CN108892344B - 一种原位电化学氧化-还原调理污泥的方法和一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种原位电化学氧化‑还原调理污泥的方法和一体化装置，所述方法利用电化学电子转移与平衡的特点，在阳极发挥电化学氧化的同时，利用阴极的电化学还原作用将惰性氧化物种(如氯酸盐、亚氯酸盐、锰酸盐等)原位转化为活性物种(如次氯酸钠、二氧化锰、三价锰等)进一步发挥氧化作用，同时避免污泥发生还原反应，提高电化学氧化效率。本发明还提供了实现上述过程的一体化装置。本发明的方法和装置适用于城市污泥以及有机质含量较高的工业污泥调理。

Description

一种原位电化学氧化-还原调理污泥的方法和一体化装置
技术领域
本发明涉及一种污泥处理工艺，特别是涉及一种利用原位电化学氧化-还原方法对污泥进行调理的方法，特别应用于市政污泥、高有机质工业污泥等企业产生的污泥处理技术领域。
背景技术
城市污水处理厂运行过程中产生大量剩余污泥，对污泥进行科学、合理、有效的处置是确保污水处理厂效果、避免二次污染的基础。传统的污泥处置方法是进行填埋，但随着城市范围的拓展和城市用地成本的增加，堆肥、产沼气等污泥资源化回用或水泥窑协同处置已经逐渐表现出取代填埋的趋势。此外，即便对填埋处置而言，尽可能降低污泥含水率以实现污泥减量，这也可在一定程度上降低污泥填埋处置成本。
污泥调理是进行污泥后续处理处置的第一道工序，为压滤、堆肥提供减量化的基础。污泥调理一般通过投加化学药剂实现，常用的药剂有石灰、聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、三氯化铁等。化学药剂调理的优点是工艺简单、成本低，但是存在污泥增量较高、调理效果难以进一步提升等缺点。对污泥菌胶团进行氧化破壁，可将污泥中结合水、胞内水释放出来，从而提高污泥调理效果、降低含水率。电化学是近年来国内外高度关注的污泥预处理和调理方法，其基本原理是利用电化学过程的电子转移实现氧化-还原以及污染物的净化。电化学氧化可分为电极表面直接电子转移的直接氧化和产生氧化活性物后进行氧化的间接氧化。另外，通过电极表面催化作用还可以实现催化电化学氧化。就污泥电化学调理而言，应尽可能充分发挥氧化作用以实现细胞破壁以及毛细水、结合水、胞内水释放。但是，电化学失电子的氧化必然伴随着得电子的还原过程，还原过程若在同一个反应器中则会明显降低污泥调理效果。若能有效避免这一问题，则可以大幅提高电化学调离污泥效果，降低运行成本。
本发明针对上述问题，提出一种原位电化学氧化-还原调离污泥的方法以及实现上述过程的一体化装置，在污泥调理中具有较好的应用价值。
发明内容
本发明针对城市污水厂剩余污泥调理处置的需求，目的之一是提供一种原位电化学氧化-还原调理污泥的方法；目的之二是提供实现上述过程的一体化装置。
本发明所述的原位电化学氧化-还原调离污泥方法的技术原理在于：在电化学过程中引入氯酸盐、亚氯酸盐等惰性氧化无机盐；电化学阳极失电子使污泥发生氧化作用，氯酸盐、亚氯酸盐、锰酸盐等惰性氧化无机盐则从阴极得电子被原位还原成具有很强氧化活性的活性组分。例如，氯酸盐和亚氯酸盐被还原成次氯酸盐(式1～式2)，锰酸盐被还原成MnO2或Mn(III)(式3～式4)。上述反应一方面可以避免污泥得电子而被还原，另一方面次氯酸盐、MnO2或Mn(III)等组分可进一步发挥氧化破壁作用提高调理效果。
ClO3 -+4H++4e→ClO-+2H2O 式1
ClO2 -+2H++2e→ClO-+H2O 式2
MnO3 -+2H++e→MnO2+H2O 式3
MnO3 -+6H++2e→Mn(III)+3H2O 式4
为实现上述目的，本发明一方面提供一种原位电化学氧化-还原调离污泥的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
i.配制惰性氧化无机盐储备溶液，溶液中惰性氧化无机盐浓度为5-10mol/L；
ii.在充分搅拌条件下，往待调理污泥中投加惰性氧化无机盐储备溶液，使得惰性氧化无机盐摩尔浓度在0.05～5.0mmol/g VSS之间。
iii.将污泥放置于电化学原位电化学氧化-还原反应器的污泥槽区中，开启电源，在搅拌条件下反应15-60min；
iv.关闭电源，投加浓度范围50-500mg/L聚丙烯酰胺，在转速为80-120rpm的快速搅拌条件下反应2.5-5.0min；之后在转速为30-60rpm的慢速搅拌条件下反应15-30min。
v.将调理后污泥输送至污泥脱水机中进行脱水。
其中，所述惰性氧化无机盐可以是氯酸盐、亚氯酸盐、锰酸盐中的一种或大于一种以上的混合物。
其中，若所述惰性氧化无机盐为混合物，则任意一种无机盐与另一种无机盐的摩尔比范围为1：5～5：1之间。
其中，在步骤iii的反应过程中，实时监测反应体系pH值，且根据监测值自动投加酸液使得污泥pH值在5-7之间。
其中，所述的酸液可以是盐酸、硫酸、硝酸中的一种或大于一种以上的混合溶液。
