CN108751640B - 一种原位污泥同步减量稳定处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位污泥同步减量稳定处理系统及方法，该系统由污泥浓缩系统、生物电化学系统和数据采集监测系统三部分组成，污泥浓缩系统为重力污泥浓缩池，从上至下分为澄清区、进泥区和污泥浓缩区三部分，澄清区上部设有出水口，进泥区设有进泥口，污泥浓缩区设有排泥口；生物电化学系统设有阳极电极和阴极电极，阳极电极置于污泥浓缩区，阴极电极悬于澄清区；数据采集监测系统设有负载和数据采集器，负载两端通过导线分别与阳极电极和阴极电极相连。本发明系统结构简单，造价低，可连续或间歇运行，无需污泥预处理，能够实现原位污泥同步减量化和稳定化。

Description

一种原位污泥同步减量稳定处理系统及方法
技术领域
本发明涉及污水处理厂中污泥减量化和稳定化，尤其涉及将沉积物微生物燃料电池与污泥处理构筑物相结合进行原位污泥减量化稳定化的系统及方法。
背景技术
目前，世界上超过90％的城市污水处理均采用活性污泥法，在处理过程中会产生大量污泥，约占处理污水体积0.3～0.5％(以含水率为97％计)。污泥作为污水处理的副产物，通常含有大量有毒有害且对环境产生负面影响的物质，如有毒有害有机物、重金属、病原菌及寄生虫卵等，必须对其进行妥善处理，避免对环境造成二次污染。通常污水处理厂中污泥处理流程为浓缩+调理+脱水，这仅仅使污泥减量化，而未能实现污泥稳定化。与此同时，污泥处理费用昂贵，处理费用占污水厂运行费用的25％～40％，甚至高达60％。因此，污泥的处理已成为城市污水厂所面临的巨大压力。
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，简称MFC)是一种以微生物或酶为阳极催化剂，将化学能直接转化为电能的装置。利用微生物燃料电池，不仅可以直接将有机物降解，而且可将代谢过程中产生的电子转化为电流，从而获得电能。近年来，在环境污染和能源危机的双重压力下，由于微生物燃料电池可同时处理废水并产生电能，这项新技术越来越受人们青睐，已成为废水处理及新能源开发领域的研究热点。沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cells，简称SMFC)是一种新型的微生物燃料电池。SMFC结构简单，为单室构造，且无质子交换膜，因此成本低，易于实现工程化应用。
典型的SMFC是将电池的阳极置于厌氧沉积物中，将电池的阴极置于上覆水中，电子通过连接阳极和阴极的导线传递，阳极和阴极之间无空间阻隔。其工作原理如下：在阳极微生物的作用下，底物被分解产生电子、质子及其它代谢产物；部分电子传递到阳极表面并通过外电路到达阴极，质子经产电基质到达阴极；在阴极表面，电子、质子与电子受体结合并形成电流。
我国污泥中有机物物质含量约为50-70％，碳水化合物含量较高。因此，污泥既是微生物，又可作为微生物燃料电池的产电基质(有机物)。本发明将污水处理厂中污泥浓缩池与沉积物微生物燃料电池相结合，通过污泥浓缩池实现污泥减量化，而沉积物微生物燃料电池促使污泥稳定化。以污泥浓缩池中剩余污泥作为产电微生物，无需添加电子中介体；以污泥浓缩池中剩余污泥作为产电基质，无需污泥预处理；阴极和阳极处于同一构筑物中，无需设置质子交换膜，可以连续或间歇进行。本发明无需另建污泥稳定化处理设施，可原位实现污泥减量化和稳定化。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种原位污泥同步减量稳定处理系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种原位污泥同步减量稳定处理系统，该系统由污泥浓缩系统、生物电化学系统和数据采集监测系统三部分组成；所述污泥浓缩系统为重力浓缩池，从上至下分为澄清区、进泥区和污泥浓缩区三部分，澄清区上部设有出水口，进泥区设有进泥口，污泥浓缩区设有排泥口；所述生物电化学系统设有阳极电极和阴极电极，阳极电极置于污泥浓缩区，阴极电极悬于澄清区；所述数据采集监测系统设有负载和数据采集器，负载两端通过导线分别与阳极电极和阴极电极相连；数据采集器与负载和PC机连接。
