CN107827332A - 一种用于剩余污泥处理的厌氧折流板‑微生物电解池耦合反应器及其使用方法 - Google Patents

一种用于剩余污泥处理的厌氧折流板‑微生物电解池耦合反应器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种厌氧折流板‑微生物电解池耦合反应器及其在剩余污泥处理方面的应用。所述厌氧折流板‑微生物电解池耦合反应器主要由厌氧折流板反应器和微生物电解池组成。上述厌氧折流板‑微生物电解池耦合反应器实现剩余污泥产气的方法为：（1）MEC阳极生物碳刷驯化；（2）运行ABR，进行剩余污泥产酸发酵，收集污泥发酵液；（3）将污泥发酵液饲入MEC，进行产氢反应。本发明旨在解决厌氧消化技术存在的能源回收效率低、有机质利用率低的问题，实现了剩余污泥稳定与资源化。

Description

一种用于剩余污泥处理的厌氧折流板-微生物电解池耦合反 应器及其使用方法
技术领域
本发明属于剩余污泥处理技术领域,具体涉及一种厌氧发酵反应耦合微生物电解池处理剩余污泥的方法。
背景技术
剩余污泥是污水处理的副产物，含水率约为98%-99%，包含泥沙、纤维、胶体、有机物、微生物和金属元素等。污泥中的有机物，不仅浓度高、不易降解，且含有较多的病原体微生物，会对水体和土壤造成污染。因此，剩余污泥的稳定是污泥处理的主要目标。
目前常用的剩余污泥稳定方法是厌氧消化。剩余污泥中除了可以被产甲烷菌直接利用的乙酸外还有大量的多碳挥发性有机脂肪酸，这些多碳挥发性有机脂肪酸不能被产甲烷菌直接利用，需要在厌氧消化过程中先水解发酵生成乙酸，才能被产甲烷菌利用，因此厌氧消化过程较为复杂，酸类的不及时利用造成产甲烷速率低。现有的发酵制氢技术主要是利用产酸发酵菌群代谢碳水化合物产生氢气及乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等小分子有机物，且底物的氢元素只有小部分以氢气的形式释放，大部分的氢仍被固定在液相产物中，所以碳源利用率低，氢气产量低。
为改善剩余污泥厌氧消化性能，提高产气效率，就需要对传统的污泥厌氧消化工艺进行改进。微生物电解池可以利用复杂的有机底物，在外电路的作用下使电子迅速传递。因此,本方法提出了一种厌氧发酵反应耦合微生物电解处理剩余污泥的方法，将微生物电化学系统引入到污泥厌氧消化过程中，辅助厌氧消化加快其产甲烷效能；厌氧折流板反应器利用相分离的优势可以通过产酸菌实现对乙酸的积累，而微生物电解池能够将乙酸转化为氢气，将厌氧折流板反应器(ABR)与微生物电解池(MEC)耦合最终可以用于加强产氢过程的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对现有剩余污泥处理技术中的不足，提供了一种厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器及其使用方法,用以实现剩余污泥的稳定化、减量化和资源化。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
提供一种用于剩余污泥处理的厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器,该反应器主要包括污泥投配池，与污泥投配池管路连通的厌氧折流板反应器 ，管路上设置泥泵，厌氧折流板反应器置于恒温水浴中，右侧设有出水口，通过管路和微生物电解池连通，管路上设置出水蠕动泵,厌氧折流板反应器内的反应室由五个串联连通的格室组成，剩余污泥可通过折流板依次流过五个格室,每个格室都由隔板隔离，每个格室顶部设有气体收集管，中部设有水样收集管和污泥取样管,所述折流板末端设有导流板，所述隔板上安装有反射板，排泥口通过污泥回流管与进泥口相连，依靠泥泵进行污泥回流，保证厌氧折流板反应器内污泥浓度,微生物电解池的阳极和阴极分别与恒压电源的正负极相连，上部设有气体收集袋，反应器出水通过蠕动泵进入出水箱。
