CN108751644A - 一种城市污泥破解与能源转化装置及城市污泥处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种城市污泥破解与能源转化装置及城市污泥处理方法，装置包括破解反应器、离心机、水箱、螺旋输送机、生态反应器，生态反应器内种有植物，生态反应器内交替设有木屑层和泥渣层，在位于最上方的泥渣层内安装碳棒，其余的泥渣层一端均通过导线与碳棒连接，导线上安有指示灯；城市污泥在破解反应器内经破解后，经离心机分离后，固态泥渣和液体分别经螺旋输送机和水箱进入生态反应器内，在生态反应器内经微生物燃料电池作用进一步得到处理。本发明首先对城市污泥进行破解和固液分离，使固态泥渣和液体进入生态反应器，促进植物的生长，又借助植物根系微生物的作用，将污水污泥有机物中的化学能直接转化成了电能，实现了能源转化利用。

Description

一种城市污泥破解与能源转化装置及城市污泥处理方法
技术领域
本发明涉及生活污泥处理技术领域，特别是涉及一种城市污泥破解与能源转化装置及城市污泥处理方法。
背景技术
随着城镇化的加速，作为污水处理厂的副产物-污泥的产量在急剧上升，污泥的处理与处置已成为困扰污水处理厂的重大难题与挑战。据调查显示，以含水率80％计，我国污泥总产量将很快突破3000万吨，到2020年将突破6000万吨。由于污泥含水率高、体积大，并且污泥中病原菌、重金属等污染物若处理不当将会导致严重的二次污染，给生态环境造成极大的危害，同时也严重地制约着污水处理厂的运行。目前，有很多种方法可以用来处理城市污泥，例如如物理和化学的方法有：浓缩、脱水、干化或焚烧、臭氧氧化、氯氧化等，生物方法有：生物修复、传统堆肥等。
据研究显示，城市污泥中含有丰富的营养成分、土地利用前景广阔。进入21世纪以来，许多国家城市污泥土地利用的比例均在不断增加。而碳化、焚烧、发电、厌氧消化等污泥能源化途径则逐年降低。污泥土地利用以最自然的粗产品形式(基质土、肥料等)将城市污泥所含的来自土壤的资源再次返回土地。相比于污泥的其他资源化途径，土地利用优点明显，前景广阔，但城市污泥直接土地利用往往存在利用率不高、见效慢、污染较严重等风险。因此，有必要开发一种新的城市污泥处理技术克服上述这些问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种城市污泥破解与能源转化装置及城市污泥处理方法，结构新颖、绿色环保，不仅可以实现城市污泥的破解，降低污泥的毒害作用，微生物将污水污泥中的化学能直接转化成电能，同时污水污泥中的有机物、氮等也得到了处理，还可以实现城市污泥的资源化利用与能源转化。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种城市污泥破解与能源转化装置，包括破解反应器、离心机、水箱、螺旋输送机和生态反应器；
破解反应器的输入端与城市污泥输送管道连通，破解反应器的输出端与离心机的输入端连通；
离心机具有液体输出端和固体输出端，液体输出端与水箱的输入端连接，水箱的输出端与生态反应器连通；固体输出端和螺旋输送机的输入端连接；
生态反应器内种有植物，生态反应器内设有若干层木屑层和若干层泥渣层，木屑层和泥渣层交替设置，不同层之间设有隔离网；
位于最上方的泥渣层作为阴极区，其余的泥渣层作为阳极区，最上方的泥渣层内设有碳棒，其余的泥渣层一端均通过导线与碳棒连接，导线上安装有指示灯，阴极区通过碳棒和导线连接与阳极区形成外电路；位于最上方的泥渣层通过气泵连接供氧设备，用于给最上方的泥渣层提供氧化剂；
螺旋输送机的输出端与生态反应器的泥渣层连通。
进一步，生态反应器底部侧壁上设有污水进口，在生态反应器上方且与污水进口不在同一侧的侧壁上设有污水出口。
进一步，生态反应器底部内侧设有液体分布器，液体分布器与污水进口连通。
进一步，水箱的输出端依次通过第二球阀和第二蠕动泵与污水进口连接。
进一步，在生态反应器侧壁上且与泥渣层一端位置对应处设有泥渣入口，在生态反应器侧壁上且与泥渣层另一端位置对应处设有泥渣出口。
进一步，所述泥渣入口和泥渣出口上均设有开关。
进一步，螺旋输送机的输出端与泥渣入口连接。
进一步，破解反应器的输出端依次通过第一球阀和第一蠕动泵与离心机连通。
进一步，破解反应器上设有碱改性粉煤灰入口与酸改性气化渣入口以及搅拌桨。