进一步地，该系统处理的污泥为处理生活污水或工业废水的污水处理厂或污水处理站产生的剩余污泥。
进一步地，所述阳极电极和阴极电极的导电材料均选自碳纸、碳布、碳毡、碳刷、碳纤维、石墨毡、石墨板、石墨盘或不锈钢中的一种或两种以上任意组合。
进一步地，所述阳极电极置于进泥口下方5-10cm处。
进一步地，所述阳极电极采用单个或多个多层立体结构，多个多层立体结构之间采用串联方式连接，单个多层立体结构的每个单层平面结构之间采用并联方式连接，单层平面结构采用单环或多环结构，多环结构的每个单环结构之间采用并联方式连接，每个单环结构由多个导电单元串联形成；多层立体结构的相邻单层平面结构之间的间距为5-15cm；多个多层立体结构的相邻多层立体结构之间的间距为10-20cm；阳极电极表面积与污泥浓缩系统体积之比为(1-30)m2:1m3。
进一步地，所述阴极电极置于澄清区的液面下1-2cm处。
进一步地，所述阴极电极采用单个或多个多环平面结构，多个多环平面结构之间采用串联方式连接，多环平面结构的每个单环结构之间采用并联方式连接，每个单环结构由多个导电单元串联形成；多个多环平面结构的相邻多环平面结构之间的间距为10-20cm；阴极电极表面积与污泥浓缩系统表面积之比为1m2:(2-5)m2。
进一步地，通过外加生活污水、工业废水或含氮磷营养液来补充澄清区中氮磷营养元素；通过曝气调节澄清区中溶解氧溶度。
进一步地，所述导线与阳极电极或阴极电极连接处用环氧树脂密封，导线暴露部分用环氧树脂覆盖密封。
一种原位污泥同步减量稳定处理方法，该方法具体为：剩余污泥经进泥口进入污泥浓缩系统的进泥区，在重力作用下进行成层沉淀和压缩沉淀；剩余污泥中的游离水进入澄清区，经出水堰溢出后从出水口排出；浓缩后的污泥进入污泥浓缩区，经排泥口排出；与此同时，在阳极微生物的作用下，剩余污泥被分解产生电子、质子及其它代谢产物；部分电子传递到阳极电极表面并通过外电路到达阴极电极，质子经产电基质到达阴极电极；在阴极电极表面，电子、质子与电子受体结合并形成电流，由此实现原位污泥同步减量化和稳定化；生物电化学系统产生的电信号被数据采集器收集，并传输到PC机中，通过电信号变化监测系统的运行情况，便于过程及时调控。
本发明具有的有益效果：
1.可实现原位污泥同步减量化和稳定化。
2.阴、阳两极处于同一构筑物中，无需质子交换膜。
3.无需添加电子中介体，无需对污泥进行预处理。
4.无需另建污泥处理构筑物，可对原有重力污泥浓缩池进行改建。
5.可产生电能，回收污泥中的能源。
附图说明
图1是本发明原位污泥同步减量稳定处理系统示意图；
图2是阳极电极多层立体结构示意图；
图3是阴极电极多环平面结构示意图；
