CN107662976B - 一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了《一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法》，通过强化反应器中生物电化学反应促进富里酸的降解，属于高浓度难降解有机废水厌氧生物处理领域。所述方法涉及一种高效降解富里酸的成套装置。方法包括以下步骤：首先按照污泥和渗沥液体积比30%‑40%接种厌氧污泥；然后在厌氧反应器内部安置电极并施加直流电压进行处理。与现有技术相比，该方法不仅实现了渗沥液中COD的有效去除，更促进渗沥液中富里酸物质的高效降解，有利于出水的后续处理。同时该体系增产甲烷，完全可以抵消处理过程中的电能损耗，实现节能处理。

Description

一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法

技术领域

本发明涉及一种垃圾焚烧渗沥液中富里酸降解技术。主要是通过厌氧产甲烷生物反应器耦合微生物电解池，强化微生物电化学反应，实现高效降解富里酸的目的，该方法属于高浓度难降解有机废水生物处理领域。

背景技术

随着社会进步和人类生活水平的提高，城市生活垃圾的产量也逐年增加。2015年，我国大中城市的城市生活垃圾总产生量已超过1.8亿吨，随着土地资源的限制和垃圾焚烧的大力开展，传统的垃圾填埋对城市生活垃圾的处理比例逐年减小，垃圾焚烧已经逐渐成为我国另一个主要的城市生活垃圾处理方式。2015年，我国城市生活垃圾有35%通过焚烧进行处理。由于我国成生活垃圾含水率较高，为了提高生活垃圾的热值，在焚烧处理前需进行堆酵以沥除水分，在此过程中会产生占垃圾处理量5-28%的焚烧渗沥液，产量巨大。垃圾焚烧渗沥液成分复杂，污染物浓度高，并带有强烈的恶臭气味。一般COD可达40000mg/L以上，BOD/COD大于0.4，可生化性强；氨氮可达1000-1500mg/L；同时含有大量腐殖质等数十种难降解有机质，属于典型的高浓度有机废水，必须经过有效处理。目前，国内对垃圾焚烧渗沥液的处理通常采用“物化处理+厌氧消化+好氧脱氮+膜组件深度处理”等组合工艺。

腐殖质是一类分子量较大、较难被微生物降解的有机物，根据其分子结构和物理化学特性可分为腐殖酸和富里酸。其中富里酸在垃圾焚烧厂渗沥液中含量较高，占所有腐殖质成分的95%以上，可达数千毫克每升。这部分富里酸会对垃圾焚烧渗沥液的处理产生较大影响，需要特别关注。

专利CN102101741A报道了一种垃圾焚烧厂渗沥液处理装置及处理工艺。该工艺采用水解酸化、SBR、混凝和消毒处理渗沥液。处理后出水常规指标可以达到冷却用水水质标准（GB/T 50050—2007）；

专利CN102107997A报道了一种处理生活垃圾焚烧厂垃圾滤出液的方法。该方法首先经过调节池调节垃圾渗沥液，然后通过混凝沉淀和投加二氧化碳沉淀法进行预处理，之后通过厌氧膨胀颗粒污泥床、缺氧移动床生物膜反应器以及两级好氧移动床生物膜反应器进行处理，出水可达到污水综合排放标准一级标准；

专利CN103787554A报道了一种垃圾渗沥液的处理工艺，即采用“预处理-脱氨处理-厌氧生化处理-曝气生物滤池脱氮脱碳”的工艺，出水可达到国家排放标准（GB8978-1996）；

专利CN103011489A报道了一种生活垃圾渗沥液处理系统。该系统依次采用上流式厌氧污泥床反应器、膜生物反应器和碟管式纳滤器处理垃圾焚烧渗沥液；

专利CN102531284A报道了一种用于垃圾渗沥液处理工艺，即垃圾渗沥液经预处理后，再接厌氧、好氧间歇式活性污泥法处理，再经过滤处理。

专利CN65767报道了一种处理生活垃圾焚厂的垃圾渗沥液的设备及其方法，该方法主要包括预处理系统（离心脱水进行固液分离）、膜生物反应系统和碟管式反渗透系统。

专利CN1528685报道了一种生活垃圾渗沥液处理方法。该方法采用“物化混凝沉淀或混凝气浮-催化氧化（紫外光、超声波、化学或电化学催化氧化中的任何种方法加以应用）-吹脱曝气-厌氧-好氧生化-二次沉淀-物化处理（混凝沉淀或混凝气浮）-杀菌”的处理工艺，出水可达到《生活垃圾卫生填埋场污染控制标准》的一级标准（GB16889-2008）。

