CN109179934A - 一种电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法，将污水处理厂的剩余污泥进行浓缩，调节至固含率为1.0～3.0wt％的泥水混合物；再加入可溶性的亚铁盐和电解质，并调节pH至2～5后置于一个具有阴、阳电极的电化学处理装置中，采用稳压直流电源对污泥进行低电压电解处理30min以上即可；所述阴极接有曝气装置。本发明剩余污泥处理方法采用酸处理、电化学氧化以及Fenton氧化同时对污泥破解产生作用，以促进污泥溶胞，改善污泥的脱水性能，以达到剩余污泥中大分子物质水解效果明显，污泥絮体结构分解明显，泥水分离效果好，污泥臭味消除，污泥中有机物溶出效果较好的目的，实现了污泥处理的减量化，可对污水处理厂剩余污泥的预处理提供技术选择。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法，属于剩余污泥调理技术领域。
背景技术
随着我国经济快速发展，城镇化水平不断提高，工业废水和生活污水排放量不断增加，污水处理厂在处理污水的能力上不断提高，随之带来的问题就是产生的污泥量在迅猛增长。未经处理的剩余污泥成分较复杂，含水率高，约为99.5％-99.9％，有机物含量高，约为70％-80％，包含了污水中的各种有机物残片、多种微生物形成的菌胶体以及吸附的重金属、微生物病原体和寄生虫卵等极其复杂的物质。这些物质之间通过分子间作用力粘结在一起，污泥表面带负电荷通过离子作用和静电引力等作用与水的结合能力较高，稳定存在于溶液中，不易脱水，含水率较高，因此体积较大而不利于进行后续的处理与处置。当污泥未经过处置进入土壤中，虽然污泥中的大量氮、磷等营养元素可以为植物生成带来经济价值，但也伴随着一些难降解的有机物和重金属释放到环境中，进入食物链，最终对人类健康以及整个生态环境带来一定的威胁。未经处理的污泥中含有大量病原菌和寄生虫，危及动物健康，长期置放于环境中经雨水冲洗，其中大量氮、磷等营养元素会经地表径流和地下渗流的作用进入河流湖泊以及地下水中，带来水质恶化、水体富营养化等生态问题，此外污泥易腐烂变质，长期堆放会释放出有毒有害气体以及风干的颗粒物会带来严重的大气污染，进一步危害人类健康。因此如何对剩余污泥进行有效地处置，是实现污泥减量化、资源化、稳定化的关键点。
发明内容
本发明的目的是对现有剩余污泥处理技术的不足，提供一种电化学高级氧化的处理方法，使剩余污泥达到资源化和减量化，为污水处理厂高效经济地处理剩余污泥提供技术选择。
为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：
一种电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法，包括如下步骤：
步骤一：将污水处理厂的剩余污泥进行浓缩，调节至固含率为1.0～3.0wt％(优选2.0wt％)的泥水混合物；
步骤二：向步骤一泥水混合物中加入可溶性的亚铁盐和电解质，并用硫酸调节pH至2～5，优选pH＝3；
步骤三：将步骤二处理后的污泥置于一个具有阴、阳电极的电化学处理装置中，采用稳压直流电源对污泥进行低电压电解处理30min以上即可；所述阴极接有曝气装置。
步骤二中，所述可溶性的亚铁盐按照Fe2+含量为0.2～0.5mM加入泥水混合物中，通过外加亚铁离子，在酸性条件下与阴极产生的H2O2发生Fenton氧化。
所述电解质为Na2SO4，按照含量40～60mM加入泥水混合物中，在电解过程中加入电解质以提高污泥的溶胞效率。
步骤三中，所述电化学处理装置的阳极选用RuO2/Ti电极，阴极选用活性炭纤维电极；极板间距为2～4cm。
优选地，所述电解处理的电流密度为30～40mA/cm2。
优选地，所述曝气装置的曝气量控制在3～5L/min，在电解处理过程中，通过使用曝气装置，阴极附近达到富氧条件在酸性条件下促进H2O2的产生，并且通过曝气也起到一定的机械搅拌作用。
本发明的技术原理是，在电化学处理中，阳极通过有机物在电极表面发生直接或间接的氧化反应。本发明选择RuO2/Ti电极板作为阳极，溶液中的H2O在阳极放电与金属氧化物发生作用形成吸附态·OH：MOx+H2O→MOx(OH·)+H++e-产生羟基自由基，是一种强氧化剂，在电极表面降解有机物，也会进一步产生HO·、HO2·、O2-这些自由基能够氧化胞外聚合物，使污泥絮体释放更多水分。此外RuO2/Ti电极板具有高催化活性、耐腐蚀等优点。阴极选择活性炭纤维ACF材料，通过曝气富氧，在酸性条件下产生H2O2：O2+2H++2e-→H2O2，通过外加Fe2 +，体系中发生Fenton氧化反应：H2O2+Fe2+→Fe3++OH-+·OH，生成的·OH具有强氧化性，能够无选择地氧化降解有机污染物。并且反应中生成的Fe3+在阴极表面发生还原作用生成Fe2+：Fe3++e-→Fe2+，体系中的铁离子形成循环为Fenton反应的进行提供有效的作用，促进Fenton反应的进行，提高了电Fenton体系对污染物去除的降解效率。因此在体系中存在三种作用方式，酸处理、电化学氧化以及Fenton氧化同时对污泥破解产生作用，以促进污泥溶胞，改善污泥的脱水性能。
