CN107417035A - 一种基于铁循环利用的Fenton‑厌氧处理设备与工艺 - Google Patents

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Abstract

一种基于铁循环利用的Fenton‑厌氧处理设备，包括上方固定有三相分离器的厌氧消化罐，其特征在于：设有沉淀池与Fenton反应池。一种使用上述的设备处理Fenton铁泥的工艺包括以下步骤：将Fenton铁泥投加到厌氧消化罐内通过异化铁还原作用去除铁泥中的有机物，同时将三价铁还原为二价铁，二价铁随着出水进入Fenton反应池进行Fenton反应。反应后的Fenton铁泥污泥再次回用到厌氧消化罐完成工艺的循环。本发明技术通过厌氧异化铁还原，将铁泥中三价铁转化为二价，用作Fenton的铁源。以有机物作为电子供体，加速有机物的分解，提高厌氧处理效率。将铁泥中的有机物通过厌氧消化进行了无害化处理，同时生产能源物质甲烷。实现铁在厌氧—Fenton过程中的循环，减少污染排放，解决Fenton铁泥污染，具有显著的技术经济效益。

Description

一种基于铁循环利用的Fenton-厌氧处理设备与工艺
技术领域
本发明涉及一种化学污泥资源化处理技术，特别是一种利用厌氧消化与Fenton反应相结合的Fenton-厌氧处理工艺。
背景技术
Fenton、类Fenton氧化工艺是近年来逐步推广的一种催化氧化技术，该工艺利用H2O2在Fe2+的催化作用下分解产生·OH，将有机物氧化分解成小分子，同时Fe2+被氧化成Fe3+产生混凝沉淀，去除大量有机物。反应在常温常压下即可进行，工艺流程简单，具有巨大的工业化推广潜力。但是Fenton氧化法在处理过程中会产生一定量的化学污泥，污泥中含有大量的铁且多以三价铁的形式存在，同时三价铁絮体也会包裹、吸附一定的有机物。如果不妥善处理会产生很多危害。如何处置这些污泥将决定Fenton工艺在未来工程化推广的可行性。
传统的Fenton铁泥处置方法主要是水泥稳定、焚烧、固化等方法。其目的都是减少废物的毒性和可迁徙性，同时改善被处理对象的工程性质。按照污泥稳定化、固定化后进行填埋的方法虽然可以确保固废得到妥善处理，防止二次污染发生，但总归不是实现资源有效利用的最佳方案。
而目前对铁泥进行资源回收的方式目前主要是通过化学、电化学等方法，对铁泥进行一定的处理以铁盐的方式回收利用。例如在专利申请号为CN201310184249.8的《一种Fenton铁泥资源化利用的方法》中，通过利用Fenton铁泥生产硫酸亚铁，使Fenton铁泥得到充分资源化利用，然而这些方法需要投入额外的能量，使得经济可行性差，不便于工业推广。
厌氧工艺是目前处理有机废水、废物最有效的技术之一。在厌氧环境中广泛存在一种以胞外铁氧化物为末端电子受体的微生物异化铁还原机制。在该过程中，微生物利用Fe(III)作为电子受体，在氧化有机物的同时将Fe(III)还原为Fe(II)，并从中获取能量。因为微生物异化Fe(Ⅲ)还原过程耦联了有机物的氧化降解，所以有多个研究利用异化铁还原机制来强化厌氧消化效率。如有研究报道在厌氧系统中加入三价铁可以促进富含硫酸根的垃圾渗滤液和长链脂肪酸的厌氧发酵；在剩余污泥发酵过程中加入铁锈可以促进污泥减量化和甲烷产量的提高。所以可以考虑将Fenton铁泥投入到厌氧反应器内来实现Fenton铁泥的处置和厌氧消化效率的提高。经过异化铁还原作用后的出水会含有一定量的二价铁离子，而进行Fenton反应的铁的最有效价态一般为二价，因此可以利用出水中的二价铁，作为Fenton反应的铁源，对厌氧出水进行进一步深度处理。Fenton反应后产生的铁泥经一定的脱水处理可以再次投入到厌氧反应器内，完成铁在厌氧工艺与Fenton工艺中的循环。