CN102249409B - 一种利用太阳能的厌氧污水处理强化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用太阳能的厌氧污水处理强化装置及方法，属于厌氧污水净化领域。本发明的一种利用太阳能的厌氧污水处理强化装置，包括厌氧反应器，所述的厌氧反应器中设置有金属电极板，金属电极板与太阳能直流发电系统相连接；本发明在厌氧反应器外接太阳能直流发电系统，通过反应器污泥区的电极板，并在颗粒污泥驯化完成后向反应器中加入新型活性催化微电解填料，利用电极电场、填料和颗粒污泥微生物的联合作用，去除难降解物质，特别是对低温条件下反应器运行进行强化，同时可以节约能耗，有效提高难降解物质去除率，保持反应器持续稳定运行。本发明主要适用于工业废水、垃圾渗滤液等高浓度难降解废水的生物强化处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种厌氧污水净化领域中的生物强化装置及方法，更具体的说，它涉及一种利用太阳能的厌氧污水处理强化装置及方法，主要适用于工业废水、垃圾渗滤液等高浓度难降解废水的生物强化处理。
背景技术
高浓度难降解工业废水中污染物浓度高，废水可生化性差，对生态环境和人体健康产生危害，用传统处理工艺处理效果差，技术和经济上都存在较大困难，是工业废水处理领域长期存在的技术难题。现有技术中，有采用物化处理工艺，例如：活性炭吸附法、湿式氧化法、蒸馏法等，运行费用高，投资大，效果仍很不理想；采用焚烧法，或经大倍数加水稀释化进行生化处理，费用更加昂贵，工程化应用困难。
厌氧生物处理过程能耗低，有机容积负荷高，一般为5～10kgCOD/m3·d，最高的可达30～50kgCOD/m3·d；厌氧菌对营养需求低、耐毒性强、可降解的有机物分子量高；剩余污泥量少，耐冲击负荷能力强，产出的沼气是一种清洁的能源。
在全社会提倡循环经济，关注工业废弃物实施资源化再生利用的今天，厌氧生物处理显然是能够使污水资源化的优选工艺。近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，而上流式厌氧污泥床UASB(Up-flow Anaerobic Sludge Bed）工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源——沼气的一项技术。对于不同含固量污水的适应性也强，且其结构、运行操作维护管理相对简单，造价也相对较低，技术已经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到了广泛的欢迎和应用。但是，上流式厌氧污泥床仍存在一定缺陷，进水中悬浮物要适当控制，不宜过高，一般控制在100mg/L以下，污泥床内有短流现象，影响处理能力，并且对水质和负荷突然变化较敏感，耐冲击力稍差。
中国专利申请号：200710023837.8，发明名称为一种难降解高浓度有机废水的处理方法，该申请案公布了芬顿氧化法-EGSB-MBR组合系统处理难降解高浓度有机废水的方法；中国专利申请号：200810196051.0，发明名称为催化铁还原与厌氧水解酸化协同预处理工业废水的方法，该申请案将毒害污染物的毒性官能团脱出，减少毒性污染物对厌氧微生物毒害作用。
以上研究虽能提高废水综合生物降解性能，但也存在一定问题，对于进水悬浮物较高的污水处理效率难以保证，同时对低温下污水厌氧处理，存在比较大的缺陷。本发明所采用的填料具有一定的孔隙率，可以在发挥电解作用的同时吸附和絮凝废水中的悬浮物；同时利用太阳能将光能转化为电能，通过电化学强化低温下微生物处理效果，弥补现有太阳能转化为热能技术中产热量不足，难以提高污水温度，污水降解效率不高等缺陷。
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明针对现有厌氧污水生物处理中难降解物质（如酰胺、脂类、有机酸等）处理效率低的不足，以及厌氧反应器在低温下运行的缺陷，提供一种利用太阳能的厌氧污水处理强化装置及方法。