采用上述装置对城市污泥进行处理，具体包括以下步骤：
1)城市污泥由破解反应器的输入端进入，向破解反应器上的内添加添加碱改性粉煤灰与酸改性气化渣，边添加边搅拌，调节城市污泥的pH在7.5±1.0范围，停止添加；
2)在搅拌作用下，城市污泥在破解反应器内进行破解反应，污泥破解完成后，破解污泥进入离心机进行固液分离，分离后的液体进入水箱，泥渣进入螺旋输送机；
3)泥渣在螺旋输送机的作用下进入生态反应器的泥渣层；
4)液体进入生态反应器底部，同时，气泵向阴极区内补给氧气；
5)植物生长过程根系微生物大量繁殖，在阳极区厌氧环境下，泥渣中的有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子在阳极区进行传递，并通过外电路传递到阴极区形成电流，指示灯工作，而质子在生态反应器内部传递到阴极区，氧化剂在阴极区得到电子被还原与质子结合成水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明装置包括用于破解分离城市污泥的破解反应器、离心机、水箱及螺旋输送机和用于进行微生物反应的生态反应器，在生态反应器内种有植物，在破解反应器内经破解后的污泥经离心机固液分离后，由水箱和螺旋传送机将液体和固态泥渣分别送入生态反应器内，泥渣中的有机质、氮等被栽在生态反应器内的植物吸收，促进植物生长；作为阴极区的泥渣层通过碳棒和导线连接与作为阳极区的泥渣层形成外电路，气泵给阴极区供氧化剂，植物生长过程根系微生物大量繁殖，在阳极区厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子阳极区进行传递，并通过外电路传递到阴极区形成电流，指示灯工作，而质子在生态反应器内部传递到阴极，氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水；微生物将污水污泥有机物中的化学能直接转化成了电能，实现了能源转化利用，同时污水污泥中的有机物、氮等也得到了处理。
进一步，污水进口在生态反应器下方，污水出口在生态反应器上方，且不在同侧设置，是为了让污水由下至上慢慢渗透，更好地被植物根系吸收，进一步提高了污水的处理效率，同时也可防止植物根系的腐烂。
进一步，通过在生态反应器底部设置液体分布器，使液体均匀分布，使得水分均匀渗透至各层。
进一步，通过在管路上设置球阀和蠕动泵，能轻松的输送固、液或固液混合流体，维修费用低。
进一步，通过在泥渣层两端设置有泥渣入口和泥渣出口，可以不断地使新的污泥流入生态反应器内，提高工作效率。
进一步，通过在泥渣入口和泥渣出口处设置开关，可以控制污泥的进入或流出，想让污泥进入或流出那层就开启对应的开关，根据污泥的产生量和处理情况来选择开关的闭合情况。
进一步，通过在破解反应器上设有碱改性粉煤灰入口与酸改性气化渣入口，调节污泥的PH值，借助改性粉煤灰与改性气化渣特有的物理化学性质进行城市污泥的破解，即可实现废物利用、又达到了以废制废的目的。
本发明将生物方法与化学方法有机联合对城市污泥进行无害化、资源化、减量化、稳定化处理。首先，借助改性粉煤灰与改性气化渣特有的物理化学性质进行城市污泥的破解，即可实现废物利用、又达到了以废制废的目的；破解后的污泥进行资源化利用与能源转化处理，污泥中的有机质、氮等一方面被植物吸收，促进植物生长，另一方面植物生长过程根系微生物大量繁殖，在阳极室(A区)厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子在阳极区进行传递，并通过外电路传递到阴极(C区)形成电流，彩灯工作，而质子在桶内部传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水，本方法利用微生物将污水污泥有机物中的化学能直接转化成了电能，实现了能源转化利用。