其中，步骤iii中的所述电源是直流电源，提供电流范围为50mA～3000mA，电流密度范围为0.2mA/cm2～20mA/cm2；且直流电源的阴、阳极每隔5～240min进行倒极操作。
其中，所述污泥脱水机是板框压滤机、带式压滤机或叠螺离心机。
本发明另一方面还提供了实现上述过程的原位电化学氧化-还原调理污泥的一体化反应器，其特征在于：所述反应器包括直流电源、电极、污泥槽区、搅拌桨、搅拌机、pH在线监测探头、酸液储罐、酸液自动投加装置等，其中，所述电极包括阴极和阳极，且污泥槽与阴极、阳极之间分别以金属导线连接。
其中，所述阴、阳电极材料可以是钛辽网、活性炭纤维、金刚石、导电玻璃或石墨中的一种或一种以上的组合；
其中，所述反应器电极极板间距为5～20mm；最外侧阴、阳极分别置于电解槽两端，中间的极板可以作为感应电极不连接电源，也可以是工作电极依次间隔分别与电源阴、阳极连接。
本发明所述的原位电化学氧化-还原调离污泥的方法具有如下优点：
1、充分利用电化学电子转移的特点，在阳极发挥电化学氧化的同时，利用阴极的电化学还原作用将惰性氧化物种原位转化为活性物种进一步发挥氧化作用，同时避免污泥发生还原反应，提高电化学氧化效率；
2、与传统化学药剂调理相比，本发明包括多种活性物种、多种氧化过程、多个作用界面和机制，可提高污泥调理与脱水效果；
3、一体化反应器的集成化设计，控制方法多样，运行简单、控制方便，易于生产操作；
4、对浓缩池污泥、厌氧消化后污泥等均具有良好调理效果，对污泥成分复杂的各种污泥均具有较好的应用可行性。
附图说明
图1：原位电化学氧化-还原的一体化反应器的结构示意图。
附图标记
1、直流电源2、导线3、污泥槽4、pH在线监测探头5、阳极
6、阴极7、搅拌桨8、酸液管路9、酸液储罐
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。
实施例1：
金华市某污水处理厂二沉池剩余污泥，污泥含水率98.1％，pH值为7.6，将污泥置于电化学原位电化学氧化-还原反应器的污泥槽区中，加盐酸调pH值到6.8。配制10mol/L的氯酸钙溶液，在充分搅拌条件下，向污泥槽中加入氯酸钙溶液，使其摩尔浓度为3mmol/gVSS。开启电源，在搅拌条件下反应30min；关闭电源，投加聚丙烯酰胺50mg/L，在100rpm搅拌条件下反应3min；之后在50rpm搅拌条件下反应15min。将调理后污泥输送至带式压滤机中进行脱水，泥饼含水率为59.7％。
实施例2：
苏州市某印染厂污泥，污泥含水率97.3％，pH值为5.7，将污泥置于电化学原位电化学氧化-还原反应器的污泥槽区中。配制6mol/L的氯酸钠和锰酸钾的混合溶液，其中氯酸钠和锰酸钾的摩尔比为3:1，在充分搅拌条件下，向污泥槽中加入氯酸钠和锰酸钾的混合溶液，使其摩尔浓度为2mmol/g VSS。开启电源，在搅拌条件下反应20min；关闭电源，投加聚丙烯酰胺75mg/L，在120rpm搅拌条件下反应3min；之后在40rpm搅拌条件下反应20min。将调理后污泥输送至板框压滤机中进行脱水，泥饼含水率为56.2％。
实施例3：
沧州市某污水处理厂二沉池剩余污泥，污泥含水率98.9％，pH值为7.2，将污泥置于电化学原位电化学氧化-还原反应器的污泥槽区中，加硫酸调pH值到6.5。配制7mol/L的氯酸镁和亚氯酸钙的混合溶液，其中氯酸镁和亚氯酸钙的摩尔比为1:1，在充分搅拌条件下，向污泥槽中加入氯酸镁和亚氯酸钙的混合溶液，使其摩尔浓度为4mmol/g VSS。开启电源，在搅拌条件下反应50min；关闭电源，投加聚丙烯酰胺250mg/L，在80rpm搅拌条件下反应4min；之后在50rpm搅拌条件下反应30min。将调理后污泥输送至叠螺离心机中进行脱水，泥饼含水率为63.8％。
实施例4：
秦皇岛市某污泥处置厂消化污泥，污泥含水率94.6％，pH值为8.1，将污泥置于电化学原位电化学氧化-还原反应器的污泥槽区中，加硝酸调pH值到6.3。配制10mol/L的氯酸钠、亚氯酸镁和锰酸钾的混合溶液，其中氯酸钠、亚氯酸镁和锰酸钾的摩尔比为2:2:1，在充分搅拌条件下，向污泥槽中加入氯酸钠、亚氯酸镁和锰酸钾的混合溶液，使其摩尔浓度为5mmol/g VSS。开启电源，在搅拌条件下反应60min；关闭电源，投加聚丙烯酰胺500mg/L，在120rpm搅拌条件下反应5min；之后在60rpm搅拌条件下反应25min。将调理后污泥输送至板框压滤机中进行脱水，泥饼含水率为58.3％。
应当指出，以上所述具体实施的方式可以使本领域内的技术人员更全面地理解本发明的内容，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已经进行了详细的说明，但是本领域内的技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围内。

Claims (14)

1.一种原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于包含如下步骤：
