优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法技术

本发明专利技术属于有机固废资源化利用技术领域，涉及一种优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法。该方法在有机固废厌氧消化中投加多孔磁性材料作为生物载体，并在厌氧反应器外围设置磁铁，通过磁场控制厌氧反应器内多孔磁性材料的空间分布，优化富集不同空间位置的功能微生物，突破有机固废基质和功能微生物间形成的“固

【技术实现步骤摘要】
优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法


[0001]本专利技术属于有机固废资源化利用
，涉及一种有机固废厌氧消化的方法，尤其是一种优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法。

技术介绍

[0002]我国有机固废主要分为生活源和工业源废弃物，其中生活源有机废弃物包含餐厨垃圾、厨余垃圾和城市污泥等。我国城镇地区污泥年产量超过8000万t(含水率80％)，厨余垃圾(包含餐厨垃圾)年产量约为1.28亿t。有机固废具有资源与污染双重属性，因此，其处理处置需遵循稳定化、减量化、无害化和资源化(“四化”)的原则。厌氧消化被认为是可以实现“四化”且具有前景的技术。厌氧消化，即在无氧条件下，厌氧微生物将有机质降解转化为沼气(主要组分为甲烷和二氧化碳)。但是，有机质降解率低以及甲烷产量低下限制了该技术的发展。
[0003]目前，已有研究利用磁场作用强化有机固废厌氧消化。中国专利申请CN114783714A公布了一种磁性秸秆生物炭促进厌氧发酵的方法，该磁性材料可提供稳定磁场以增强厌氧微生物细胞膜的传质速率，从而促进微生物代谢活动；并且磁性材料表面可快速富集微生物，形成生物膜。中国专利申请CN115418377A公布了一种外加磁场强化厌氧微生物生产己酸的方法，通过外加磁场强化电子传递速率，从而提高微生物代谢活性。中国专利申请CN113857218A公布了一种基于动态磁场下强化零价铁降解餐厨垃圾的装置及工艺，利用动态磁场产生的电场促进厌氧反应器中微生物直接种间电子传递，同时微弱磁场加速零价铁的溶出并促进厌氧微生物的活性，改变微生物群落结构，从而富集产甲烷菌。
[0004]上述方法均公开了利用磁场作用促进厌氧微生物代谢活动，主要原理是通过外加磁场或者添加磁性材料以产生微磁场，通过微磁场强化微生物代谢，从而改善有机固废厌氧消化性能。但是，厌氧消化过程需要多种微生物共同协作，而不同微生物在反应器中具有不同的空间生态位，已公开的利用磁场作用强化有机固废厌氧消化的研究均聚焦于对微生物的整体调控，忽视了微生物空间生态位对微生物间互营代谢的重要作用，此外，已公开的方法需要在完全混合反应器(CSTR)中连续投加材料，而不能高效分离固体停留时间(SRT，功能微生物的停留时间)和水力停留时间(HRT，有机固废基质的停留时间)。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法，以实现有机固废的高效厌氧生物转化。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法，所述方法为在厌氧消化系统中投加适量多孔磁性材料作为生物载体，并在厌氧反应器外围设置磁铁，通过磁场控制厌氧反应器内多孔磁性材料的空间分布，优化富集不同空间位置的功能微生物，突破有机固废基质和功能微生物间形成的“固
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液
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固”多介质界面生化反应屏障，分离有机固废在CSTR厌氧消化中的SRT和HRT，实现有机固废的高效
厌氧生物转化。所述多孔磁性材料为以铁的氧化物为核心。铁的氧化物可以是带有磁性的三氧化二铁或者氧化铁。
[0007]进一步地，所述多孔磁性材料为常见的以Fe3O4为核，苯乙烯、丙烯酸系中的一种或者多种有机物为单体的多孔材料，或者说，包裹Fe3O4的是以苯乙烯、丙烯酸系中的一种或者多种有机物为单体的聚合物。
[0008]进一步地，所述磁铁为半圆磁铁、瓦型半圆磁铁或者圆型磁铁；所述磁铁产生的磁场强度在1～60mT。进一步优选地，所述磁铁为瓦型半圆磁铁。磁场强度可以是10～50mT，20～40mT，或者23
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35mT等。
[0009]进一步地，所述有机固废为污水厂污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾和湿垃圾中的一种或者多种。
[0010]进一步地，基于微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法包括以下步骤：
[0011]1)将适量接种物、有机固废基质以及多孔磁性材料加入厌氧反应器中，并在反应器外围设置磁铁；调节混合物pH值(6.8～7.2)、反应温度(35～55℃)以及搅拌速度(80～120rpm)，进行有机固废厌氧消化反应。反应过程中的搅拌速度、反应温度和pH值可以根据具体情况确定。例如，pH值可以是中性7.0，误差不大于0.1；反应温度可以是35
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43℃，上下温差不超过1℃，搅拌速度可以是90
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110rpm乃至100
