CN102642914A - 一种催化污泥降解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化污泥降解的装置，主要由埋放在污泥中和暴露于水体中的两部分碳基材料构成。埋放于污泥中碳基材料表面附着细菌，细菌分解污染物产生电子和质子，质子山污泥扩散到水体中。本装置利用处于不同环境(溶解氧、压力、盐度等)的碳基材料产生的电势差转移电子，电子、质子和溶解氧在水体中的碳基材料表面反应生成水。本装置通过消耗微生物产生的电子和质子，催化加速了微生物降解污泥，达到了减少环境污染的目的。本发明结构简单，成本低，使用寿命长，极大降低了污泥处理人员的劳动强度。
Description
所属技术领域
本发明属于环保领域，涉及污泥处理技术，具体涉及催化污泥降解的装置。
背景技术
随着我国工业化的发展，人口数量的增加，越来越多的排放物进入水体，通过水体悬浮颗粒物的吸附和沉降作用，最终被富集于底部沉积物中形成污泥，严重威胁生态平衡和社会的可持续发展[1，2]。长期以来，我国污水处理界受“重水轻泥”倾向的影响，污泥的无害化处理问题一直未得到重视与解决[3]。近年来，山于经济发展与社会结构的迅速变迁，大众对于环境逐渐重视，相关部门已经着手对污泥进行治理[4]。治理污泥是一项艰苦而长期的工程，由于多年积累，治污成本极高，难度极大[5]。目前在我国市政污泥处理中主要采取的方法有堆肥、卫生填埋、污泥热干化、焚烧、海洋倾倒等多种处理技术，各种方法的有其不同的优缺点[6]：
(1)污泥堆肥技术：其优点为利用生物能，节约能源，肥效好；其缺点是占地面积大，周期长，易产生臭气等。
(2)卫生填埋：虽然卫生填埋操作简单、费用低，但是渗沥液难处理，影响地下水系。
(3)污泥热干化技术：优点占地少，自动化程度高，如果污泥进行完全干化，能耗很大，设备投资高。
(4)焚烧：其优势在于处理的彻底性，有机物被完全氧化，重金属几乎全被截留在灰渣中。但是该方法的缺点为费用高；在焚烧过程中产生飞灰、炉渣和烟气等难以处理的物质。
(5)海洋倾倒：目前世界各国基本上都不允许往海洋倾倒污泥。
综合如上污泥处理工艺技术存在的问题，现有的污泥处理技术很难达到国家提出的生态化、减量化和资源化的环境治理要求，我国亟需污泥处理的新方法。
众所周知，在整个生态循环系统中，微生物菌群是自然界有机废物的最主要分解者。污泥中含有丰富的厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门的细菌及其它一些未定名的类群，这几类细菌多为兼性异养产电菌，能够分解有机污染物来产电[7，8]。沉积物燃料电池是一种利用沉积物中的微生物产生电能的装置，它的工作原理是[9，10]：阳极放入沉积物中，阴极放入水体中，微生物氧化有机物和无机物产生电子，电子传递到阳极，然后通过外电路到达阴极，从而形成完整回路，产生电流。R Alberte et al 2005年专利(USpatent 691384B1，2005)公开了一种利用沉积物燃料电池产生电能的新型装置[11]。LM Tender and D Low(2009)则公开了一种利用金属锰阳极的沉积物燃料电池装置[12]。中国海洋大学付玉彬研究小组公开了两种适用于沉积物燃料电池的高性能复合阳极[13，14]，并将沉积物燃料电池应用于海洋防护和海底有机污染物降解领域[15，16]。结合污泥处理工艺技术的存在的问题和沉积物燃料电池的相关理论，本专利的思路是设计一种简易、廉价、易得、持续的装置，将微生物分解污染物产生的电子及时转移，并消耗微生物分解污染物产生的质子，从而加速催化污泥的降解。本装置与专利“一种海底有机污染物的微生物燃料电池催化加速降解方法[16]”的区别在于：电子通过埋入污泥中的碳基材料本身传递水体中的碳基材料，而不需通过导线组成的外接电路转移电子。
根据上述分析，本专利公布了一种简易、廉价、持续、高效的催化污泥降解的装置，它设计原理是：埋入污泥中的碳基材料和暴露于水体中的碳基材料由于所处环境(溶解氧、盐度、压力等)的不同，产生电势差[8，17]，污泥中碳基材料表面附着细菌分解污染物产生电子和质子，质子由污泥扩散到水体，电子通过埋入污泥中的碳基材料传递到暴露于水体中的碳基材料，质子、电子和溶解氧在水体中的碳基材料表面结合成水。本装置消耗了细菌分解有机物产生的质子和电子，进而催化加速了污泥降解，达到了降低污染的目的。增加碳基材料的表面积和对碳基材料表面改性均能够提高本装置催化降解效果。
发明的目的
为了催化污泥降解，降低污泥处理成本，减少环境污染，降低污泥处理操作人员的劳动强度，本发明公布了一种简易、持续、低成本的催化污泥降解装置。
参考文献
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发明的内容
为了解决现有污泥处理存在的问题，加快污泥降解，降低处理成本，减少清污人员的劳动强度，提供一种简易、持续、低成本的催化污泥降解装置，该装置由埋入污泥的碳基材料和暴露于水体中的碳基材料两部分组成，并且通过导电胶相互连接，本发明提供以下技术方案：
第一步：碳基材料的预处理工序。
碳基材料经砂纸反复打磨后，由丙酮超声处理10～30min，在0.1～1mol/L盐酸溶液中浸泡40～120min，用蒸馏水反复浸泡直至溶液的pH值不再发生变化，40～150℃下干燥待用。
第二步：装置的组装工序。
埋入污泥中的碳基材料直径为R，在暴露于水体中的碳基材料上打孔，孔径为R+(1～3mm)，导电胶连接，组装两部分碳基材料。
第三步：装置的埋放工序。
将本发明的一部分碳基材料埋入污泥中，一部分暴露于水体中。