i．配制惰性氧化无机盐储备溶液，溶液中惰性氧化无机盐浓度为5-10 mol/L；
ii. 在充分搅拌条件下，往待调理污泥中投加惰性氧化无机盐储备溶液，使得惰性氧化无机盐摩尔浓度在0.05～5.0 mmol/g VSS之间；
iii. 将污泥放置于电化学原位电化学氧化-还原反应器的污泥槽区中，开启电源，在搅拌条件下反应15-60 min；
iv. 关闭电源，投加浓度范围50-500mg/L聚丙烯酰胺，在转速为80-120rpm的快速搅拌条件下反应2.5-5.0 min；之后在转速为30-60rpm的慢速搅拌条件下反应15-30 min；
v. 将调理后污泥输送至污泥脱水机中进行脱水；
其中，在步骤iii的反应过程中实时监测体系pH值，且根据监测值自动投加酸液使得污泥pH值在5-7之间；
所述惰性氧化无机盐是氯酸钙、氯酸钠、锰酸钾、氯酸镁、亚氯酸镁、亚氯酸钙中的一种或大于一种以上的混合物。
2.根据权利要求1所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：若所述惰性氧化无机盐为混合物，则任意一种无机盐与另一种无机盐的摩尔比范围为1：5～5：1之间。
3.根据权利要求1或2任一项所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述投加的酸液是盐酸、硫酸、硝酸中的一种或大于一种以上的混合溶液。
4.根据权利要求1或2所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述的电源是直流电源，提供电流范围为50 mA～3000 mA，电流密度范围为0.2 mA/cm2～20mA/cm2；且直流电源的阴、阳极每隔5～240 min进行倒极操作。
5.根据权利要求3所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述的电源是直流电源，提供电流范围为50 mA～3000 mA，电流密度范围为0.2 mA/cm2～20 mA/cm2；且直流电源的阴、阳极每隔5～240 min进行倒极操作。
6.根据权利要求4所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述污泥脱水机是板框压滤机、带式压滤机或叠螺离心机。
7.根据权利要求5所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述污泥脱水机是板框压滤机、带式压滤机或叠螺离心机。
8.根据权利要求6所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述调理步骤是在原位电化学氧化-还原的一体化反应器中完成的；
所述一体化反应器包括直流电源、电极、污泥槽区、搅拌桨、搅拌机、pH在线监测探头、酸液储罐、酸液自动投加装置；其中，电极包括阴极和阳极，且与电解槽之间分别以金属导线连接。
9.根据权利要求7所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述调理步骤是在原位电化学氧化-还原的一体化反应器中完成的；
所述一体化反应器包括直流电源、电极、污泥槽区、搅拌桨、搅拌机、pH在线监测探头、酸液储罐、酸液自动投加装置；其中，电极包括阴极和阳极，且与电解槽之间分别以金属导线连接。
10.根据权利要求8所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述阴、阳电极材料是钛辽网、活性炭纤维、金刚石、导电玻璃或石墨中的一种或一种以上的组合。
11.根据权利要求9所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述阴、阳电极材料是钛辽网、活性炭纤维、金刚石、导电玻璃或石墨中的一种或一种以上的组合。
12.根据权利要求1或2所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述极板间距为5～20 mm；最外侧阴、阳极分别置于电解槽两端，中间的极板作为感应电极不连接电源或作为工作电极依次间隔分别与电源阴、阳极连接。
13.根据权利要求10所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述极板间距为5～20 mm；最外侧阴、阳极分别置于电解槽两端，中间的极板作为感应电极不连接电源或作为工作电极依次间隔分别与电源阴、阳极连接。
14.根据权利要求11所述的原位电化学氧化-还原调理污泥的方法，其特征在于：所述极板间距为5～20 mm；最外侧阴、阳极分别置于电解槽两端，中间的极板作为感应电极不连接电源或作为工作电极依次间隔分别与电源阴、阳极连接。
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