技术方案
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种利用太阳能的厌氧污水处理强化装置，包括厌氧反应器，所述的厌氧反应器中设置有金属电极板，金属电极板与太阳能直流发电系统相连接。
所述的太阳能直流发电系统由太阳能电池板、充电控制器和蓄电池通过导线连接。所述的金属电极板安装在厌氧反应器的污泥区，金属电极板设有1组以上，金属电极板通过电池板连接导线与太阳能直流发电系统相连接。所述的太阳能电池板的材料为太阳能多晶硅或单晶硅。
一种利用太阳能的厌氧污水处理强化方法，其步骤为：
（a）在厌氧反应器外安装太阳能直流发电系统，太阳能直流发电系统与金属电极板相连接，并处于断路状态；
（b）接种污泥，保持厌氧反应器内有机负荷低于1kgCOD/m3·d，运行2个月后逐渐提高进水浓度至2kgCOD/m3·d，对厌氧反应器中的污泥进行驯化；
（c）污泥经3~6个月完成驯化后，向污泥区加入新型活性催化微电解填料，控制填料与厌氧反应器内污泥区体积比为0.1~0.2；
（d）待颗粒污泥中有机物适应新型活性催化微电解填料共存环境后，接通电路，使污泥-填料体系在外加电压1～3V的状态下运行，形成外电场-微生物-微电解强化反应体系。
所述的厌氧反应器为上流式厌氧颗粒污泥床，驯化后厌氧反应器中污泥形态呈颗粒状。所述的厌氧反应器为膨胀颗粒污泥床，驯化后厌氧反应器中污泥形态呈颗粒状。步骤（c）中新型活性催化微电解填料为多孔架构式结构，含铁75～85%、碳10～20%、催化剂5%，阴阳极形成合金一体化，粒度为10～30mm，比重为1.0g/cm3。
本发明的原理是：在微生物-微电解反应体系中，新型活性催化微电解填料在无需外接电源的情况下自身产生1.2V电位差，当系统通水后设备内形成原电池系统，在其周围产生许多电场，形成电流。生成的Fe2+通过调节pH值进一步产生Fe3+，它们的水合物具有较强的吸附-絮凝作用，可以保证上流式厌氧污泥床对低SS浓度的要求，减小SS对颗粒污泥性状影响，保证微生物具有高反应活性。微电解反应中生成大量羟基自由基，对难降解物质有较高的去除效果。在污泥区通过电极板加外加电场后，受外电场影响，反应中产生的阴阳离子会加速向特定极板方向运动，从根本上增加了底物传质效率。在微生物-微电解反应中，离子会在外电场影响下运动形成局部浓度差，根据勒沙特列平衡移动原理，反应会降解有机物生成更多离子，达到动态平衡，加速整体反应进程。本发明通过将太阳能转化为电能，在反应器污泥区形成外电场，使反应区同时进行生化反应和电化学反应，电化学反应对微生物生化反应进行强化，形成外电场-微生物-微电解强化体系。
有益效果
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
（1）利用太阳能的厌氧污水处理强化装置及方法，以太阳能-微生物-微电解集成的形式，实现厌氧反应器处理难降解有机物的有效运行；
（2）利用太阳能直流发电系统，充分开发利用自然能源，减少电能消耗；
（3）在污泥反应区设置金属电极板，形成电场，结合生化反应和电化学反应特点，共同降解有机物，实现了二者的有效联合，充分提高反应效率；
（4）利用新型活性催化微电解填料，形成微生物-微电解反应，使生化反应实现进一步强化，同时保证处理效率；
（5）通过外电场从根本上增加传质效果，使低温条件下对微生物反应进行强化，解决厌氧反应器冬季运行处理效率普遍偏低的问题；
（6）通过投加新型活性催化微电解填料，进一步提高难降解物质处理效率，有利于提高厌氧反应器的污泥负荷及有机负荷，对保证产甲烷率也有重要作用。
附图说明
图1为本发明的一种利用太阳能的厌氧污水处理强化装置的整体工艺示意图；
图2为本发明的一种利用太阳能的厌氧污水处理强化方法的流程示意图。
附图中标号说明：