优选的,所述导流板和反射板相垂直,使水流更加顺畅，从而降低运行过程中的能耗,微生物电解池的前后壁上设有阴阳极卡槽，能够很好地固定阴极和阳极，设置导出口,使阴阳极通过钛丝在导出口导出与恒压电源相连，导出口通过橡胶塞封闭,所述阳极为碳纤维与钛丝构成的碳刷，阴极为涂敷Ni催化剂的不锈钢网。
上述厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器处理剩余污泥的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(Ⅰ)微生物电解池阳极碳刷驯化：厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器中的微生物电解池单元采用原位启动方式,向微生物电解池内注入一半体积乙酸盐为碳源物质的电极营养液A(电极营养液A的成分为每升营养液：乙酸钠1g、氯化氨0.31g、氯化钾0.13g、碳酸二氢钠5.618g、碳酸氢二钠6.155g、Wolfe微量元素液1mL、Wolfe矿物元素液1mL)，另一半体积注入剩余污泥，运行一段时间，利用数据记录仪记录微生物电解池阳极电势、阴极电势和电路电流的变化情况，待电流达到最高值并出现下降趋势时，更换电极营养液A和剩余污泥，重复上述操作，直到两次进料后电流最高值相差不大时，判定微生物电解池阳极驯化完成，微生物电解池单元启动成功；(Ⅱ)运行厌氧折流板反应器，收集污泥发酵液：控制厌氧折流板反应器的温度为35±2℃，搅拌速率为100rpm/min，厌氧折流板反应器固体停留时间为8d，并定期投加碱性溶液调节厌氧折流板反应器内的pH，使其维持在10.0±0.2,厌氧折流板反应器运行前10d为驯化期，采用静态发酵批次方式，不进不排剩余污泥，10d后进入正常运行阶段, 厌氧折流板反应器采用半连续流的运行方式，每个反应器每24h排出所有发酵污泥，并投入等量的剩余污泥，每24h通过水样收集管采集水样进行测定，待水样中各溶解性有机组分，进入相对稳定状态时，即可认为反应器产酸效能基本达到稳定，开始回收污泥酸化发酵液；
(Ⅲ)利用污泥发酵液运行微生物电解池反应器：用步骤(Ⅱ)获得的含酸发酵液作为进料，连续运行微生物电解池产氢反应器，控制微生物电解池HRT为24h,每24h取进水和电解池出水，测定总碳水化合物、可溶性蛋白质、挥发性脂肪酸、溶解性化学需氧量这四项指标，利用气袋收集所产气体，每日测定产气体积及气体组分。
步骤Ⅱ中回收污泥酸化发酵液的方法为每日将排出的发酵污泥用离心机在10000r/min条件下离心15min，回收上清液，作为剩余污泥酸化发酵液，并将每10d所得发酵液混合，于4℃冰柜中冷藏待用。
此外,步骤Ⅱ中采用半连续流的运行方式的厌氧折流板反应器设置有气体的采样口，各口在正常运行时均用三通阀在取样进样时控制连通并保证密封，维持反应器的厌氧环境。
本发明的有益效果在于：
1）与现有技术相比，本发明提供的厌氧发酵反应耦合微生物电解处理剩余污泥的方法，通过将MEC与厌氧消化反应器耦合，不仅使得污泥有机物的降解率增加，而且使得微生物电解池的产气效率得到提高，使二者形成一个可充分利用剩余污泥中各种有机物的强化产气体系；
2）对于剩余污泥等难利用的复杂有机质，厌氧消化技术的甲烷生物转化效能较低，产出的能源气体所蕴含的能量往往不足以弥补消化过程的能量投入，导致运行成本过高，工艺运行难以维系。微生物电解池可以利用复杂的有机底物以及有机底物发酵后的末端产物，且电活性微生物在阳极池能完全氧化有机物。将微生物电化学系统引入到污泥厌氧消化过程中，能辅助厌氧消化加快其产甲烷效能；
3）现有的发酵制氢技术主要是利用产酸发酵菌群代谢碳水化合物产生氢气及乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等小分子有机物，且底物的氢元素只有小部分以氢气的形式释放，大部分的氢仍被固定在液相产物中，所以碳源利用率低，氢气产量低。MEC中的电活性微生物在阳极池能完全氧化有机物，乙酸、丙酸、丁酸等厌氧代谢的中间产物可以作为电解池阳极池中产电菌的底物，在产电微生物的协助下，实现挥发酸的彻底氧化。从而拉动厌氧代谢过程的进行，同时能产生大量氢气，有效解决“发酵障碍”难题；