有益效果：
本发明剩余污泥处理方法采用酸处理、电化学氧化以及Fenton氧化同时对污泥破解产生作用，以促进污泥溶胞，改善污泥的脱水性能，以达到剩余污泥中大分子物质水解效果明显，污泥絮体结构分解明显，泥水分离效果好，污泥臭味消除，污泥中有机物溶出效果较好的目的，实现了污泥处理的减量化，可对污水处理厂剩余污泥的预处理提供技术选择。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明电化学处理装置的结构示意图；
图2A为实施例1不同污泥处理过程中SRF的变化；
图2B为实施例1不同污泥处理过程中SV的变化；
图3为本发明实施例2中处理过程中污泥过滤性能和沉降性能的变化；
图4A为原始污泥的扫描电镜图(放大2000倍)；
图4B为处理后污泥的扫描电镜图(放大2000倍)；
图5A为本发明实施例4中不同pH的污泥处理过程中MLVSS去除率的变化；
图5B为本发明实施例4中不同pH的污泥处理过程中过滤性能的变化；
图6为本发明实施例5中不同电流处理下污泥溶胞效率的变化；
图7为本发明实施例5中污泥溶胞效率的动力学分析。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明电化学处理装置基本结构为圆柱形，主要由电解装置和曝气装置组成；电化学处理装置的阳极选用RuO2/Ti电极，阴极选用活性炭纤维电极；极板间距为2～4cm；通过右侧的曝气装置向阴极板曝气。
实施例1
针对某城市污水处理厂的剩余污泥，实施例1分别考察电Fenton体系中存在的三种作用(酸处理、阳极氧化及电Fenton高级氧化)，对污泥混合物脱水性能的影响，具体处理方式如下：
(1)单独的酸处理：将剩余污泥浓缩调节至固含率为2.0～2.5％的泥水混合物，用1:1的H2SO4调节体系pH为3左右；
(2)阳极氧化处理：将剩余污泥浓缩调节至固含率为2.0～2.5％的泥水混合物，RuO2/Ti和Ti网分别作为阳极和阴极，两电极之间的间距为2.5cm，加入50mM的Na2SO4，pH为3，开启稳压电源，控制恒压电流电解，电流密度约为40mA/cm2，进行电解处理；
(3)电Fenton高级氧化：RuO2/Ti和ACF分别作为阳极和阴极，两电极之间的间距为2.5cm，加入0.5mM的Fe2+和50mM的Na2SO4，pH为3，曝气量控制在3L/min，开启稳压电源，控制恒压电流电解，电流密度约为40mA/cm2，进行电解处理。
考察不同处理方式对污泥脱水性能影响的过程中发现，酸处理对污泥脱水效率和沉降性能影响较小，电化学阳极氧化则对其有一定的促进作用，提高了污泥的脱水效能，但阳极氧化主要发生在阳极板表米娜，释放到溶液中的自由基较少，使反应效率受到一定的限制；而电Fenton高级氧化过程中，溶液中的Fe2+在酸性条件下与阴极产生的H2O2发生Fenton反应，产生具有强氧化性的羟基自由基，增加体系的氧化能力，进而增加了污泥的破解程度，因此处理效果最好，具体见图2。
实施例2
针对某城市污水处理厂的剩余污泥，实施例2提供一种电化学高级氧化预处理方法，包括以下步骤：
(1)将剩余污泥浓缩调节至固含率为2.0～2.5％的泥水混合物，加入0.5mM的Fe2+和50mM的Na2SO4，用1:1的H2SO4调节体系pH为3左右；
(2)将污泥置于电解装置中，分别采用RuO2/Ti和ACF作为阳极和阴极，两电极之间的间距为2.5cm，曝气量控制在3L/min；
(3)开启稳压直流电源，控制电流密度约为40mA/cm2，在此状态下进行电解处理。
处理过程中污泥比阻及沉降性能均不断下降，表明污泥过滤性能和沉降性能的提高，具体见图3。电解到40min时MLVSS去除率约为35％、污泥SRF降低率约为60％、SV30min约为60％。处理后污泥结构发生变化，原始污泥团聚在一起，呈现为清晰的菌胶团，经过电化学高级氧化作用，污泥破碎成片状细小颗粒，无完整结构，具体见图4A和图4B。
实施例3
针对某城市污水处理厂的剩余污泥，实施例3提供一种电化学高级氧化预处理方法，对不同固含率的污泥混合物进行电解，具体步骤如下：