在专利申请号为CN201210134000.1的《一种对Fenton处理工艺所产生污泥的资源化处理方法》中，将Fenton产生的铁泥加入到化学酸化池溶解，通过曝气将铁泥中的有机物和铁分离，分离后的三价铁重新用作Fenton反应的催化剂，完成铁泥的资源化利用，然而Fenton反应中铁催化剂最有效的价态应为二价，该方法仅是通过化学方法将铁从铁泥中分离，并没有将铁泥的三价铁还原回二价，而且需要曝气投入大量的能量，也不便于工业推广。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：一种基于铁循环利用的Fenton-厌氧处理设备，包括上方固定有三相分离器的厌氧消化罐，污泥反应层与污泥悬浮层自下而上置于厌氧消化罐内。进水池经由进水泵、进水管、阀门i与厌氧消化罐一侧的下方连接。储泥池经由进泥泵、进泥管与厌氧消化罐另一侧的下方连接。其特征在于：设有沉淀池，排泥管的一端连接沉淀池的下底而另一端伸入储泥池的上方。沉淀池上侧还设有出水管iii。设有Fenton反应池，出水管ii一端连接Fenton反应池的下底而另一端伸入沉淀池(17)的上口，出水管i经由阀门ii与厌氧消化罐的上侧连接而另一端伸入Fenton反应池的上口。设有酸投料池，该酸投料池的底部设有排酸管通入所述Fenton反应池的上口。设有碱投料池，该碱投料池的底部设有排碱管通入沉淀池的上口。三相分离器的上端经由集气管连接集气罐。一种使用上述的设备对Fenton铁泥进行处理的工艺包括以下步骤：
1)采用污泥处理厂的引种污泥置于厌氧消化罐的污泥反应层来启动反应器；
2)取待处理Fenton铁泥经适当脱水作用减少体积，使脱水后的铁泥含水率在80～90％，最佳为80％，将铁泥投入到厌氧消化罐中与污泥反应层充分接触，保持厌氧消化罐内铁泥的质量分数(以三价铁计)在10-20g/L，最佳为20g/L；
3)打开进水泵，使进水池中混匀的待处理废水通过进水管进入到厌氧消化罐；
4)废水流经污泥反应层与污泥层内的微生物充分接触，产生的沼气通过三相分离器收集，并通过集气管进入集气罐进行能源回收；
5)厌氧消化罐会因Fenton铁泥的存在发生异化铁还原作用，异化铁还原菌将氧化有机物获得的电子交给铁泥中的三价铁，将三价铁还原为二价；
6)厌氧消化罐中含二价铁的出水通过出水管及阀门ii进入Fenton反应池，酸投料池通过排酸管向Fenton反应池内投加硫酸调节pH，保持pH在3-5之间，最佳为3.5。然后向Fenton反应池加入过氧化氢，以出水中的二价铁作为催化剂进行Fenton反应，对废水进行进一步处理；
7)反应后的出水通过出水管进入沉淀池，通过碱投料池经排碱管向沉淀池加氢氧化钠使出水pH达到中性，最佳为8，三价铁在中性条件下形成氢氧化铁絮体絮凝有机物，经过絮凝沉淀后产生新的Fenton铁泥，并在沉淀池底部沉积；
8)沉淀后的上清液通过出水管排放，产生的Fenton铁泥经过排泥管进入到储泥池；
9)打开进泥泵，将脱水处理后的铁泥通过进泥管再次加入到厌氧反应器中以完成整个工艺循环。
本发明的基于铁循环利用的Fenton-厌氧处理工艺，具有以下有益效果：①通过厌氧异化铁还原，将铁泥中三价铁转化为二价，用作Fenton的铁源；②铁在厌氧系统由三价转化为二价的过程中，以有机物作为电子供体，加速有机物的分解，提高厌氧处理效率；③将铁泥中的有机物通过厌氧消化进行了无害化处理，同时生产了能源物质甲烷；④通过该方法，实现了铁在厌氧-Fenton过程中的循环，减少了污染排放，为Fenton铁泥的处置提供了一条新的途径，也增强厌氧消化对污水的处理效果，具有显著的技术经济可行性。
附图说明
图1是一种基于铁循环利用的Fenton-厌氧处理设备与工艺的流程示意图。