专利CN105417843A报道了一种城市生活垃圾焚烧厂渗沥液零排放的处理方法。该方法包括水解酸化池-厌氧反应器-厌沉池-缺氧池-好氧池-超滤膜-纳滤-反渗透组合工艺，出水达到国家回用水标准（GB19923-2005）。

专利CN1765767A报道了一种处理生活垃圾焚烧厂的垃圾渗沥液的设备及其方法。该方法包括预处理、膜生物反应器处理和反渗透处理三个步骤，出水水质达到《生活垃圾卫生填埋场污染控制标准》的一级排放限值。

专利CN105347615A报道了一种垃圾渗沥液的处理工艺。垃圾渗沥液首先依次经过调节池、厌氧生物处理单元、微型缺氧好氧处理单元、膜生物反应器、MVC蒸发系统，蒸发形成的水和氨气的蒸馏水经过离子交换树脂后达标排放；不凝气体经由除臭系统处理后达标排放；浓缩液排除蒸发系统。该方法解决了MVC蒸发技术存在的易结垢、清洗频繁的缺陷及对于高COD高氨氮废水处理成本高、性能差的缺陷。

专利CN203319830U报道了一种生活垃圾渗沥液处理装置。该装置包括反硝化罐、硝化罐、超滤膜组件、超滤膜组件、纳滤膜组件、反渗透膜，经过处理后出水的COD，BOD，氨氮，重金属，大肠菌群和色度等指标同时达到处理要求。

专利CN1528685A报道了一种生活垃圾渗沥液处理方法。该方法首先采用物化处理-催化氧化工艺将渗沥液中的有机物变成有机酸；然后与其他废水进行混合及吹脱曝气，使被处理后的渗沥液所含的氨氮进一步降低；经吹脱曝气处理的混合废水依次进行厌氧、好氧生化和二次沉淀处理；经处理后的渗沥液进行第二次物化处理后，最后杀菌处理，使之达到国家渗沥液一级排放标准；

专利CN101863598A报道了一种市政垃圾沥出液的处理方法。该方法采用上流式厌氧预处理-序批式好氧处理-生物反应器处理-电解脱色处理组合工艺，其中厌氧和好氧反应器中都装有复合填料，出水能达到排放标准。

专利CN101209881A报道了一种垃圾焚烧厂沥滤液处理方法与系统。采用蒸发浓缩系统及氨吹脱系统处理沥滤液，但装置复杂，极大地限制了其应用。

专利CN102372342A报道了一种大气压等离子体处理垃圾渗沥液装置。该装置利用直流脉冲电源和等离子体发生器制造大气等离子体，利用空气放电时产生的含氧自由基和含氮自由基与渗沥液作用，降低COD和BOD。该技术需要提供0.17-30kv的电压，提升了运行成本。且为保证处理效率，该技术需要为渗沥液和等离子体提供较大的接触面积和反应时间。

以上专利选用不同的处理工艺对垃圾焚烧渗沥液进行了处理，虽然出水的常规指标（如COD、BOD等）大都能够满足一定的处理要求，但是这些专利都回避了垃圾焚烧渗沥液中的富里酸等难降解有机质的去除效果以及这些物质对系统处理效果的影响等问题。实际上，经过上述专利所描述的处理方法，垃圾焚烧渗沥液中的富里酸并不能被有效去除，并且这部分富里酸对整个处理工艺存在较大的影响，甚至提高工艺的处理成本。

我们的研究表明富里酸对垃圾焚烧渗沥液的厌氧产甲烷生物处理会造成较大影响。富里酸在垃圾焚烧渗沥液的厌氧处理过程中只能被部分降解，且降解效率较低。经厌氧处理后的垃圾焚烧渗沥液中主要成分是残余的富里酸，这部分富里酸在厌氧处理过程中作为电子受体，与产甲烷菌竞争电子，导致甲烷产量降低，同时自身在微生物的作用下转化为分子量更大、腐殖化程度和芳香化程度都显著提高超大分子有机组分，不仅更难于降解，同时还会进一步影响垃圾焚烧渗沥液的后续处理。因此在垃圾焚烧渗沥液的厌氧产甲烷处理过程中，寻求一种提高富里酸降解效率的方法具有非常重要的环境意义和社会价值。