太阳能电池板1、充电控制器2、蓄电池3、厌氧反应器4、进水口5、金属电极板6、污泥7、型活性催化微电解材填料8、气泡9、出水口10、沼气口11、电池板连接导线12。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
结合图1，本发明的一种利用太阳能的厌氧污水处理强化装置，包括太阳能电池板1、充电控制器2、蓄电池3、厌氧反应器4、进水口5、金属电极板6、污泥7、型活性催化微电解材填料8、气泡9、出水口10、沼气口11和电池板连接导线12，其中厌氧反应器4中设置有金属电极板6，金属电极板6与太阳能直流发电系统相连接。
太阳能直流发电系统由太阳能电池板1、充电控制器2和蓄电池3通过导线连接，太阳能电池板1的材料为太阳能多晶硅或单晶硅。金属电极板6安装在厌氧反应器4的污泥区，金属电极板6通过电池板连接导线12与太阳能直流发电系统相连接，根据不同反应阶段，控制开关，调节电流，根据电极板尺寸和污泥区有效容积，可设多组电极板串联或并联。
厌氧反应器可选上流式厌氧颗粒污泥床（UASB）和膨胀颗粒污泥床（EGSB），其污泥形态多呈颗粒状，可以与新型活性催化微电解材填料8有效结合。厌氧反应器4设进水口5，出水口10，沼气口11，气泡9通过沼气口11进行收集。
结合图2，本发明的一种利用太阳能的厌氧污水处理强化方法，其步骤为：
（a）在厌氧反应器外安装太阳能电池板1，太阳能电池板1将接收的太阳能转化为电能，太阳能电池板1与金属电极板6相连接，将金属电极板6置于厌氧反应器4的污泥反应区，并处于断路状态；
（b）在厌氧反应器中接种污泥7，保持厌氧反应器4有机负荷低于1kgCOD/m3·d，运行2个月后逐渐提高进水浓度至2kgCOD/m3·d，对厌氧反应器4中的污泥7进行驯化；
（c）污泥7经3~6个月完成驯化后，向污泥区加入定量新型活性催化微电解填料8，控制填料与污泥区体积比为0.1~0.2，与反应区微生物共同对有机物进行降解反应，形成微生物-微电解体系；
（d）待颗粒污泥中有机物适应新型活性催化微电解填料8共存环境后，接通电路，使颗粒污泥-填料体系在外加电极的状态下反应，可以形成外电场-微生物-微电解强化体系，有效提高难降解物质的处理效率。
其中新型活性催化微电解填料（8）为多孔架构式结构，含铁75～85%、碳10～20%、催化剂5%，阴阳极形成合金一体化，粒度为10～30mm，比重为1.0g/cm3，其密度接近颗粒污泥密度。
以下结合具体实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
以上流式厌氧污泥床作为厌氧反应器4，厌氧反应器4中的污泥区设置有铜钛金属电极板，铜钛金属电极板安装有1组，铜钛金属电极板通过电池板连接导线12与太阳能直流发电系统相连接。安装1000W多晶硅太阳能电池板，太阳能电池板1导出线路上依次连接充电控制器2、蓄电池3，调节变压器使电极板间电压保持在2.0~2.5V之间。
太阳能电池板1功率为1000W，光照时间为8h，蓄电池效率以70%计，则电池板每日产电量为：Q=1000W×8h×70%×10-3=5.6kW·h。
在污水厂建立该太阳能污水处理强化工艺，其步骤为：
（a）在污水厂以上流式厌氧污泥床工艺为主，处理高浓度有机难降解废水，在上流式厌氧污泥床反应器外安装太阳能电池板1，金属电极板6采用方形TA2/T2铜钛电极板，通过电池板连接导线12连接安装到反应器污泥区；
（b）电路保持断路状态，电池板进行蓄电，同时在上流式厌氧污泥床中接种污泥7，保持上流式厌氧污泥床中有机负荷为0.8kgCOD/m3·d，运行2个月后逐渐提高进水浓度至2.0kgCOD/m3·d；
（c）对污泥7进行驯化，运行4个月后污泥逐渐呈颗粒状，向污泥区加入定量新型铁碳包容式微电解填料，其中填料含铁80%、碳15%、催化剂5%，阴阳极形成合金一体化，比重为1.0g/cm3，填料与反应区体积比为0.15，与反应区微生物共同对有机物进行降解反应，形成微生物-微电解体系；
