CN105859075A - 一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，以污水处理厂剩余污泥为接种物，利用双室微生物燃料电池富集阳极微生物，完成阳极微生物富集，利用NaOH溶液破解脱水污泥，得到预处理后的脱水污泥上清液，以预处理后的脱水污泥上清液为底物，运行单室微生物电解池，实现脱水污泥有机物降解和产氢的效果。本发明通过碱解破坏污泥的絮凝结构和细胞内的脂类物质，使微生物细胞中不溶性有机物变为溶解性物质，提高污泥有机物的水解速率，提高对总糖、蛋白质、COD的去除率，提高氢气产率，实现了脱水污泥的稳定化，实现了脱水污泥的资源化利用。

Description

一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法

技术领域

本发明涉及一种降解脱水污泥及产氢的方法，具体涉及一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法。

背景技术

随着我国水环境治理工作的不断深入，污水处理行业迅速发展，污泥产量也逐年增加，污泥的处理与处置一直是污水处理厂的难题。污泥的厂内处理流程，通常包括污泥浓缩、消化和脱水等过程，能够实现污泥的减量化、稳定化和无害化，但是由于种种技术或经济原因，我国大多数污水处理厂往往不设消化工艺段，而多采用浓缩-脱水工艺完成污泥的初步减容。这些未实现稳定化和无害化处理的脱水污泥很容易对环境造成二次污染，危害人类健康。在此背景下，研发新型污泥处理技术，尤其是同步处理污泥并回收其中生物质能源的新兴技术极具发展前景。

氢气作为一种高热值的清洁能源已被广泛重视，然而制取氢气的传统方法成本高，技术复杂。电解水制氢，通常需要施加1.8～2.0V以上的电压，而微生物电解池(microbial electrolysis cell，MEC)只需要施加0.2～1.2V的外电压，能够利用微生物降解污水中的有机物，同时产氢，具备能耗优势。

由于污泥有机物主要是胞外和胞内多聚物，水解速率较慢，成为MEC处理污泥的瓶颈，尚需优化或提高。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于克服现有污泥处理处置技术存在的缺陷，利用微生物电解池技术实现脱水污泥的稳定化和资源化。同时，通 过碱处理有效提取污泥有机物，加快有机物水解速率，从而强化微生物电解池的降解效率及产氢效率。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、以污泥为接种物，将污泥与溶液A按一定容积比混合制得混合液B；

S2、将上述混合液B置入双室微生物燃料电池的阳极室，将溶液C置入阴极室，通过记录双室微生物燃料电池的外电阻的电压值得变化，完成阳极微生物的富集；

S3、将NaOH溶液与脱水污泥混合制得污泥混合液，置入水平恒温振荡器振荡后静置制得脱水污泥上清液；

S4、调节上述污泥上清液的pH值至7.0±0.2，制得混合液D；

S5、以步骤S2中制得的富集微生物的阳极为单室微生物电解池的阳极，以载铂碳布为阴极；以混合液D为底物添加一定量的混合物，混合溶解后与溶液E和溶液F混合，置入单室微生物电解池，在两极间串联电阻和直流稳压电源，运行单室微生物电解池，实现脱水污泥有机物降解和产氢。

上述步骤S1中的污泥浓度为3.1-6.4g/L，污泥与溶液A的容积比为1:2，所述溶液A为每升去离子水中包含：1.5克NaAc、2.4145克KH₂PO₄、7.3539克K₂HPO₄·3H₂O、0.31克NH₄Cl、0.13克KCl。

上述步骤S2中当双室微生物燃料电池的外电阻的电压达到最大值并开始下降时，更换混合液B和溶液C，重现最大电压三次以上；所述溶液C为每升去离子水中包含：2.4145克KH₂PO₄、7.3539克K₂HPO₄·3H₂O、0.31克NH₄Cl、0.13克KCl。

上述步骤S3中的脱水污泥为100g，含水率为82.5％，NaOH溶液为400mL，浓度为0.5mol/L；震荡时间为24h，震荡频率100r/min，震荡温度为25.0℃。

上述步骤S5中混合物为2.4145克KH₂PO₄、7.3539克K₂HPO₄·3H₂O、0.31克NH₄Cl、0.13克KCl；

所述电阻为10Ω，所述直流稳压电源为0.5～0.9V；

所述溶液E为3.6mL，所述溶液F为1.5mL；

所述溶液E为每升去离子水中包含：1.5克三乙酸、3.0克SO₄·7H₂O、0.5克MnSO₄·2H₂O、1.0克NaCl、0.1克FeSO₄·7H₂O、0.1克CoCl₂、0.1克CaCl₂·2H₂O、0.1克ZnSO₄、0.01克CuSO₄·5H₂O、0.01克AlK(SO₄)₂、0.01克H₃BO₃、0.025克Na₂MoO₄、0.024克NiCl·6H₂O；