图中：1、进水池，2、进水泵，3、进水管，4、阀门i，5、厌氧消化罐，6、污泥反应层，7、污泥悬浮层，8、三相分离器，9、集气管，10、集气罐，11、阀门ii，12、出水管i，13、酸投料池，14、Fenton反应池，15、出水管ii，16、碱投料池，17、沉淀池，18、出水管iii，19、排泥管，20、储泥池，21、进泥泵，22、进泥管，23、排酸管，24、排碱管。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步说明。这种基于铁循环利用的Fenton-厌氧处理设备，包括上方固定有三相分离器8的厌氧消化罐5。污泥反应层6与污泥悬浮层7自下而上置于厌氧消化罐5内。进水池1经由进水泵2、进水管3、阀门i-4与厌氧消化罐5一侧的下方连接。储泥池20经由进泥泵21、进泥管22与厌氧消化罐5另一侧的下方连接。它的特点是：设有沉淀池17。排泥管19的一端连接沉淀池17的下底而另一端伸入储泥池20的上方。沉淀池17上侧还设有出水管iii-18。设有Fenton反应池14，出水管ii-15一端连接Fenton反应池14的下底而另一端伸入沉淀池17的上口。出水管i-12经由阀门ii-11与厌氧消化罐5的上侧连接而另一端伸入Fenton反应池14的上口。设有酸投料池13，该酸投料池13的底部设有排酸管23通入Fenton反应池14的上口。设有碱投料池16，该碱投料池16的底部设有排碱管24通入所述沉淀池17的上口。三相分离器8的上端经由集气管9连接集气罐10。利用上述设备对Fenton铁泥进行处理的工艺，包括以下步骤：
1)采用污水处理厂的剩余污泥或污泥处理厂的引种污泥置于厌氧消化罐5的污泥反应层6来启动反应器。
2)取待处理Fenton铁泥经适当脱水作用以减少体积，使脱水后的铁泥含水率在80～90％，最佳为80％，将铁泥投入到厌氧消化罐5内与污泥反应层6充分接触，保持厌氧消化罐5内铁泥的质量分数(以三价铁计)为10-20g/L，最佳为20g/L。
3)打开进水泵2及阀门4，使进水池1中的待处理废水通过进水管3进入到厌氧消化罐5，并通过来进水泵2调节进水量。
4)自下而上的进水水流可以起到搅拌作用使待处理废水与污泥反应层6内的微生物充分接触，厌氧微生物中的异化铁还原菌通过异化铁还原机理将Fenton铁泥中含有的三价铁还原为二价，并从中获得能量，提高对废水中大分子及难降解物质的去除与转化，促进厌氧消化，提高甲烷产量，产生的沼气流经污泥悬浮层7，通过三相分离器8收集，并通过集气管9进入集气罐10进行能源回收。
5)厌氧消化罐5内不仅发生了异化铁还原作用提高了厌氧消化效率，同时可以利用污泥反应层6中的厌氧微生物对Fenton铁泥中的有机物进行去除。
6)厌氧消化罐5含有二价铁的出水通过出水管12及阀门ii-11进入Fenton反应池14，酸投料池13通过排酸管23向Fenton反应池14投加硫酸以调节pH，保持pH在3-5之间，最佳为3.5。然后向Fenton反应池14加入过氧化氢(使过氧化氢与出水中二价铁质量之比为2:1～10:1，最优为3:1)，以出水中的二价铁作为催化剂进行Fenton反应，对废水进行进一步处理。
7)反应后的出水通过出水管15进入沉淀池17，碱投料池16经排碱管24向沉淀池17投加氢氧化钠使出水pH达到中性，最佳为8。这时三价铁在中性条件下会形成氢氧化铁絮体絮凝有机物，经过絮凝沉淀后产生新的Fenton铁泥，并在沉淀池17底部沉积。
8)沉淀后的上清液通过出水管18排放，产生的新的Fenton铁泥经过排泥管19进入到储泥池20，打开进泥泵21，将脱水处理后的铁泥通过进泥管22再次加入到厌氧反应器中完成整个工艺循环。