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110rpm等。在本专利技术的一个优选实施例中，反应温度为35
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37℃，搅拌速度是100
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120rpm。
[0012]2)在反应过程中多孔磁性材料的空间位置随时间变化，以优化富集不同空间生态位的微生物。多孔磁性材料的空间位置随时间变化可以是定期的变化也可以是按照设定参数进行变化，位置的变化可以是横向变化、竖向变化或者曲线变化。
[0013]进一步地，所述厌氧消化中,接种物与有机固废基质的挥发性固体质量比为(0.5～3)：1，优选为(0.5～2)：1。接种物与有机固废基质的挥发性固体的总固体量为1.5～8.2％(w/w)，优选为2.0
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6.5％(w/w)，更优为3.5
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4.5％(w/w)。多孔磁性材料投加量为混合有机固废总质量的5～25％(w/w)，优选为10～15％(w/w)。
[0014]进一步地，所述厌氧消化中，厌氧反应器外置的磁铁位置呈竖向变化，调控时间变化范围为0～30d，优选为2
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20d，更优为3
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5d。
[0015]进一步地，所述厌氧消化体系进行批次、半连续或连续运行。
[0016]本专利技术的原理为，利用以Fe3O4为核的多孔磁性材料作为生物载体，为厌氧功能微生物提供附着点，通过外加磁场调控多孔磁性材料在厌氧消化反应器中的空间分布，在不同空间位置的颗粒表面形成具有不同功能的生物膜，增强功能微生物的互营代谢，利于提高厌氧消化产气效率。
[0017]本专利技术将投加的多孔磁性材料与外加磁场联合，外加磁场可以调控体系内多孔磁性材料的移动，实现定向富集厌氧消化体系内不同空间生态位的功能微生物，克服有机固废体系内因“固
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液
‑
固”传质效率不佳限制微生物靶向降解有机质的问题，同时外加磁场能固定富集了功能微生物的多孔磁性材料，即功能微生物不会随有机固废的流动而流失，从而实现有机固废厌氧消化中SRT和HRT分离，提高有机固废厌氧消化效率。
[0018]本专利技术还提供了一种优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的设备，包括厌氧消化反应器，所述的设备包括磁铁，磁铁对称的设置在厌氧消化反应器外壁的外
周并且通过磁铁支架沿着厌氧消化反应器外壁上下移动；多孔磁性材料分布在厌氧消化反应器内部。
[0019]进一步地，所述的优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的设备中，磁铁的形状与厌氧消化反应器外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法，其特征在于，在有机固废厌氧消化中投加多孔磁性材料作为生物载体，并在厌氧反应器外围设置磁铁，通过磁场控制厌氧反应器内多孔磁性材料的空间分布，优化富集不同空间位置的功能微生物，突破有机固废基质和功能微生物间形成的“固
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液
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固”多介质界面生化反应屏障；所述多孔磁性材料为以铁的氧化物为核心。2.根据权利要求1所述的优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法，其特征在于，所述多孔磁性材料为以Fe3O4为核，以苯乙烯、丙烯酸系中的一种或者多种有机物为单体的多孔材料。3.根据权利要求1所述的优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法，其特征在于，所述磁铁为半圆磁铁、瓦型半圆磁铁或者圆型磁铁；所述磁铁产生的磁场强度在1～60mT。4.根据权利要求1所述的优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法，其特征在于，所述有机固废为污水厂污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾或者湿垃圾中的一种或者多种。5.根据权利要求1所述的优化微生物空间生态位诱导有机固废高效厌氧消化的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将接种物、有机固废基质以及多孔磁性材料加入厌氧反应器中，并在反应器外围设置磁铁；调节混合物pH值为6.8～7..2、反应温度为35～55℃、搅拌速度为80～120rpm，进行有机固废厌氧消化反应；2)在反应过程中多孔磁性材料的空间位置随时间变化，以优化富集不同空间生态位的微生物。6.根据权利要求5所述的优化微生物空间生态位诱导...

【专利技术属性】
技术研发人员：许颖，耿慧，戴晓虎，杨殿海，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：