(1)将剩余污泥浓缩调节至固含率为1.0～3.0％的泥水混合物，加入0.5Mm的Fe2+和50mM的Na2SO4，用1:1的H2SO4调节体系pH为3左右；
(2)将污泥置于电解装置中，分别采用RuO2/Ti和ACF作为阳极和阴极，两电极之间的间距为2.5cm，曝气量控制在3L/min；
(3)开启稳压直流电源，控制电流密度约为40mA/cm2，在此状态下进行电解处理污泥。
电解过程中污泥比阻均不断下降，固含率为1.0％、1.5％、2.0％、2.5％以及3.0％的剩余污泥经过电解处理40min后，MLVSS去除率分别为22.51％、28.53％、36.21％、33.69％和17.35％，污泥溶胞效果较好，减量化程度较高。
实施例4
针对某城市污水处理厂的剩余污泥，实施例4提供一种电化学高级氧化预处理方法，对不同pH的污泥混合物进行电解，具体步骤如下：
(1)将剩余污泥浓缩调节至固含率为2.0～2.5％的泥水混合物，加入0.5mM的Fe2+和50mM的Na2SO4，用1:1的H2SO4调节体系pH为2～5；
(2)将污泥置于电解装置中，分别采用RuO2/Ti和ACF作为阳极和阴极，两电极之间的间距为2.5cm，曝气量控制在3L/min；
(3)开启稳压直流电源，控制电流密度约为40mA/cm2，在此状态下进行电解不同pH的污泥。
处理过程中污泥比阻均不断下降，体系pH为2、3、4、5的剩余污泥经过电解反应40min后，MLVSS去除率分别为29.32％、36.32％、33.38％和19.81％(见图5A和图5B)。
实施例5
针对某城市污水处理厂的剩余污泥，实施例5提供一种电化学高级氧化预处理方法，采用不同电流密度对污泥混合物进行电解，具体步骤如下：
(1)将剩余污泥浓缩调节至固含率为2.0～2.5％的泥水混合物，加入0.5mM的Fe2+和50mM的Na2SO4，用1:1的H2SO4调节体系pH为3左右；
(2)将污泥置于电解装置中，分别采用RuO2/Ti和ACF作为阳极和阴极，两电极之间的间距为2.5cm，曝气量控制在3L/min；
(3)开启稳压电源，按不同电流密度进行电解处理。
处理过程中污泥MLSS和MLVSS的值都呈现下降趋势(见图6)。MLVSS的值随电解时间的下降表明在电化学氧化污泥反应的过程中，部分有机固体被分解成易溶于水的小分子物质。MLSS/MLVSS的值随着电解时间有很小的变化，可以说明混合液中MLSS的降低几乎是由于MLVSS的降低引起的。MLVSS的含量随时间的延长呈指数型下降，其浓度与时间曲线符合准一级反应动力学方程(见图7)。Pearson相关性系数(r)均在0.92以上，表明污泥的溶胞效率与电流密度之间存在较高的相关性。
本发明提供了一种电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将污水处理厂的剩余污泥进行浓缩，调节至固含率为1.0～3.0wt％的泥水混合物；
步骤二：向步骤一泥水混合物中加入可溶性的亚铁盐和电解质，并用硫酸调节pH至2～5；
步骤三：将步骤二处理后的污泥置于一个具有阴、阳电极的电化学处理装置中，采用稳压直流电源对污泥进行低电压电解处理30min以上即可；所述阴极接有曝气装置。
2.根据权利要求1所述的电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法，其特征在于，步骤二中，所述可溶性的亚铁盐按照Fe2+含量为0.2～0.5mM加入泥水混合物中。
3.根据权利要求1所述的电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法，其特征在于，步骤二中，所述电解质为Na2SO4，按照含量40～60mM加入泥水混合物中。
4.根据权利要求1所述的电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法，其特征在于，步骤三中，所述电化学处理装置的阳极选用RuO2/Ti电极，阴极选用活性炭纤维电极；极板间距为2～4cm。
5.根据权利要求1所述的电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法，其特征在于，步骤三中，所述电解处理的电流密度为30～40mA/cm2。
6.根据权利要求1所述的电化学高级氧化反应处理剩余污泥的方法，其特征在于，步骤三中，所述曝气装置的曝气量控制在3～5L/min。
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