CN104671863A - 一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置及其启动运行方法 - Google Patents

一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置及其启动运行方法 Download PDF

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Abstract

一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置及其启动运行方法，本发明涉及厌氧堆肥装置。本发明是要解决现有的厌氧堆肥法的堆肥进度慢，周期长，腐熟效果差的技术问题。该装置包括厌氧堆肥室、电化学极室和贮电或用电器，厌氧堆肥室位于反应器中心，由内壳围绕的空间形成，其中设置第一石墨刷电极，内壳的侧壁为质子交换膜，电化学极室是由反应器的外壳与内壳之间的空间形成，其中设置第二石墨刷电极，在电化学极室内添加电极液；第一石墨刷电极与第二石墨刷电极用铜导线连接成闭合回路。该装置以脱水污泥为堆肥原料，35～40天腐熟，腐熟度比现有的堆肥方法提高28％～30％，本装置可用于厌氧堆肥。

Description

一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置及其启动运行方法
技术领域
本发明涉及厌氧堆肥装置及其启动运行方法。
背景技术
随着水处理技术的不断发展，污水处理量迅速增加，污水处理过程中产生的污泥量不断增加，未经处理的污泥具有含水率高，有机物含量高，同时含有大量的生物化学有毒有害物质，若直接排入环境会极大的危害，因此如何高效，迅速，经济的处理污泥已经成为环境领域的难题。污水处理厂的剩余污泥经过脱水间的脱水处理后产生的污泥即为脱水污泥。目前，脱水污泥的处理处置方法有焚烧、填埋、消化、堆肥等。其中脱水污泥的堆肥方法是将脱水污泥在不通气的条件下进行厌氧发酵，得到的堆肥产物可用于作为土壤改良剂或肥料，是一种有利于污泥可持续利用的工艺。公开号为CN103172423A的中国专利公开了一种高效厌氧堆肥反应器，该反应器包括反应室系统和搅拌系统，反应室系统中的反应室为设有水夹套的密封容器，反应室顶盖中心设有取样管和旋转阀；反应器外壁采用水夹套的结构来维持反应器的恒温。但是该反应器堆肥进度缓慢、周期长，腐熟效果差。
发明内容
本发明是要解决现有的厌氧堆肥法的堆肥进度慢，周期长，腐熟效果差的技术问题，而提供一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置及其启动运行方法。
本发明的提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置，包括厌氧堆肥室、电化学极室和贮电或用电器，厌氧堆肥室位于反应器中心，是由内壳围绕的空间形成，电化学极室是由反应器的外壳与内壳之间的空间形成；厌氧堆肥室的内壳的侧壁为质子交换膜，在厌氧堆肥室中设置第一石墨刷电极作为辅助厌氧堆肥电极，第一石墨刷电极上附着电化学活性菌,厌氧堆肥室中还设置有参比电极和测温探头，在厌氧堆肥室的顶部设有集气口；电化学极室内设置至少一个第二石墨刷电极作为电化学电极，在电化学极室内添加由K3[Fe(CN)6]与KH2PO4的混合而成的电极液；厌氧堆肥室中的第一石墨刷电极与电化学极室内的第二石墨刷电极用铜导线连接成闭合回路，该回路中设外接贮电或用电器。
本发明采用内外室结构，内部为厌氧堆肥室，其内利用脱水污泥进行厌氧堆肥，外部为电化学极室，厌氧堆肥室与电化学极室通过离子交换膜隔开，内外室结构有利于厌氧堆肥室内的质子快速传导到电化学极室；厌氧堆肥室内的脱水污泥中含有多种类有机物，复杂有机物在厌氧条件下经水解酸化过程形成简单可溶性有机物，简单有机物被附着于第一石墨刷电极1-2上的电化学活性菌利用，在代谢过程中产生电子经电极传导于电化学极室内的第二石墨刷电极2-2，在电化学极室内被电极液2-3参加化学反应，用铜导线将第一石墨刷电极与第二石墨刷电极及外接的贮电或用电器3接成闭合回路，将产生的电能加以利用。
本发明为生物电化学辅助厌氧堆肥系统，引入电化学活性菌，借助电化学过程强化了脱水污泥厌氧堆肥的矿化作用，加快厌氧堆肥进程，可在一定程度上缩短厌氧堆肥周期，提高脱水污泥厌氧堆肥腐熟度，同时本发明不仅不消耗能源，反而产生能源，可回收电能，与现有的通过厌氧消化等消耗能源的污泥处理方法相比较，是较大的进步。