其中：澄清区1、进泥区2、污泥浓缩区3、出水口4、进泥口5、排泥口6、阳极电极7、阴极电极8、负载9、导线10、数据采集器11、PC机12、导电单元13、框架14、内部导线15、阳极总导线16、阴极总导线17。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种原位污泥同步减量稳定处理系统，该系统由污泥浓缩系统、生物电化学系统和数据采集监测系统三部分组成；所述污泥浓缩系统为重力浓缩池，从上至下分为澄清区1、进泥区2和污泥浓缩区3三部分，澄清区1上部设有出水口4，进泥区2设有进泥口5，污泥浓缩区3设有排泥口6；所述生物电化学系统设有阳极电极7和阴极电极8，阳极电极7置于污泥浓缩区3，阴极电极8悬于澄清区1；所述数据采集监测系统设有负载9和数据采集器11，负载9两端通过导线10分别与阳极电极7和阴极电极8相连；导线10与阳极电极7或阴极电极8连接处用环氧树脂密封，导线10暴露部分用环氧树脂覆盖密封；负载9的两端同时与数据采集器11连接，数据采集器11与PC机12连接。该系统处理的污泥为处理生活污水或工业废水的污水处理厂或污水处理站产生的剩余污泥。
所述阳极电极7和阴极电极8的导电材料均选自碳纸、碳布、碳毡、碳刷、碳纤维、石墨毡、石墨板、石墨盘或不锈钢中的一种或两种以上任意组合。
所述负载9可以选用阻值为100-10000Ω的外接电阻。
所述阳极电极7置于进泥口5下方5-10cm处；所述阳极电极7采用单个或多个多层立体结构，多个多层立体结构之间采用串联方式连接，单个多层立体结构的每个单层平面结构之间采用并联方式连接，最终通过阳极总导线16引出，如图2所示，单层平面结构采用单环或多环结构，多环结构的每个单环结构之间采用并联方式连接，每个单环结构由多个导电单元13通过内部导线15串联形成；导电单元13的导电材料选自碳纸、碳布、碳毡、碳刷、碳纤维、石墨毡、石墨板、石墨盘或不锈钢中的一种或两种以上任意组合；导电单元13通过框架14支撑，所述框架14采用绝缘材料，或者在金属材料上镀绝缘层；多层立体结构的相邻单层平面结构之间的间距为5-15cm；多个多层立体结构的相邻多层立体结构之间的间距为10-20cm；阳极电极表面积与污泥浓缩系统体积之比为(1-30)m2:1m3。该结构的有益效果是：一是阳极电极置于进泥口处下方5-10cm处，通过进泥口处污泥冲刷阳极，有利于促进阳极电极表面剩余污泥界面更新，从而加快剩余污泥与阳极电极之间的传质速度；二是通过阳极电极的多层立体结构，增大阳极电极与污泥浓缩区剩余污泥的接触面积，进而加速剩余污泥的稳定化。
所述阴极电极8置于澄清区1的液面下1-2cm处；所述阴极电极8采用单个或多个多环平面结构，多个多环平面结构之间采用串联方式连接，多环平面结构的每个单环结构之间采用并联方式连接，最终通过阴极总导线17引出，如图3所示，每个单环结构由多个导电单元13通过内部导线15串联形成；导电单元13的导电材料选自碳纸、碳布、碳毡、碳刷、碳纤维、石墨毡、石墨板、石墨盘或不锈钢中的一种或两种以上任意组合；导电单元13通过框架14支撑，所述框架14采用绝缘材料，或者在金属材料上镀绝缘层；多个多环平面结构的相邻多环平面结构之间的间距为10-20cm；阴极电极表面积与污泥浓缩系统表面积之比为1m2:(2-5)m2。该结构的有益效果是：通过阴极电极的多环平面结构，增大阴极电极与澄清区的接触面积，有利于阴极上电子、质子与澄清区的溶解氧结合，从而拉动阳极电子输出，加速剩余污泥的稳定化。
剩余污泥经进泥口5进入污泥浓缩系统的进泥区2，在重力作用下进行成层沉淀和压缩沉淀；剩余污泥中的游离水进入澄清区1，经出水堰溢出后从出水口4排出；浓缩后的污泥进入污泥浓缩区3，经排泥口6排出；与此同时，在阳极微生物的作用下，剩余污泥被分解产生电子、质子及其它代谢产物；部分电子传递到阳极电极7表面并通过外电路到达阴极电极8，质子经产电基质到达阴极电极8；在阴极电极8表面，电子、质子与电子受体(澄清区1的溶解氧)结合并形成电流，由此实现原位污泥同步减量化和稳定化；生物电化学系统产生的电信号被数据采集器11收集，并传输到PC机12中，通过电信号变化监测系统的运行情况，便于过程及时调控。