目前对于废水中的富里酸降解，国内并没有相应的专利技术报道。国外专利技术中，对于富里酸类物质的降解主要采用物理法和化学法。

专利KR20010049836A利用电化学的方法电解酸化富里酸形成过氧富里酸，之后进行矿化反应；专利JP57035784采用“酸化+沉淀+光照辐射+生物处理”的方法处理含富里酸的废水；专利JP57137289采用“光照辐射+电离辐射+铁盐过氧化氢氧化体系”处理含富里酸废水；专利JP58081115处理铁盐和过氧化氢体系处理含富里酸废水。这些技术需要在传统工艺的基础上附加其他处理单元，增大了运营成本；同时上述部分方法对于被处理水质要求较高，适用于处理含低浓度富里酸的有机废水(<500 mg/L)和垃圾焚烧渗沥液尾水，并不适用于垃圾焚烧渗沥液这类含高浓度富里酸(4000 mg/L以上)的废水的处理。

本发明“一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法”，采用厌氧产甲烷微生物反应器耦合微生物电解池技术将生物处理和电化学手段结合，通过强化厌氧反应器中生物电化学反应，加速微生物降解富里酸的电子传递过程，达到高效快速降解富里酸的目的。

发明内容

针对以上描述中富里酸在厌氧处理过程中不能充分降解且影响工艺处理效果的问题，本发明的目的在于提供一种经济高效的降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法。该方法不仅处理垃圾焚烧渗沥液的效果显著，而且可降低处理成本，适用于处理垃圾焚烧渗沥液中富里酸物质。

本发明的技术方案为一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法，其特征在于在传统的厌氧产甲烷生物反应器的基础上加上电极和直流电源，形成厌氧生物反应器耦合微生物电解池的成套装置。该装置主要包括：阴极、阳极、稳压直流电源和厌氧反应器等（图1所示）。

技术原理：

厌氧生物反应器耦合微生物电解池，主要通过强化生物电化学反应改善处理效果，即通过外加稳压直流电源（电压0.2-0.9V），将多种产电微生物富集在电解池的阳极表面，其中一部分产电微生物可以在阳极电压的作用下氧化富里酸，进而破坏富里酸分子结构，使富里酸被降解同时释放电子，电子经产电微生物传递给阳极，再通过外部导线传至阴极，在阴极表面通过产甲烷菌的作用产生甲烷，实现强化富里酸降解的同时提升工艺的甲烷产量，增加了能源的回收率。

所述方法中，阴极和阳极材料均低成本导电碳材料，通过导线与外部电源相连；

所述方法中，所用的外加电源为稳压直流电源；

所述方法中，所处理的垃圾焚烧渗沥液具有高COD、高氨氮的明显特点，属于高浓度有机废水范畴；

所述方法中，高效降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的具体工艺流程是：待处理的垃圾焚烧渗沥液经泵进入厌氧生物反应器，在0.2-0.9V外加直流电压的作用下，阳极表面和附近可以富集产电微生物（主要贡献者为产电细菌），产电微生物使富里酸在阳极被氧化降解并释放电子，电子经阳极通过外部导线传至阴极，然后在阴极表面的产甲烷菌的作用下产生甲烷，产生的甲烷气体经由排气孔进入到气体收集装置。

所述方法处理过程操作步骤是：

以体积比30%-50%的接种量将厌氧污泥加入厌氧反应器，使得反应器内部污泥浓度为4-7 gVSS/L；

将阳极电极和阴极电极分别安置在反应器底部和反应器中部，且保证两者在正常运行时均浸没于厌氧污泥之中；

设置水力停留时间为24-48 h，运行温度为30 ^oC-35 ^oC；直流电压为0.2-0.9V；

以富含富里酸的垃圾焚烧渗沥液为进水，泵入厌氧生物反应器进行处理；

所述的方法属于将传统生物处理技术和电化学手段结合的一种强化处理效果的生物电化学方法，通过施加一个直流电压，可以实现功能性微生物（主要是产电微生物和产甲烷菌）在反应器中的富集，尤其是阳极表面的产电微生物富集，使得体系在有效处理垃圾焚烧渗沥液的同时，在阳极快速降解富里酸，达到高效充分降解富里酸的目的。

与现有技术相比，此方法处理富里酸具有以下优势：

处理效果明显。与传统生物处理过程相比，该方法不仅保证了良好垃圾焚烧渗沥液的处理效果，同时可以高效、充分的降解富里酸等难降解有机污染物；

反应条件温和。中温常压条件下即可实现富里酸的高效降解；

强化能源回收。此方法可以通过强化富里酸的降解增加甲烷产量，实现能源的高效回收；

处理成本较低。增产甲烷带来的能量收益高于处理过程的外加电压的电能损耗。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

