产潜力进行了评价。单底模型和双底模型见公式(1)和(2)。

B(t)＝B

B(t)＝B

实施例5

基本参数分析，根据标准方法，对种子污泥和藻类的基本参数进行了三次重复测试。在进行BMP试验前，对藻类污泥和种子污泥的TS、VS、TCOD、SCOD进行了分析。测定了

实施例6

微生物群落分析，分析了R1、R2、R3、R5、R7反应器中藻类污泥消化后的微生物群落结构。收集藻类污泥样品，以10000rpm离心5min。DNA采用DNA提取试剂盒引物515F(5-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3)和806R(5-GGACTACHVGGGTWTCTAA T-3)，针对细菌和古细菌16SDNA基因的V4区进行PCR检测，然后使用Illumina Hiseq 2500(PE250)平台对样本进行测序。操作分类单元(OTUs)使用97％的识别阈值进行分类分类分析。

实施例7

本研究采用ZVI和US预处理方法，促进藻类细胞壁的破坏，进一步增加藻类厌氧消化过程中的甲烷产量。

ZVI浓度为10g ZVI/gram藻类TS时，SCOD增量最高，其中SCOD释放量最高。与1gZVI/克藻类TS和2g ZVI/克藻类TS相比，5g ZVI/克藻类TS的SCOD释放增强作用较低。这一结果表明，在5g ZVI/g的藻类TS中，部分释放的囊囊被氧化和碳化。同时，随着ZVI浓度从5gZVI/克藻TS增加到10g ZVI/克藻TS，当ZVI浓度增加到20g ZVI/克藻TS时，SCOD释放量显著提高，且略有降低。这一发现表明，在5g ZVI/克藻TS的ZVI用量和20g ZVI/克藻TS被氧化。当ZVI剂量高于10g ZVI/g藻类TS时，藻类细胞破坏增强，藻类中SCOD释放量最高。ZVI浓度为ZVI/g藻TS和ZVI/g藻TS浓度为ZVI的TCOD结果略低，与SCOD结果的结论一致。ZVI剂量为2g ZVI/克藻TS时TCOD最高，ZVI剂量为10g ZVI/克藻TS时SCOD最高。此外，这一发现可以支持ZVI剂量为10g ZVI/g藻类TS时藻类细胞破坏最好的结论。对于藻细胞破坏的过程规模技术，有能力实现高固体生物量的连续过程，能量高效，并导致最小的产品降解是必要的。藻细胞破坏14.17％，25.20％，35.77％，45.05％，61.07％和71.52％，

本研究采用单底模型和双底模型两种模型模拟甲烷产量。在本研究中，只有单底模型很好地拟合，经过预处理后，R2反应器对R7反应器的水解率分别提高了1.62、2.86、2.77、2.71、3.42和3.21倍。R1反应器和R7反应器的生化甲烷电势(B0)分别为60.00、54.83、44.63、50.24、58.89、54.90和68.43L CH4/kg TCOD藻类。通过相应的方程模拟，R1～R7的甲烷浓度分别为34.38、40.99、40.77、45.48、53.04、51.91和63.97LCH4/kg TCOD藻类。这一发现表明，纯藻类具有较高的生化甲烷生产潜力。

分析比较R1、R2、R3、R5、R7反应器消化后的微生物群落结构。不同反应器在门水平上的微生物种群数量如图5所示。未经藻类污泥预处理的反应器中最丰富的细菌是衣藻菌、螺旋藻、醋杆菌、变形菌门、氯菌、微菌和拟杆菌门。消化后占反应器细菌总数的近90％，氯殖质菌含量超过30％。在R2、R3、R5和R7反应器中，最丰富的微生物种类与R1的情况非常相似。在R3、R5和R7中，使用ZVI和US进行预处理，凝殖质膜的百分比低于R1和R2。与R1相比，R2、R3、R5和R7中螺旋体菌的百分比增加。螺旋菌门、醋热门、变形菌门、变形菌门和拟杆菌门中的微生物被广泛报道为将有机化合物转化为挥发性脂肪酸的有效细菌。通过ZVI和US的共预处理，提高了这些细菌的百分比。除了细菌序列外，在所有分析的反应器中也检测到类似的古细菌。这一发现表明，本研究中共预处理过程不受产甲烷菌的影响。

建立了一种利用零价铁和超声波共预处理藻类污泥发酵以提高甲烷产量的新方法。本研究可作为一种新的处理藻类污泥的节能模型。结果表明，

尽管已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案，这对本领域的技术人员而言是显而易见，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。