4）ABR反应器利用相分离的优势，通过产酸菌实现对乙酸的积累，而MEC能够将乙酸转化为氢气。因此，两者耦合可以用于加强产氢过程的稳定性。
附图说明
图1为本发明所述厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器结构示意图。
附图标记：1-污泥投配池、2-厌氧折流板反应器、3-微生物电解池、4-恒压电源、5-泥泵、6-出水蠕动泵、7-阳极、8-阴极、9-水样收集管、10-污泥取样管、11-隔板、12-折流板、13-导流板、14-反射板、15-气体收集管、16-恒温水浴锅、17-污泥回流管、18-进水口、19-出水口、20-泥泵、21-进泥口、22-排泥口、23-气体收集袋、24-蠕动泵、25-出水箱、26-格室。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器（ABR-MEC）结构如图1所示,主要由包括污泥投配池1，与污泥投配池1管路连通的厌氧折流板反应器（ABR）2 ，管路上设置泥泵5，剩余污泥从投配池1通过管路，由泥泵5饲入反应器2的进口18，厌氧折流板反应器2置于恒温水浴16中，右侧设有出水口19，通过管路和微生物电解池（MEC）3连通，管路上设置出水蠕动泵6。厌氧折流板反应器2内的反应室包括五个串联连通的格室26组成，剩余污泥可通过折流板12依次流过五个格室26。每个格室26都由隔板11隔离，每个格室26顶部设有气体收集管15，中部设有水样收集管9和污泥取样管10。所述折流板12末端设有导流板13，所述隔板11上安装有反射板14，所述导流板13和反射板14相垂直。导流板13和反射板14的设置使水流更加顺畅，从而降低运行过程中的能耗。排泥口22通过污泥回流管17与进泥口21相连，依靠泥泵20进行污泥回流，保证厌氧折流板反应器2内污泥浓度。微生物电解池3的阳极7和阴极8分别与恒压电源4的正负极相连，上部设有气体收集袋23，反应器出水通过蠕动泵24进入出水箱25。
实施例2
采用上述ABR-MEC耦合反应器对剩余污泥进行处理: 某污水处理厂原剩余污泥中SCOD浓度为 119.4 mg/L，蛋白质浓度为113mg/L，碳水化合物浓度为579.4mg/L，挥发性脂肪酸浓度为550 mgCOD/L,氨氮浓度为284.7mg/L。稳定后的剩余污泥产酸发酵反应器（ABR）内发酵液中的SCOD浓度为4857.7 mg/L,蛋白质浓度为978.4mg/L，碳水化合物浓度为705.9mg/L，挥发性脂肪酸浓度为2810.9mgCOD/L，采用ABR-MEC耦合反应器进行厌氧发酵反应耦合微生物电解处理，其具体步骤如下：
步骤一、MEC生物阳极碳刷驯化：ABR-MEC耦合反应器的MEC 单元采用原位启动方式,向反应器内注入一半体积乙酸盐为碳源物质的电极营养液A（电极营养液A的成分为每升营养液：乙酸钠1g、氯化氨0.31g、氯化钾0.13g、碳酸二氢钠5.618g、碳酸氢二钠6.155g、Wolfe微量元素液1mL、Wolfe矿物元素液1mL），另一半体积注入污水厂剩余污泥（污泥浓度约5gVSS/L，挥发性悬浮固体（VSS）），运行一段时间，利用数据记录仪记录MEC阳极电势、阴极电势和电路电流的变化情况，待电流达到最高值并出现下降趋势时，更换电极营养液A和剩余污泥，重复上述操作，直到两次进料后电流最高值相差不大时，判定MEC阳极驯化完成，MEC单元启动成功。