所述溶液F为每升去离子水中包含：2毫克生物素、2毫克叶酸、10毫克维生素B₆、5毫克维生素B₁、5毫克维生素B₂、5毫克烟酸、5毫克泛酸钙、0.1毫克维生素B₁₂、5毫克4-氨基苯甲酸、5毫克硫辛酸。

上述步骤S2中的阳极为大丝束石墨纤维丝缠绕在钛丝上制成的石墨纤维刷电极，所述阴极为不防水的碳布电极；使用前，石墨纤维刷电极和碳布电极依次在丙酮、乙醇和纯水中超声清洗10min，然后在450℃高温下加热30min。

上述步骤S5中载铂碳布的铂含量0.5mg/cm²。

本发明的有益之处在于：与现有技术相比，本发明提供的一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，其优点在于：

1、通过碱解脱水污泥，以NaOH溶液提取脱水污泥有机物，破坏污泥的絮凝结构和细胞内的脂类物质，使胞内和胞外不溶性有机物释放为溶解性物质，增加水解速率，提高对脱水污泥的降解和有机物去除效果；

2、通过高温处理石墨纤维刷电极和碳布电极，增加了电极表面的粗糙度和 表面积，有利于阳极微生物的附着和阴极催化剂的涂覆；

单室微生物电解池对脱水污泥上清液的总糖去除率达到48.43％-64.27％，蛋白质去除率达到23.88％-37.13％，COD(化学需氧量)去除率达到26.35％-44.92％，实现了脱水污泥的稳定化，氢气产率为0.027～0.038m³H₂/(m³·d)，实现了脱水污泥的资源化利用。

附图说明

图1为本发明的一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法的原理示意图。

附图中标记的含义如下：1、稳压电源；2、电阻；3、采样孔；4、集气孔；5、阳极；6、阴极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

总糖去除测量方法：蒽酮-硫酸法；

蛋白质去除测量方法和设备：总蛋白定量测定试剂盒(BCA法，南京建成生物工程研究所)法；

COD(化学需氧量)测量方法和设备：重铬酸钾法；

一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，包括以下步骤：

S1、以污水处理厂的污泥为接种物，将浓度为3.1～6.4g/L的污泥与溶液A按1:2的容积比混合制得混合液B；

S2、在20～25℃下，将混合液B置入双室微生物燃料电池的阳极室，将溶液C置入阴极室，记录外电阻的电压值，当电压达到最大值并开始下降时，更换混合液B和溶液C，重现最大电压三次；

S3、将400mL的0.5mol/L的NaOH溶液与100g含水率为82.5％的脱水污 泥混合制得污泥混合液，置入水平恒温振荡器振荡后静置制得脱水污泥上清液；震荡时间为24h，震荡频率100r/min，震荡温度为25.0℃；

S4、调节上述污泥上清液的pH值至7.0±0.2，制得混合液D；

S5、在20～25℃下，以步骤S2中制得的富集微生物的阳极为单室微生物电解池的阳极，以铂含量为0.5mg/cm2的载铂碳布为阴极；以混合液D为底物添加2.4145克KH2PO4、7.3539克K2HPO4·3H2O、0.31克NH4Cl、0.13克KCl，混合溶解后与3.6mL溶液E和1.5mL溶液F混合，置入单室微生物电解池，在两极间串联10Ω电阻和0.5～0.9V直流稳压电源，运行单室微生物电解池，实现脱水污泥有机物降解和产氢。

上述步骤S5中混合物为2.4145克KH₂PO₄、7.3539克K₂HPO₄·3H₂O、0.31克NH₄Cl、0.13克KCl；

溶液A为每升去离子水中包含：1.5克NaAc、2.4145克KH₂PO₄、7.3539克K₂HPO₄·3H₂O、0.31克NH₄Cl、0.13克KCl；

溶液C为每升去离子水中包含：2.4145克KH₂PO₄、7.3539克K₂HPO₄·3H₂O、0.31克NH₄Cl、0.13克KCl；

溶液E为每升去离子水中包含：1.5克三乙酸、3.0克SO₄·7H₂O、0.5克MnSO₄·2H₂O、1.0克NaCl、0.1克FeSO₄·7H₂O、0.1克CoCl₂、0.1克CaCl₂·2H₂O、0.1克ZnSO₄、0.01克CuSO₄·5H₂O、0.01克AlK(SO₄)₂、0.01克H₃BO₃、0.025克Na₂MoO₄、0.024克NiCl·6H₂O；