通过以脱水污泥为堆肥原料、铁氰化钾为电化学电极液的生物电化学辅助厌氧堆肥系统，对比相同条件下的厌氧堆肥系统，35天后生物电化学辅助厌氧堆肥系统中污泥TOC去除率可达到23.6％，高于普通厌氧堆肥系统中污泥TOC去除率(19.3％)，证明生物电化学辅助厌氧堆肥系统加快了厌氧堆肥进程；通过模糊评价方法，对比两系统堆肥产物的附属度，结果表明生物电化学辅助厌氧堆肥系统的一级腐熟隶属度(0.64)高于厌氧堆肥系统的一级腐熟隶属度(0.46)，证明生物电化学辅助厌氧堆肥系统可以提高脱水污泥的厌氧堆肥腐熟度。
附图说明
图1是提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置结构示意图；其中1为厌氧堆肥室、1-1为内壳、1-2为第一石墨刷电极、1-3为参比电极、1-4为测温探头；2为电化学极室、2-1为外壳、2-2为第二石墨刷电极、2-3为电极液、3为贮电或用电器。
图2是实施例1中提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置结构示意图；其中4为加热电缆，5为保温箱。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置，包括厌氧堆肥室1、电化学极室2和贮电或用电器3，厌氧堆肥室1位于中心，是由内壳1-1围绕的空间形成，电化学极室2是由外壳2-1与内壳1-1之间的空间形成；厌氧堆肥室1的内壳1-1的侧壁为质子交换膜，在厌氧堆肥室1中设置第一石墨刷电极1-2作为辅助厌氧堆肥电极，第一石墨刷电极1-2上附着电化学活性菌，在厌氧堆肥室1中还设置有参比电极1-3和测温探头1-4，在厌氧堆肥室1的顶部设有集气口1-5；电化学极室2内设置至少一个第二石墨刷电极2-2作为电化学电极，在电化学极室2内添加由K3[Fe(CN)6]与KH2PO4的混合而成的电极液2-3；厌氧堆肥室中的第一石墨刷电极1-2与电化学极室内的第二石墨刷电极2-2用铜导线连接成闭合回路，该回路中设外接贮电或用电器3。
本实施方式中参比电极同反应器的阳极和阴极共同连接至电压采集器中，用来监视电化学产能情况。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的第二石墨刷电极2-2可设置2～5支，并联使用。其它与具体实施方式一相同。
并联电极的设置，有利于提高环形电化学极室2的电子传递效率，提升生物电化学辅助厌氧堆肥装置的产电能力。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在外壳2-1外部围绕固定加热电缆4、并放置在保温箱5中。其他与具体实施方式一或二相同。
根据系统的温度控制需要，利用加热电缆4及保温箱5，便于对系统进行温度控制。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是电化学极室内K3[Fe(CN)6]的浓度为100～1000mM/L，KH2PO4浓度200～2000mM/L。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置的启动过程(即电化学活性菌的富集过程)如下：
脱水污泥作为堆肥原料使用，原料中含有辅助堆肥需要的电化学活性菌，要先通过驯化使电化学活性菌生长于厌氧堆肥室内的第一石墨刷电极上，形成稳定的生物膜，即电化学活性菌(Proteobacteria,Chloroflexi,Chlorobi,Planctomycetes,Deferribacteres等)的富集过程；电化学极室和厌氧堆肥室经过若干周期的运行，均形成稳定的电势，该过程即为生物电化学辅助厌氧堆肥装置的启动过程。具体步骤是：将剩余污泥、脱水污泥置于自然条件下升至室温后，将剩余污泥、脱水污泥一起投入厌氧堆肥室1中进行接种，剩余污泥与脱水污泥的体积比为1：1，再将厌氧堆肥室1排除空气后密封，以确保厌氧环境；向电化学极室内加入铁氰化钾化学电极液，铁氰化钾化学电极液是按浓度为100～1000mmol/L的K3[Fe(CN)6]和浓度为200～2000mmol/L的KH2PO4配制而成的；每培养3～5天，用新的电极液更换电化学极室内的电极液，用新的剩余污泥与脱水污泥的混合物更换厌氧堆肥室1中的底物，每次更换时逐渐提高电极液的浓度及混合物中脱水污泥的比例，培养至电压采集器的电势变化量小于5％，即电势稳定，此时完成电化学活性菌的富集过程，视为生物电化学辅助厌氧堆肥装置启动成功。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置的运行过程如下：