第四步：污泥降解效果检测。
以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300定期测定污泥中的有机碳含量。
本专利所述的碳基材料包括碳板、碳棒、碳毡、碳布、泡沫碳和碳纤维中的任一种，通过增加碳基材料表面积和对其改性处理，提高催化降解效果。
发明的效果
与传统的污泥处理装置和方法相比，本发明具有以下优点：
1.处理成本低，催化降解效率高。
2.结构简单，安装方便，具有较强的实用性。
3.使用寿命长，稳定性好，维护费用少。
4.降低了传统污泥处理的劳动强度。
以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，采用本发明公布的装置催化污泥降解，是污泥自然降解效率的2倍以上。
附图及附图的简单说明
图1本发明装置图
图解说明：1污泥中的碳基材料部分；2水体中的碳基材料部分；3导电胶连接；
图2本发明装置原理图
图解说明：1细菌；2污泥中的碳基材料部分；3水体中的碳基材料部分；
具体实施方式
实例1：本实施例用于说明本装置采用普通碳棒和碳板组装催化污泥降解。
将碳棒(直径1cm，长30cm)和碳板(10×10×1cm)经砂纸反复打磨后，丙酮超声处理10min，在0.1mol/L盐酸溶液中浸泡40min，用蒸馏水反复浸泡直至溶液的pH值不再发生变化，40℃下干燥。碳板打孔，孔径为1.1mm，导电胶密封。
将碳棒埋入污泥中，碳板暴露于水体中。以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了23.7％，是污泥自然降解效率的2倍。
实例2：本实施例用于说明本装置采用碳棒和碳毡催化污泥降解。
将碳棒(直径1.2cm，长35cm)和碳毡(10×10×2cm)经砂纸反复打磨后，丙酮超声处理30min，在1mol/L盐酸溶液中浸泡120min，用蒸馏水反复浸泡直至溶液的pH值不再发生变化，150℃下干燥。碳毡打孔，孔径为1.5cm，导电胶密封连接处。
将碳棒埋入污泥中，碳毡暴露于水体中。以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了30.6％，是污泥自然降解效率的2.6倍。
实例3：本实施例用于说明本装置采用碳棒和碳布催化污泥降解。
将碳棒(直径1.2cm，长35cm)和碳布(13×14×0.2cm)经砂纸反复打磨后，丙酮超声处理10min，在0.1mol/L盐酸溶液中浸泡40min，用蒸馏水反复浸泡直至溶液的pH值不再发生变化，150℃下干燥。碳布打孔，孔径为1.3cm，导电胶密封。
将碳棒埋入污泥中，碳布暴露于水体中。以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了31.5％，是污泥自然降解效率的2.7倍。
实例4：本实施例用于说明本装置采用碳碳纤维和泡沫碳组装催化污泥降解。
将碳纤维(40g，长35cm)和泡沫碳(18×15×4cm)经砂纸反复打磨后，丙酮超声处理10min，在0.1mol/L盐酸溶液中浸泡40min，用蒸馏水反复浸泡直至溶液的pH值不再发生变化，150℃下干燥。碳板打孔，孔径为1cm，将碳纤维固定于碳板，导电胶密封连接。
将碳纤维埋入污泥中，碳板暴露于水体中。以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了33.8％，是污泥自然降解效率的2.9倍。
实例5：本实施例用于说明本装置使用H2SO4/HNO3混酸改性石墨棒催化污泥降解。
H2SO4/HNO3混酸改性石墨棒阳极制备。将本装置的石墨棒(直径0.8cm，长25cm)，用砂纸打磨后，丙酮超声处理20min，在1mol/L盐酸溶液中浸泡90min，将准备好的石墨棒放入体积比为3∶1的49％的硫酸和32％的浓硝酸的混合溶液中浸泡40min，反应温度为70℃，之后用蒸馏水反复浸泡清洗，直至溶液的pH值不再发生变化。将石墨棒放入鼓风干燥箱，80℃下干燥10h，制得H2SO4/HNO3混酸改性石墨棒。碳板打孔，孔径为0.9cm，将碳纤维固定于碳板，导电胶密封连接。
采用经H2SO4/HNO3混酸改性的石墨棒组装本发明公布的装置，将碳棒埋入污泥中，碳板暴露于水体中。以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，本发明公布的装置放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了24.6％，是污泥自然降解效率的2.1倍。
实例6：本实施例用于说明本装置的碳棒通过Fenton试剂改性提高污泥降解效果。
Fenton试剂改性碳棒(直径1.1cm，长度40)的制备。将本装置的碳棒用丙酮超声处理30min，在1mol/L盐酸溶液中浸泡90min，用蒸馏水反复浸泡清洗，直至溶液的pH值不再发生变化。加入200mL 1mol/L FeSO4溶液，调整pH＝3，加入240mL浓度为30％的H2O2溶液，室温下超声处理10min，用蒸馏水反复浸泡清洗，直至溶液的pH值不再发生变化。最后，将碳棒放入鼓风干燥箱内，在80℃下干燥10h，制得Fenton试剂改性碳棒。碳板打孔，孔径为1.2cm，将碳纤维固定于碳板，导电胶密封连接。
采用经Fenton试剂改性的石墨棒组装本发明公布的装置，将碳棒埋入污泥中，碳板暴露于水体中。以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，本发明公布的装置放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了25.7％，是污泥自然降解效率的2.2倍。
