MIL-100(Fe)改性微生物电解池阴极的污泥厌氧发酵产甲烷研究

黄恒旭¹,黄鸿鑫¹,郑烨鑫¹,刘常青^3.4,郑育毅^1.2.3

(1.福建师范大学环境与资源学院、碳中和现代产业学院, 福建 福州 350007;

2.福建省污染控制与资源循环利用重点实验室, 福建 福州 350007;

3.城市废物资源化技术与管理福建省高校工程研究中心, 福建 福州 350007:

4.福建师范大学地理科学学院、碳中和未来技术学院, 福建 福州 350007)

摘 要：将 MIL-100(Fe)涂布于微生物电解池(MEC)阴极,构建了改性电极的微生物电解池-厌氧消化耦合工艺(M-MEC-AID),并与传统微生物电解池-厌氧消化耦合工艺(MEC-AD)在相同条件下进行污泥厌氧发酵的对照性实验,探究甲烷产量和可溶蛋白质、氨氣、COD、挥发酸含量的变化。结果显示,相较子MEC-AD,M-MEC-AD 的累计甲烷产量增加19.02%,可溶蛋白降解率提高6.31%,氨氣含量增加6.04%,挥发酸分解加快,全周期挥发酸浓度降低,有效减轻酸抑制影响。

关键词：MIL-100(Fe);微生物电解池;污泥;厌氧发酵;甲烷产量

微生物电解池( Microbial electrolytic cell,MEC)是由电活性微生物所驱动,在施加1个较小电压的情况下,可以把有机废弃物转化生成有价值的产物。MEC的基本原理:附着在MEC阳极表面的电活性微生物(exoeleclrogen,也称为产电菌)将有机物氧化为电子、质子和二氧化碳,电活性微生物通过胞外电子传递机制将电子传递至阳极,在外加电场的驱动下,电子经外电路由阳极传递至阴极,结合氢离子产生氢气。

厌氧消化(anearobie digestion,AD),包含水解阶段、酸化阶段、乙酸化阶段和产甲烷阶段,是目前处理有机废物的主要手段,在降解有机废物的同时产生甲烷,实现了资源的回收利用!。蛋白质和碳水化合物是大部分有机废物的主要成分,碳水化合物在MEC-AD中的处理效率较高,而蛋白质由于其独特的三维结构,较碳水化合物不易被水解利用。MEC-AD虽然相较于传统厌氧消化能明显提高蛋白质产甲烷性能但其转换效率仍然较低,为了进一步提升MEC-AD性能,需要改善MEC。影响MEC性能的因素有很多,比如反应器构型、输人电压、生物活性以及电极材料等。其中电极材料不仅是功能微生物的载体,而且由其决定的电子转移效率也对MEC性能有着至关重要的影响,故需要选取有较好电化学性能的材料。

MIL-100是金属有机骨架(Metal-0rganicFrame-works,MOF)中的1种具体类型,是由铁离子(Fe)与均苯三酸(BTC)等有机配体通过自组装形成高度有序的多孔晶体。MIL-100(Fe)作为MOF中重要的一员，其不仅具有MOF大比表面积、高孔率等优点，而且还展现出较强的氧化还原活性。故其不仅可以利于微生物的附着和相应酶的固定,而且可以提高电子传递速率,从而加快产生氢气,促进产氢产甲烷菌生长,进而提高甲烷产量。

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