将脱水污泥投入启动好的厌氧堆肥装置中，将厌氧堆肥室1排除空气后密封；电化学极室2内投加铁氰化钾化学电极液，该铁氰化钾化学电极液是按K3[Fe(CN)6]浓度为100～1000mmol/L、KH2PO4浓度为200～2000mmol/L配制而成的；培养35～40天后，完成厌氧堆肥过程。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是培养时保持厌氧堆肥装置的温度为30～45℃，其他与具体实施方式六相同。
用以下试验验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置，包括厌氧堆肥室1、电化学极室2和贮电或用电器3，厌氧堆肥室1位于中心，是由内壳1-1围绕的空间形成，电化学极室2是由外壳2-1与内壳1-1之间的空间形成；厌氧堆肥室1的内壳1-1的侧壁为质子交换膜，在厌氧堆肥室1中设置第一石墨刷电极1-2作为辅助厌氧堆肥电极，在厌氧堆肥室1中存在电化学活性菌，还设置有参比电极1-3和测温探头1-4，在厌氧堆肥室1的顶部设有集气口1-5；电化学极室2内设置至少一个第二石墨刷电极2-2作为电化学电极，在电化学极室2内添加由K3[Fe(CN)6]与KH2PO4的混合而成的电极液2-3；厌氧堆肥室中的第一石墨刷电极1-2与电化学极室内的第二石墨刷电极2-2用铜导线连接成闭合回路，该回路中设外接贮电或用电器3。
参比电极同反应器的阳极和阴极共同连接至电压采集器中，用来监视电化学产能情况。
本装置的启动过程如下：
一、将剩余污泥与脱水污泥置于自然条件下，待温度升至室温后，将剩余污泥、脱水污泥一起投入厌氧堆肥室1中进行接种，剩余污泥与脱水污泥的体积比为1：1，厌氧堆肥室1排除空气后密封，以确保厌氧环境，电化学极室内加入铁氰化钾化学电极液，铁氰化钾化学电极液是按浓度为100mmol/L的K3[Fe(CN)6]和浓度为200mmol/L的KH2PO4配制而成的，培养3天；
二、将厌氧堆肥室内底物清除掉，重新加入剩余污泥与脱水污泥的混合物，其中剩余污泥与脱水污泥的体积比为1：3；排除空气后密封，以确保厌氧环境，电化学极室内重新加入新鲜的铁氰化钾化学电极液，电极液的浓度与步骤一的电极液相同，培养3天；
三、将厌氧堆肥室内底物清除掉，重新加入剩余污泥与脱水污泥的混合物，其中剩余污泥与脱水污泥的体积比为1：5；排除空气后密封，以确保厌氧环境，电化学极室内加入新鲜的铁氰化钾化学电极液，铁氰化钾化学电极液浓度与步骤一的电极液相同，培养至电压采集器的电势变化量小于5％，即电势稳定，此时视为生物电化学辅助厌氧堆肥装置启动成功。厌氧堆肥室1中存在的电化学活性菌可以为Proteobacteria,Chloroflexi,Chlorobi,Planctomycetes或Deferribacteres等，本实施例采用的是Proteobacteria。本实施例的提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置的使用方法如下：
将脱水污泥投入启动好的厌氧堆肥装置中，排除空气后密封；电化学极室2内投加铁氰化钾化学电极液，该铁氰化钾化学电极液是按K3[Fe(CN)6]浓度为100mmol/L、KH2PO4浓度为200mmol/L配制而成的；培养35天后，完成厌氧堆肥过程。
通过以脱水污泥为堆肥原料、铁氰化钾为电化学电解液的生物电化学辅助厌氧堆肥系统，对比相同条件下的厌氧堆肥系统，该反应器的构型同生物电化学辅助厌氧堆肥系统反应器中厌氧堆肥室1的构型一致，但无石墨电刷、参比电极1-3和外侧的电化学极室2等一切与产电相关的装置。该反应器外壁亦由有机玻璃制成，将该系统与生物电化学辅助厌氧堆肥系统同时投加同样的污泥，待生物电化学辅助厌氧堆肥系统启动完成后，同时投加等量同质的脱水污泥，排除空气后迅速密封，进行污泥降解及产电性能的研究。两反应器在相同的环境条件下运行，保证实验结果具有可比性。
35天后生物电化学辅助厌氧堆肥系统中污泥TOC去除率可达到23.6％，高于普通厌氧堆肥系统中污泥TOC去除率(19.3％)，通过模糊评价方法，对比两系统堆肥产物的腐熟度，结果表明生物电化学辅助厌氧堆肥系统的一级腐熟隶属度为0.64，厌氧堆肥系统的一级腐熟隶属度为0.46，证明生物电化学辅助厌氧堆肥系统可以提高脱水污泥的厌氧堆肥腐熟度。
实施例2
按与实施例1相同的方法启动提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置，然后按以下方法运行：
将脱水污泥投入启动好的厌氧堆肥装置中，排除空气后密封；电化学极室2内投加铁氰化钾化学电极液，该铁氰化钾化学电极液是按K3[Fe(CN)6]浓度为120mmol/L、KH2PO4浓度为240mmol/L配制而成的；培养40天后，完成厌氧堆肥过程。
本实施例的生物电化学辅助厌氧堆肥系统中污泥TOC去除率达到26％，生物电化学辅助厌氧堆肥系统的一级腐熟隶属度为0.68。