本发明不仅可以实现城市污泥的破解，降低污泥的毒害作用，还可以实现城市污泥的资源化利用与能源转化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1为破解反应器；2为碱改性粉煤灰入口；3为酸改性气化渣入口；4为第一球阀；5为第一蠕动泵；6为离心机；7为水箱；8为螺旋输送机；9为第二球阀；10为第二蠕动泵；11为气泵；12为泥渣入口；13为生态反应器；14为植物；15为液体分布器；16为木屑层；17为泥渣出口；18为导线；19为指示灯；20为污水出口；21为泥渣层；22为隔离网；23为碳棒；24为污水进口；A为阳极区；C为阴极区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明包括破解反应器1、离心机6、水箱7、螺旋输送机8和生态反应器13，生态反应器13一般采用不锈钢生态反应器，生态反应器13顶部种植有植物14，底部设有液体分布器15，生态反应器13内设有若干层木屑层16和若干层泥渣层21，木屑层16和泥渣层21交替设置，不同层之间设有隔离网22，位于最上方的泥渣层21内设有碳棒23，其余的泥渣层21一端均通过导线18与碳棒23连接，导线18上安装有指示灯19；位于最上方的泥渣层21通过气泵11连接供氧设备，用于给最上方的泥渣层21提供氧化剂，在处理过程中由气泵11不时向生态反应器13内最上方的泥渣层21补给氧化剂。
破解反应器1的的输入端与城市污泥输送管道连通，破解反应器1的的输出端与离心机6的输入端连通；离心机6具有液体输出端和固体输出端，液体输出端与水箱7的输入端连接，水箱7的输出端与生态反应器13底部的污水进口连通；固体输出端和螺旋输送机8的输入端连接，螺旋输送机8的输出端与泥渣层21连通。
待处理城市污泥由破解反应器1的输入端进入，然后向破解反应器1的碱改性粉煤灰入口2和酸改性气化渣入口3加入对应的添加剂，使城市污泥的pH在7.5±1.0范围内。碱改性粉煤灰与酸改性气化渣具有较大的比表面积及较多的活性基团，可有效地破解污泥微生物细胞，借助改性粉煤灰与改性气化渣特有的物理化学性质进行城市污泥的破解，即可实现废物利用、又达到了以废制废的目的。
在搅拌桨的作用下，城市污泥在破解反应器1内进行破解反应，污泥破解后，打开第一球阀4，启动第一蠕动泵5，破解污泥进入离心机6进行固液分离；分离后的液体进入水箱7，泥渣进入螺旋输送机8；然后依次打开生态反应器13的泥渣入口12开关，泥渣在螺旋输送机8的作用下进入生态反应器13的泥渣层21，泥渣均匀布满每层后关闭泥渣入口12开关；此后，打开第二球阀9，启动第二蠕动泵10，液体进入生态反应器13的底部，在液体分布器15的作用下被均匀分布，污水由生态反应器13左下侧的污水进口24进入，右上侧的污水出口20排出；反应一段时间以后，打开泥渣出口17的开关，经质检合格后的污泥由泥渣出口17排出。
城市污泥在破解反应器1中反应0.5～2.5h为宜；第二蠕动泵10和气泵11由定时器控制开启3.5h，然后关闭40min，循环进行，保持水分停留时间HRT＝20h。
螺旋输送机8与生态反应器13上的泥渣入口12间的连接管要短而直，并且在保证密封性的情况下尽可能的粗。
隔离网22采用硬质塑料网片，塑料网片固定于生态反应器13内壁上。隔离网22中心开有容纳植物14根系的孔，方便植物14根系的延伸，可以更好地吸收下层污泥中的营养。
木屑16可选择任意木质碎屑，可单一木质碎屑，也可混合木质碎屑。
生态反应器13内最上方的泥渣层21作为阴极区C，其余泥渣层21作为阳极区A，阴极区C通过碳棒23和导线18连接与阳极区A形成外电路，涉及的反应如下：
阴极区C硝化作用：
O2+4H++4e-→H2O
阳极区A反硝化作用：
CH3COO-+2H2O→2CO2+7H++8e-
阴极区和阳极区除了供植物14吸收营养外，自身还可以进行硝化作用和反硝化作用，最终将一些酸根离子转化为二氧化碳和氮气。
植物14生长过程根系微生物大量繁殖，在阳极区A厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子在阳极区A进行传递，并通过外电路传递到阴极区C形成电流，指示灯19工作，而质子在生态反应器13内部传递到阴极区C，氧化剂在阴极区C得到电子被还原与质子结合成水。在植物14根系微生物的作用下，生态反应器13内的微生物将污水污泥有机物中的化学能直接转化成了电能，实现了能源转化利用，同时污水污泥中的有机物、氮等也得到了处理。
本发明将生物方法与化学方法有机联合对城市污泥进行无害化、资源化、减量化、稳定化处理。首先借助改性粉煤灰与改性气化渣特有的物理化学性质进行城市污泥的破解，即可实现废物利用、又达到了以废制废的目的；对破解后的污泥进行资源化利用与能源转化处理，污泥中的有机质、氮等一方面被植物14吸收，促进植物14生长，另一方面利用微生物将污水污泥有机物中的化学能直接转化成了电能，实现了能源转化利用。