溶液F为每升去离子水中包含：2毫克生物素、2毫克叶酸、10毫克维生素B₆、5毫克维生素B₁、5毫克维生素B₂、5毫克烟酸、5毫克泛酸钙、0.1毫克维生素B₁₂、5毫克4-氨基苯甲酸、5毫克硫辛酸。

实施例1

步骤S5中，单室微生物电解池外加电压为0.5V；单室微生物电解池对脱水污泥上清液的总糖去除率为48.43％，蛋白质去除率为23.88％，COD去除率为26.35％，氢气产率为0.027m³H₂/(m³·d)。

实施例2

步骤S5中，单室微生物电解池外加电压为0.7V；单室微生物电解池对脱水污泥上清液的总糖去除率为58.85％，蛋白质去除率为33.73％，COD去除率为39.14％，氢气产率为0.035m³H₂/(m³·d)。

实施例3

步骤S5中，单室微生物电解池外加电压为0.9V；单室微生物电解池对脱水污泥上清液的总糖去除率为64.27％，蛋白质去除率为37.13％，COD去除率为44.92％，氢气产率为0.038m³H₂/(m³·d)。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、以污泥为接种物，将污泥与溶液A按一定容积比混合制得混合液B；

S2、将上述混合液B置入双室微生物燃料电池的阳极室，将溶液C置入阴极室，通过记录双室微生物燃料电池的外电阻的电压值得变化，完成阳极微生物的富集；

S3、将NaOH溶液与脱水污泥混合制得污泥混合液，置入水平恒温振荡器振荡后静置制得脱水污泥上清液；

S4、调节上述污泥上清液的pH值至7.0±0.2，制得混合液D；

S5、以步骤S2中制得的富集微生物的阳极为单室微生物电解池的阳极，以载铂碳布为阴极；以混合液D为底物添加一定量的混合物，混合溶解后与溶液E和溶液F混合，置入单室微生物电解池，在两极间串联电阻和直流稳压电源，运行单室微生物电解池，实现脱水污泥有机物降解和产氢。

2.根据权利要求1所述的一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，其特征在于，所述步骤S1中的污泥浓度为3.1-6.4g/L，污泥与溶液A的容积比为1:2，所述溶液A为每升去离子水中包含：1.5克NaAc、2.4145克KH₂PO₄、7.3539克K₂HPO₄·3H₂O、0.31克NH₄Cl、0.13克KCl。

3.根据权利要求1所述的一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，其特征在于，所述步骤S2中当双室微生物燃料电池的外电阻的电压达到最大值并开始下降时，更换混合液B和溶液C，重现最大电压三次以上；所述溶液C为每升去离子水中包含：2.4145克KH₂PO₄、7.3539克K₂HPO₄·3H₂O、0.31克NH₄Cl、0.13克KCl。

4.根据权利要求1所述的一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，其特征在于，所述步骤S3中的脱水污泥为100g，含水率为82.5％，NaOH溶液为400mL，浓度为0.5mol/L；震荡时间为24h，震荡频率100r/min，震荡温度为25.0℃。

5.根据权利要求1所述的一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，其特征在于，所述步骤S5中混合物为2.4145克KH₂PO₄、7.3539克K₂HPO₄·3H₂O、0.31克NH₄Cl、0.13克KCl；

所述电阻为10Ω，所述直流稳压电源为0.5～0.9V；

所述溶液E为3.6mL，所述溶液F为1.5mL；

所述溶液E为每升去离子水中包含：1.5克三乙酸、3.0克SO₄·7H₂O、0.5克MnSO₄·2H₂O、1.0克NaCl、0.1克FeSO₄·7H₂O、0.1克CoCl₂、0.1克CaCl₂·2H₂O、0.1克ZnSO₄、0.01克CuSO₄·5H₂O、0.01克AlK(SO₄)₂、0.01克H₃BO₃、0.025克Na₂MoO₄、0.024克NiCl·6H₂O；

所述溶液F为每升去离子水中包含：2毫克生物素、2毫克叶酸、10毫克维生素B₆、5毫克维生素B₁、5毫克维生素B₂、5毫克烟酸、5毫克泛酸钙、0.1毫克维生素B₁₂、5毫克4-氨基苯甲酸、5毫克硫辛酸。

6.根据权利要求1所述的一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，其特征在于，所述步骤S2中的阳极为大丝束石墨纤维丝缠绕在钛丝上制成的石墨纤维刷电极，所述阴极为不防水的碳布电极；使用前，石墨纤维刷电极和碳布电极依次在丙酮、乙醇和纯水中超声清洗10min，然后在450℃高温下加热30min。

7.根据权利要求1所述的一种利用微生物电解工艺降解脱水污泥及产氢的方法，其特征在于，所述步骤S5中载铂碳布的铂含量0.5mg/cm²。