在这个工艺过程中，Fenton铁泥需要进行一定脱水作用，使其含水率保持在80～90％。铁泥需测定其中的含铁量，根据厌氧反应器有效容积保证废水中三价铁离子浓度在10～20g/L。适合处理富含难降解物质如苯、酚等芳香烃碳氢化合物及含长链脂肪酸的有机废水。异化铁还原机理是铁还原微生物在生命代谢过程中会利用Fe(III)作为电子受体，在矿化有机物的同时，将Fe(III)还原为Fe(II)并从中获取能量。

Claims (3)

1.一种基于铁循环利用的Fenton-厌氧处理设备，包括上方固定有三相分离器(8)的厌氧消化罐(5)，污泥反应层(6)与污泥悬浮层(7)自下而上置于所述厌氧消化罐(5)内；进水池(1)经由进水泵(2)、进水管(3)、阀门i(4)与所述厌氧消化罐(5)一侧的下方连接；储泥池(20)经由进泥泵(21)、进泥管(22)与所述厌氧消化罐(5)另一侧的下方连接，其特征在于：设有沉淀池(17)，排泥管(19)的一端连接所述沉淀池(17)的下底而另一端伸入储泥池(20)的上方，所述沉淀池(17)上侧还设有出水管iii(18)；设有Fenton反应池(14)，出水管ii(15)一端连接所述Fenton反应池(14)的下底而另一端伸入所述沉淀池(17)的上口，出水管i(12)经由阀门ii(11)与所述厌氧消化罐(5)的上侧连接而另一端伸入所述Fenton反应池(14)的上口；设有酸投料池(13)，该酸投料池(13)的底部设有排酸管(23)通入所述Fenton反应池(14)的上口；设有碱投料池(16)，该碱投料池(16)的底部设有排碱管(24)通入所述沉淀池(17)的上口。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁循环利用的Fenton-厌氧处理设备，其特征在于：所述三相分离器(8)的上端经由集气管(9)连接集气罐(10)。
3.一种使用权利要求1所述的设备对Fenton铁泥进行处理的工艺包括以下步骤：
1)采用污泥处理厂的引种污泥置于厌氧消化罐(5)的污泥反应层(6)来启动反应器；
2)取待处理Fenton铁泥经适当脱水作用减少体积，使脱水后的铁泥含水率在80～90％，最佳为80％，将铁泥投入到厌氧消化罐(5)中与污泥反应层(6)充分接触，保持厌氧消化罐(5)内铁泥的质量分数(以三价铁计)在10-20g/L，最佳为20g/L；
3)打开进水泵(2)，使进水池(1)中混匀的待处理废水通过进水管(3)进入到厌氧消化罐(5)；
4)废水流经污泥反应层(6)与污泥层内的微生物充分接触，产生的沼气通过三相分离器(8)收集，并通过集气管(9)进入集气罐(10)进行能源回收；
5)厌氧消化罐(5)会因Fenton铁泥的存在发生异化铁还原作用，异化铁还原菌将氧化有机物获得的电子交给铁泥中的三价铁，将三价铁还原为二价；
6)厌氧消化罐(5)中含二价铁的出水通过出水管(12)及阀门ii(11)进入Fenton反应池(14)，酸投料池(13)通过排酸管(23)向Fenton反应池(14)内投加硫酸调节pH，保持pH在3-5之间，最佳为3.5。然后向Fenton反应池(14)加入过氧化氢，以出水中的二价铁作为催化剂进行Fenton反应，对废水进行进一步处理；
7)反应后的出水通过出水管(15)进入沉淀池(17)，通过碱投料池(16)经排碱管(24)向沉淀池(17)加氢氧化钠使出水pH达到中性，最佳为8，三价铁在中性条件下形成氢氧化铁絮体絮凝有机物，经过絮凝沉淀后产生新的Fenton铁泥，并在沉淀池(17)底部沉积；
8)沉淀后的上清液通过出水管(18)排放，产生的Fenton铁泥经过排泥管(19)进入到储泥池(20)；
9)打开进泥泵(21)，将脱水处理后的铁泥通过进泥管(22)再次加入到厌氧反应器中以完成整个工艺循环。
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