步骤二、运行剩余污泥厌氧折流板反应器（ABR），收集污泥发酵液：所述厌氧折流板反应器可以采用完全混合式（CSTR）结构，控制反应器的温度为35±2℃，搅拌速率为100rpm/min，反应器固体停留时间（SRT）为8d，并定期投加碱性溶液调节反应器内的pH，使其维持在10.0±0.2。厌氧折流板反应器运行前10d为驯化期，采用静态发酵批次方式，不进不排剩余污泥，10d后进入正常运行阶段。厌氧折流板反应器采用半连续流的运行方式，每个反应器每24h排出所有发酵污泥，并投入等量的剩余污泥，每24h通过水样收集管采集水样进行测定，待水样中各溶解性有机组分，如蛋白质、碳水化合物、挥发性脂肪酸等的浓度进入相对稳定状态时，即可认为厌氧折流板反应器反应器产酸效能基本达到稳定，开始回收污泥酸化发酵液。污泥酸化发酵液的回收方法可以是每日将排出的发酵污泥用离心机在10000r/min条件下离心15min，回收上清液，作为剩余污泥酸化发酵液，并将每10d所得发酵液混合，于4℃冰柜中冷藏待用。
为优化条件，上述步骤二反应中，厌氧折流板半连续流反应器有气体的采样口23，各口在正常运行时均用三通阀在取样进样时控制连通并保证密封，维持反应器的厌氧环境。
步骤三、利用步骤二中获得的污泥发酵液运行MEC反应器：用步骤二中获得的含酸发酵液作为进料，连续运行MEC产氢反应器，控制反应器HRT为24h。每24h取进水和反应器出水，测定总碳水化合物、可溶性蛋白质、挥发性脂肪酸（VFAs）、溶解性化学需氧量（SCOD）等指标，利用气袋收集所产气体，每日测定产气体积及气体组分。
为优化反应条件，步骤三中MEC反应器的前后壁上设有阴阳极卡槽，能够很好地固定阴极和阳极，阴阳极通过钛丝在导出口导出与稳压电源相连，导出口通过橡胶塞封闭。此外，MEC反应器未设置加热装置，使反应器温度与室温保持一致（25~30℃）。MEC反应器内，外加电压0.6V，阳极可采用碳纤维与钛丝构成的碳刷，阴极采用涂敷Ni催化剂的不锈钢网。
上述反应运行至30d后剩余污泥产酸发酵反应器内各种挥发酸的百分比含量基本趋于稳定，分别为：乙酸51%、丙酸16.7%、正丁酸6.7%、异丁酸10.8%、正戊酸12.5%、异戊酸1.7%，氮氮浓度为198.6mg/L，总糖浓度为691mgCOD/L。利用污泥发酵液运行MEC反应器后，SCOD 浓度为2100mg/L，蛋白质浓度为360 mg/L，碳水化合物浓度为7.01mg/L（降解率达99%以上），挥发性脂肪酸浓度为1500 mgCOD/L。反应器运行至十五周期后渐趋于平稳，氢气产率为0.084gH2/gSCOD，产氢速率为0.45m3/m3反应器体积/d；产甲烷速率为0.173 m3/m3 d。
以上显示和描述了本发明的基本原理, 主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种用于剩余污泥处理的厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器,其特征在于,反应器包括污泥投配池(1)，与污泥投配池(1)管路连通的厌氧折流板反应器(2) ，管路上设置泥泵(5)，剩余污泥从投配池(1)通过管路，由泥泵(5)饲入厌氧折流板反应器(2)的进口(18)，厌氧折流板反应器(2)置于恒温水浴(16)中，右侧设有出水口(19)，通过管路和微生物电解池(3)连通，管路上设置出水蠕动泵(6),厌氧折流板反应器(2)内的反应室包括五个串联连通的格室(26)组成，剩余污泥通过折流板(12)依次流过五个格室(26),每个格室26都由隔板(11)隔离，每个格室顶部设有气体收集管(15)，中部设有水样收集管(9)和污泥取样管(10),所述折流板(12)末端设有导流板(13)，所述隔板(11)上安装有反射板(14)，排泥口(22)通过污泥回流管(17)与进泥口(21)相连，在泥泵(20)的作用下进行污泥回流，保证厌氧折流板反应器(2)内污泥浓度,微生物电解池(3)的阳极(7)和阴极(8)分别与恒压电源(4)的正负极相连，上部设有气体收集袋(23)，反应器出水通过蠕动泵(24)进入出水箱(25)。
2.根据权利要求1所述厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器, 其特征在于, 所述导流板(13)和反射板(14)相垂直。