此外，还可以通过外加生活污水、工业废水或含氮磷营养液来补充澄清区1中氮磷营养元素；通过曝气调节澄清区1中溶解氧溶度。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种原位污泥同步减量稳定处理系统，其特征在于，该系统由污泥浓缩系统、生物电化学系统和数据采集监测系统三部分组成；所述污泥浓缩系统为重力浓缩池，从上至下分为澄清区(1)、进泥区(2)和污泥浓缩区(3)三部分，澄清区(1)上部设有出水口(4)，进泥区(2)设有进泥口(5)，污泥浓缩区(3)设有排泥口(6)；所述生物电化学系统设有阳极电极(7)和阴极电极(8)，阳极电极(7)置于污泥浓缩区(3)，阴极电极(8)悬于澄清区(1)；所述数据采集监测系统设有负载(9)和数据采集器(11)，负载(9)两端通过导线(10)分别与阳极电极(7)和阴极电极(8)相连；数据采集器(11)与负载(9)和PC机(12)连接；
所述阳极电极(7)置于进泥口(5)下方5-10cm处；所述阴极电极(8)置于澄清区(1)的液面下1-2cm处；所述阳极电极(7)采用单个或多个多层立体结构，多个多层立体结构之间采用串联方式连接，单个多层立体结构的每个单层平面结构之间采用并联方式连接，单层平面结构采用单环或多环结构，多环结构的每个单环结构之间采用并联方式连接，每个单环结构由多个导电单元串联形成；多层立体结构的相邻单层平面结构之间的间距为5-15cm；多个多层立体结构的相邻多层立体结构之间的间距为10-20cm；阳极电极表面积与污泥浓缩系统体积之比为(1-30)m2:1m3；
系统通过外加生活污水、工业废水或含氮磷营养液来补充澄清区(1)中氮磷营养元素；通过曝气调节澄清区(1)中溶解氧溶度。
2.根据权利要求1所述的一种原位污泥同步减量稳定处理系统，其特征在于，该系统处理的污泥为处理生活污水或工业废水的污水处理厂或污水处理站产生的剩余污泥。
3.根据权利要求1所述的一种原位污泥同步减量稳定处理系统，其特征在于，所述阳极电极(7)和阴极电极(8)的导电材料均选自碳纸、碳布、碳毡、碳刷、碳纤维、石墨毡、石墨板、石墨盘或不锈钢中的一种或两种以上任意组合。
4.根据权利要求1所述的一种原位污泥同步减量稳定处理系统，其特征在于，所述阴极电极(8)采用单个或多个多环平面结构，多个多环平面结构之间采用串联方式连接，多环平面结构的每个单环结构之间采用并联方式连接，每个单环结构由多个导电单元串联形成；多个多环平面结构的相邻多环平面结构之间的间距为10-20cm；阴极电极表面积与污泥浓缩系统表面积之比为1m2:(2-5)m2。
5.根据权利要求1所述的一种原位污泥同步减量稳定处理系统，其特征在于，所述导线(10)与阳极电极(7)或阴极电极(8)连接处用环氧树脂密封，导线(10)暴露部分用环氧树脂覆盖密封。
6.一种利用权利要求1-5任一项系统的原位污泥同步减量稳定处理方法，其特征在于，剩余污泥经进泥口(5)进入污泥浓缩系统的进泥区(2)，在重力作用下进行成层沉淀和压缩沉淀；剩余污泥中的游离水进入澄清区(1)，经出水堰溢出后从出水口(4)排出；浓缩后的污泥进入污泥浓缩区(3)，经排泥口(6)排出；与此同时，在阳极微生物的作用下，剩余污泥被分解产生电子、质子及其它代谢产物；部分电子传递到阳极电极(7)表面并通过外电路到达阴极电极(8)，质子经产电基质到达阴极电极(8)；在阴极电极(8)表面，电子、质子与电子受体结合并形成电流，由此实现原位污泥同步减量化和稳定化；生物电化学系统产生的电信号被数据采集器(11)收集，并传输到PC机(12)中，通过电信号变化监测系统的运行情况，便于过程及时调控。
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