实例7：本实施例用于说明通过增加碳板面积提高污泥降解效果。
将实施列1中的碳板面积增加一倍，经过相同处理后，将碳棒埋入污泥中，碳板暴露于水体中，测试装置的降解效果。以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，本发明公布的装置放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了33.8％，是污泥自然降解效率的2.9倍。
实例8：本实施例用于说明通过增加本装置碳棒数量催化污泥降解。
将实施列1中的碳棒数量增加一倍，经相同处理后，将碳棒埋入污泥中，碳板暴露于水体中，测试装置的降解效果。
以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，本发明公布的装置放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了34.3％，是污泥自然降解效率的3倍。
实例9：本实施例用于说明通过增加碳棒长度提高污泥降解效果。
将实施列1中的碳棒的长度增加一倍，经相同处理后，将碳棒埋入污泥中，碳板暴露于水体中，测试装置的降解效果。
以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，本发明公布的装置放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了35.7％，是污泥自然降解效率的3.1倍。
实例10：本实施例用于说明通过增加碳棒直径提高污泥降解效果。
将实施列1中的碳棒的直径增加一倍，经相同处理后，将碳棒埋入污泥中，碳板暴露于水体中，测试装置的降解效果。
以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，本发明公布的装置放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了36.9％，是污泥自然降解效率的3.2倍。
实例11：本实施例用于说明本发明降解石油污染物。
取适量污泥已与过量的原油搅拌混合，模拟石油污染物，将本发明的碳棒埋入污泥中，碳板暴露于水体中，测试装置的降解效果。
以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，本发明公布的装置放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了46.4％，是污泥自然降解效率的4倍。
实例12：本实施例用于说明本发明降解河底石油污染物。
取适量河底污泥已与过量的原油搅拌混合，模拟石油污染物，将与实施列11相同的本装置安放于石油污染物中，测试装置的降解效果。
以有机碳含量表征污泥的降解效果，采用总有机碳(TOC)分析方法中HT1300测定污泥中的有机碳含量。经测定，本发明公布的装置放置50天后，污泥中有机碳的含量下降了22.4％，是其自然降解效率的2倍。降解率明显小于实施列11，分析原因是河水的导电性差造成的，可通过增加碳基材料的面积和对碳基材料改性来提高装置的降解效果。
以上对本发明的特定实施例进行了说明，但本发明的保护内容不仅仅限定于以上实施例，在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在其技术要旨范围内，进行多样的变更。
Claims (3)
1.一种催化污泥降解装置，其特征在于由埋入污泥中的碳基材料和暴露于水体中的碳基材料组成，并且通过导电胶相互连接。
2.权利要求1所述的碳基材料，包括碳板、碳棒、碳毡、碳布、泡沫碳和碳纤维中的任一种。
3.权利要求1所述的一种催化污泥降解的装置，其特征在于通过增加碳基材料的表面积、碳基材料表面改性可以提高催化降解效果。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN105152508A (zh) * | 2015-09-16 | 2015-12-16 | 张易凡 | 增强污泥厌氧发酵装置 |
| CN111138058A (zh) * | 2019-12-16 | 2020-05-12 | 广东省微生物研究所（广东省微生物分析检测中心） | 一种污染水体底泥环境修复的简便方法 |
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2012
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 宋天顺等: "沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展", 《现代化工》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN105152508A (zh) * | 2015-09-16 | 2015-12-16 | 张易凡 | 增强污泥厌氧发酵装置 |
| CN111138058A (zh) * | 2019-12-16 | 2020-05-12 | 广东省微生物研究所（广东省微生物分析检测中心） | 一种污染水体底泥环境修复的简便方法 |
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