本发明不仅可以实现城市污泥的破解，降低污泥的毒害作用，还可以实现城市污泥的资源化利用与能源转化。本城市污泥处理方法结构新颖、绿色环保、使用方便、效率高、经济效益显著。

Claims (10)

1.一种城市污泥破解与能源转化装置，其特征在于，包括破解反应器(1)、离心机(6)、水箱(7)、螺旋输送机(8)和生态反应器(13)；
破解反应器(1)的输入端与城市污泥输送管道连通，破解反应器(1)的输出端与离心机(6)的输入端连通；离心机(6)的液体输出端与水箱(7)的输入端连接，水箱(7)的输出端与生态反应器(13)连通；离心机(6)的固体输出端和螺旋输送机(8)的输入端连接；
生态反应器(13)内种有植物(14)，生态反应器(13)内设有若干层木屑层(16)和若干层泥渣层(21)，木屑层(16)和泥渣层(21)交替设置，不同层之间设有隔离网(22)；螺旋输送机(8)的输出端与生态反应器(13)的泥渣层(21)连通；
位于顶层的泥渣层(21)作为阴极区(C)，其余的泥渣层(21)作为阳极区(A)，顶层的泥渣层(21)内设有碳棒(23)，其余泥渣层(21)的一端均通过导线(18)与碳棒(23)连接，导线(18)上安装有指示灯(19)，阴极区(C)通过碳棒(23)和导线(18)连接阳极区(A)形成外电路；位于顶层的泥渣层(21)通过气泵(11)连接供氧设备，用于给最上方的泥渣层(21)提供氧气。
2.根据权利要求1所述的一种城市污泥破解与能源转化装置，其特征在于，生态反应器(13)下端侧壁上设有污水进口(24)，在生态反应器(13)上端侧壁上设有污水出口(20)，且污水进口(24)与污水出口(20)非同侧设置。
3.根据权利要求2所述的一种利用城市污泥的能源转化装置，其特征在于，在生态反应器(13)内还设有液体分布器(15)，液体分布器(15)与污水进口(24)连通。
4.根据权利要求2所述的一种利用城市污泥的能源转化装置，其特征在于，破解反应器(1)的输出端依次通过第一球阀(4)和第一蠕动泵(5)与离心机(6)连通；
水箱(7)的输出端依次通过第二球阀(9)和第二蠕动泵(10)与污水进口(24)连接。
5.根据权利要求1所述的一种利用城市污泥的能源转化装置，其特征在于，在泥渣层(21)所处位置对应的生态反应器(13)侧壁一端设有泥渣入口(12)，另一端位置对应处设有泥渣出口(17)。
6.根据权利要求5所述的一种利用城市污泥的能源转化装置，其特征在于，所述泥渣入口(12)和泥渣出口(17)上均设有开关。
7.根据权利要求5所述的一种城市污泥破解与能源转化装置，其特征在于，螺旋输送机(8)的输出端与泥渣入口(12)连接。
8.根据权利要求1所述的一种城市污泥破解与能源转化装置，其特征在于，生态反应器(13)采用不锈钢桶。
9.根据权利要求1所述的一种城市污泥破解与能源转化装置，其特征在于，破解反应器(1)上设有碱改性粉煤灰入口(2)、酸改性气化渣入口(3)以及搅拌桨。
10.采用权利要求1～9任一项所述装置对城市污泥进行处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)城市污泥由破解反应器(1)的输入端进入，向破解反应器(1)内添加碱改性粉煤灰与酸改性气化渣，边添加边搅拌，调节城市污泥的pH值为7.5±1.0；
2)在搅拌作用下，城市污泥在破解反应器(1)内进行破解反应，污泥破解完成后，破解污泥进入离心机(6)进行固液分离，泥渣在螺旋输送机(8)的作用下进入生态反应器(13)的泥渣层(21)，分离后的液体进入水箱(7)，然后输送至生态反应器(13)底部，同时通过气泵(11)向阴极区(C)内补给氧气；
3)在阳极区(A)厌氧环境下，泥渣中的有机物在植物(14)根系存在的微生物分解作用下，释放出电子和质子，电子在阳极区(A)进行传递，并通过外电路传递到阴极区(C)形成电流，指示灯(19)工作，而质子在生态反应器(13)内部传递到阴极区(C)，氧化剂在阴极区(C)得到电子被还原与质子结合成水。
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