为使对本方法的结构特征和处理效果有更明确的认识，下面结合附图和实例做进一步说明：如图一所示，本方法包括外加稳压直流电源（1），厌氧反应器（2），气体收集装置（3），电极插孔（4），厌氧反应器出水孔（5），厌氧反应器排泥孔（6），电解池阴极（7），电解池阳极（8），厌氧反应器进水孔（9），水泵（10），垃圾焚烧渗沥液进水水箱（11）。

具体实施案例所使用的垃圾焚烧渗沥液来自于北京市某垃圾焚烧发电厂，其水质指标如下COD 40240–80480 mg/L, BOD₅ 22870–50350 mg/L, 富里酸3950-5890 mg/L, NH₄ ⁺-N 1042–1395 mg/L, TN 1330–2179 mg/L, Ca²⁺ 3103–5734 mg/L，是典型的垃圾焚烧厂渗沥液。厌氧反应器采用UASB。

工艺运行过程如下：

将厌氧污泥以泥水比30%的接种量接种至反应器内，使污泥浓度达5.4 gVSS/L。以垃圾渗沥液作为进水，水力停留时间设为24-48h，运行温度33±2 ^oC，直流恒压电源提供稳定的0.7 V电压。系统稳定运行，COD去除率可达到95%以上。

采用厌氧生物反应器耦合微生物电解池工艺，以北京市某垃圾焚烧发电厂渗沥液为处理对象，稳定运行结果表明：COD去除率达到97%以上，其中富里酸类大分子有机质的去除率达96%。该工艺中富里酸的降解率（96%）远高于单独厌氧产甲烷反应器处理垃圾焚烧渗沥液时富里酸的降解率（81%）。

Claims (4)

1.一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法，其特征在于：在传统的厌氧产甲烷生物反应器的基础上加上电极和直流电源，形成厌氧生物反应器耦合微生物电解池的成套装置，包括外加稳压直流电源（1），厌氧反应器（2），气体收集装置（3），电极插孔（4），厌氧反应器出水孔（5），厌氧反应器排泥孔（6），电解池阴极（7），电解池阳极（8），厌氧反应器进水孔（9），水泵（10），垃圾焚烧渗沥液进水水箱（11）；该方法过程主要包括以下步骤：所述电解池阴极、所述电解池阳极、所述外加稳压直流电源和厌氧反应器共同构成微生物电解池装置，所述厌氧反应器底部设置进水口，侧面设置排泥孔，上部侧面设置出水孔，顶部设置出气孔，出气孔与气体收集装置相连，所述电解池阳极和所述电解池阴极穿过电极插孔置于所述厌氧反应器中且浸没于污泥之中，通过导线分别与所述外加稳压直流电源的正极和负极相连形成回路；

所述方法的工艺流程是：待处理的垃圾焚烧渗沥液经过水泵的作用，由进水孔进入厌氧反应器，在0.2-0.9V外加直流电压的作用下，阳极表面和附近富集产电微生物，产电微生物利用垃圾焚烧渗沥液中的有机质获取能量，同时产生并释放电子，电子通过阳极，经由外部导线传至阴极，然后在阴极表面的产甲烷菌的作用下产生甲烷，产生的气体经由排气孔进入到气体收集装置。

2.根据权利要求1所述的一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法，其特征在于：所述电解池阴极和所述电解池阳极材料均为导电碳材料。

3.根据权利要求1所述的一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法，其特征在于：所述垃圾焚烧渗沥液具有高COD、高氨氮的明显特点，是高浓度有机废水。

4.根据权利要求1所述的一种高效厌氧降解垃圾焚烧渗沥液中富里酸的方法，其特征在于：处理过程操作步骤是：

（1）以体积比30%-50%的接种量将厌氧污泥加入厌氧反应器，使得反应器内部污泥浓度为4-7 gVSS/L；

（2）将阳极电极和阴极电极分别安置在反应器底部和反应器中部，且保证两者在正常运行时均浸没于污泥之中；

（3）设置HRT为24-48 h，运行温度为30^oC-35^oC；直流电压为0.2-0.9V；

（4）利用低COD负荷的垃圾焚烧渗沥液稀释液作为进水驯化污泥，通过水泵引进厌氧反应器进行处理，确保系统稳定运行时COD去除效率在95%以上；所述低COD的浓度为2000-5000 mg/L；

（5）利用高COD负荷垃圾焚烧渗沥液作为进水，通过水泵引进厌氧反应器进行处理；所述高COD的浓度为30000-70000 mg/L。

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