（d）待颗粒污泥7中有机物适应填料共存环境后，接通电路，使颗粒污泥-填料体系在外加电场的状态下反应，形成外电场-微生物-微电解强化体系。
上流式厌氧污泥床上设置有进水口5、出水口10和沼气口11，气泡9通过沼气口11进行收集。通过以上步骤处理，上流式厌氧污泥床在低温下运行良好，可节约电能700~800元/年，COD去除率可提高20%～30%，氨氮去除率提高15%～20%，产甲烷率提高10%～20%。
实施例2
以膨胀颗粒污泥床作为厌氧反应器4，厌氧反应器4中的污泥区设置有网式钛电极板，网式钛电极板安装有2组，网式钛电极板通过电池板连接导线12与太阳能直流发电系统相连接。安装1500W单晶硅太阳能电池板，太阳能电池板1导出线路上依次连接充电控制器2、蓄电池3，调节变压器使电极板间电压保持在2.5~3.0V之间。
太阳能电池板1功率为1500W，光照时间为8h，蓄电池效率以70%计，则电池板每日产电量为：Q=1500W×8h×70%×10-3=8.4kW·h
在污水厂建立该太阳能污水处理强化工艺，其步骤为：
（a）在污水厂以膨胀颗粒污泥床工艺为主，处理高浓度有机难降解废水，在膨胀颗粒污泥床反应器外安装太阳能电池板1，金属电极板6采用网式钛电极板，通过电池板连接导线12连接安装到反应器污泥区；
（b）电路保持断路状态，电池板进行蓄电，同时在膨胀颗粒污泥床中接种污泥7，保持膨胀颗粒污泥床中有机负荷为1.0kgCOD/m3·d，运行2个月后逐渐提高进水浓度至2.0kgCOD/m3·d；
（c）对污泥7进行驯化，运行5个月后污泥逐渐呈颗粒状，向污泥区加入定量多元氧化微电解填料，填料与反应区体积比为0.10，与反应区微生物共同对有机物进行降解反应，形成微生物-微电解体系；
（d）待颗粒污泥7中有机物适应填料共存环境后，接通电路，使颗粒污泥-填料体系在外加电场的状态下反应，形成外电场-微生物-微电解强化体系。
膨胀颗粒污泥床上设置有进水口5、出水口10和沼气口11，气泡9通过沼气口11进行收集。通过以上步骤处理，膨胀颗粒污泥床在低温下运行良好，可节约电能1200~1300元/年，COD去除率可提高30%～40%，氨氮去除率提高20%～25%，产甲烷率提高15%～20%。
Claims (4)
1.一种利用太阳能的厌氧污水处理强化方法，其步骤为：
（a）在厌氧反应器（4）外安装太阳能直流发电系统，太阳能直流发电系统与金属电极板（6）相连接，并处于断路状态；
（b）接种污泥（7），保持厌氧反应器（4）内有机负荷低于1kgCOD/m3·d，运行2个月后逐渐提高进水浓度至2kgCOD/m3·d，对厌氧反应器（4）中的污泥（7）进行驯化；
（c）污泥（7）经3~6个月完成驯化后，向污泥区加入活性催化微电解填料（8），控制填料与厌氧反应器（4）内污泥区体积比为0.1~0.2；
（d）待颗粒污泥（7）中有机物适应活性催化微电解填料（8）共存环境后，接通电路，使污泥-填料体系在外加电压1～3V的状态下运行，形成外电场-微生物-微电解强化反应体系。
2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能的厌氧污水处理强化方法，其特征在于，所述的厌氧反应器（4）为上流式厌氧颗粒污泥床，驯化后厌氧反应器（4）中污泥（7）形态呈颗粒状。
3.根据权利要求1所述的一种利用太阳能的厌氧污水处理强化方法，其特征在于，所述的厌氧反应器（4）为膨胀颗粒污泥床，驯化后厌氧反应器（4）中污泥（7）形态呈颗粒状。
4.根据权利要求1所述的一种利用太阳能的厌氧污水处理强化方法，其特征在于，步骤（c）中活性催化微电解填料（8）为多孔架构式结构，含铁75～85%、碳10～20%、催化剂5%，阴阳极形成合金一体化，粒度为10～30mm，比重为1.0g/cm3。
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