Claims (7)

1.一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置，其特征在于该装置包括厌氧堆肥室(1)、电化学极室(2)和贮电或用电器(3)，厌氧堆肥室(1)位于中心，是由内壳(1-1)围绕的空间形成，电化学极室(2)是由外壳(2-1)与内壳(1-1)之间的空间形成；厌氧堆肥室(1)的内壳(1-1)的侧壁为质子交换膜，在厌氧堆肥室(1)中设置第一石墨刷电极(1-2)作为辅助厌氧堆肥电极，第一石墨刷电极(1-2)上附着电化学活性菌，在厌氧堆肥室(1)中还设置有参比电极(1-3)和测温探头(1-4)，在厌氧堆肥室(1)的顶部设有集气口(1-5)；电化学极室(2)内设置至少一个第二石墨刷电极(2-2)作为电化学电极，在电化学极室(2)内添加由K3[Fe(CN)6]与KH2PO4的混合而成的电极液(2-3)；厌氧堆肥室中的第一石墨刷电极(1-2)与电化学极室内的第二石墨刷电极(2-2)用铜导线连接成闭合回路，该回路中设外接贮电或用电器(3)。
2.根据权利要求1所述的一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置，其特征在于所述的第二石墨刷电极(2-2)可设置2～5支，并联使用。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置，其特征在于在外壳(2-1)外部围绕固定加热电缆(4)、并放置在保温箱(5)中。
4.根据权利要求1或2所述的一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置，其特征在于电化学极室内K3[Fe(CN)6]的浓度为100～1000mM/L，KH2PO4浓度200～2000mM/L。
5.权利要求1所述的一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置的启动方法，其特征在于该方按以下步骤进行：将剩余污泥、脱水污泥置于自然条件下升至室温后，将剩余污泥、脱水污泥一起投入厌氧堆肥室(1)中进行接种，剩余污泥与脱水污泥的体积比为1：1，再将厌氧堆肥室(1)排除空气后密封，以确保厌氧环境；向电化学极室内加入铁氰化钾化学电极液，铁氰化钾化学电极液是按浓度为100～1000mmol/L的K3[Fe(CN)6]和浓度为200～2000mmol/L的KH2PO4配制而成的；每培养3～5天，用新的电极液更换电化学极室内的电极液，用新的剩余污泥与脱水污泥的混合物更换厌氧堆肥室(1)中的底物，每次更换时逐渐提高电极液的浓度及混合物中脱水污泥的比例，培养至电压采集器的电势变化量小于5％，即电势稳定，此时完成电化学活性菌的富集过程，视为生物电化学辅助厌氧堆肥装置启动成功。
6.权利要求1所述的一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置的运行方法，其特征在于该方法如下：将脱水污泥投入启动好的厌氧堆肥装置中，将厌氧堆肥室(1)排除空气后密封；电化学极室(2)内投加铁氰化钾化学电极液，该铁氰化钾化学电极液是按K3[Fe(CN)6]浓度为100～1000mmol/L、KH2PO4浓度为200～2000mmol/L配制而成的；培养35～40天后，完成厌氧堆肥过程。
7.根据权利要求6所述的一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置的运行方法，其特征在于培养时保持厌氧堆肥装置的温度为30～45℃。
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