3.根据权利要求1所述反应器, 其特征在于, 微生物电解池的前后壁上设有阴阳极卡槽，能够很好地固定阴极和阳极，设置导出口,使阴阳极通过钛丝在导出口导出与恒压电源相连，导出口通过橡胶塞封闭。
4.根据权利要求1所述厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器,其特征在于,所述阳极为碳纤维与钛丝构成的碳刷，阴极为涂敷Ni催化剂的不锈钢网。
5.采用上述权利要求1-4所述厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器处理剩余污泥的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
（Ⅰ）微生物电解池(3)阳极生物碳刷驯化；
（Ⅱ）运行厌氧折流板反应器(2)，收集污泥发酵液；
（Ⅲ）利用污泥发酵液，运行微生物电解池(3)。
6.根据权利要求4所述方法,其特征在于:所述方法的具体操作步骤如下:
(Ⅰ)微生物电解池(3)阳极碳刷驯化：厌氧折流板-微生物电解池耦合反应器中的微生物电解池(3)单元采用原位启动方式,向微生物电解池(3)内注入一半体积乙酸盐为碳源物质的电极营养液A(电极营养液A的成分为每升营养液：乙酸钠1g、氯化氨0.31g、氯化钾0.13g、碳酸二氢钠5.618g、碳酸氢二钠6.155g、Wolfe微量元素液1mL、Wolfe矿物元素液1mL)，另一半体积注入剩余污泥，运行一段时间，利用数据记录仪记录微生物电解池阳极电势、阴极电势和电路电流的变化情况，待电流达到最高值并出现下降趋势时，更换电极营养液A和剩余污泥，重复上述操作，直到两次进料后电流最高值相差不大时，判定微生物电解池阳极驯化完成，微生物电解池(3)单元启动成功；(Ⅱ)运行厌氧折流板反应器(2)，收集污泥发酵液：控制厌氧折流板反应器(2)的温度为35±2℃，搅拌速率为100rpm/min，厌氧折流板反应器(2)固体停留时间为8d，并定期投加碱性溶液调节厌氧折流板反应器(2)内的pH，使其维持在10.0±0.2,厌氧折流板反应器(2)运行前10d为驯化期，采用静态发酵批次方式，不进不排剩余污泥，10d后进入正常运行阶段, 厌氧折流板反应器(2)采用半连续流的运行方式，每个反应器每24h排出所有发酵污泥，并投入等量的新鲜剩余污泥，每24h通过水样收集管采集水样进行测定，待水样中各溶解性有机组分，进入相对稳定状态时，即可认为厌氧折流板反应器(2)产酸效能基本达到稳定，开始回收污泥酸化发酵液；
(Ⅲ)利用污泥发酵液运行微生物电解池反应器(3)：用步骤(Ⅱ)获得的含酸发酵液作为进料，连续运行微生物电解池产氢反应器，控制微生物电解池(3)水力停留时间（HRT）为24h,每24h取进水和电解池出水，测定总碳水化合物、可溶性蛋白质、挥发性脂肪酸、溶解性化学需氧量这四项指标，利用气袋收集所产气体，每日测定产气体积及气体组分。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：步骤Ⅱ中回收污泥酸化发酵液的方法为每日将排出的发酵污泥用离心机在10000r/min条件下离心15min，回收上清液，作为剩余污泥酸化发酵液，并将每10d所得发酵液混合，于4℃冰柜中冷藏待用。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于：步骤Ⅱ中厌氧折流板反应器(2)采用完全混合式（CSTR）结构。
9.根据权利要求6所述方法，其特征在于：步骤Ⅱ中采用半连续流的运行方式的厌氧折流板反应器(2)设置有气体的采样口(23)，在正常运行时均用三通阀在取样进样时控制连通并保证密封，维持厌氧折流板反应器(2)的厌氧环境。
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