CN110510850A - 一种污泥处理系统及其处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污泥处理系统处理工艺，处理系统包括人工湿地系统，所述人工湿地系统包括由下到上依次设于人工湿地主体内的厌氧污泥处理室、支撑分离层、填料层、污泥渗滤液层和水生植物，所述污泥处理系统还包括厌氧污泥输送机构、与厌氧污泥处理室及污泥渗滤液层外连电路形成的微生物燃料电池，所述厌氧污泥输送机构朝向厌氧污泥处理室输送厌氧污泥且通过支撑分离层分离泥水并向上逐渐渗透形成所述污泥渗滤液层。利用污泥微生物对污泥有机物催化降解，完成稳定化，利用CW‑MFC特殊结构达到污泥固液分离的效果。

Description

一种污泥处理系统及其处理工艺

技术领域

本发明属于污泥处理及其资源化利用技术领域，具体涉及一种污泥处理系统及其处理工艺。

背景技术

随着当今人口的快速增长和经济的迅速发展，引起生活污水和工业废水排放量的不断增加，从而进一步造成城市剩余污泥产量的迅速增加。污泥中含有大量有机营养物质、难降解和不可降解成分，如不经过适宜的处理处置，将会引起严重的环境问题，对动植物和人类健康造成极大危害。

目前，城市污泥的主要处理方法有土地利用、填埋、焚烧和海洋倾倒等，但这些方法都没有很好地解决污泥对环境的二次污染以及作为资源加以合理利用的问题。近些年，国内外学者系统的对剩余污泥微生物燃料电池(MFC)进行过研究，指出剩余污泥MFC在多种操作条件下均具有稳定的产电效能，对于高盐度污泥而言，MFC仍有较强的耐受能力。因此，MFC在城市剩余污泥处理方面具有巨大的潜力。鉴于人工湿地(CW)内部系统具有天然的氧化还原电势梯度，因此人工湿地具有通过改造其结构而构建成微生物燃料电池-人工湿地系统(CW-MFC)的可能，此系统为污泥处理处置和资源化利用开辟了新的思路和技术方法。

CW-MFC技术由于创新性和高效性在近年来被广泛地开发。如何实现CW-MFC系统在处理城市剩余污泥时，无需额外的电能输入，能同步实现泥水分离和有机污染物降解，在产电的同时实现污泥的稳定化和无害化，是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提供一种污泥处理系统及其处理工艺，目的是同步实现泥水分离和有机污染物降解。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种污泥处理系统，包括人工湿地系统，所述人工湿地系统包括由下到上依次设于人工湿地主体内的厌氧污泥处理室、支撑分离层、填料层、污泥渗滤液层和水生植物，所述污泥处理系统还包括厌氧污泥输送机构、与厌氧污泥处理室及污泥渗滤液层外连电路形成的微生物燃料电池，所述厌氧污泥输送机构朝向厌氧污泥处理室输送厌氧污泥且通过支撑分离层分离泥水并向上逐渐渗透形成所述污泥渗滤液层。

所述支撑分离层包括具有孔隙的托板，托板与人工湿地主体的下部区域围合形成所述厌氧污泥处理室。

所述厌氧污泥处理室内设有支撑托板的支撑柱。优选的，支撑柱为三个，三个支撑柱均布固定在人工湿地主体底部的厌氧污泥反应室内，支撑柱的顶部支撑带孔(孔径为3mm)的钢托板，用于支撑人工湿地各填料层和防止湿地填料混入污泥反应室中。

所述填料层包括陶粒层和设于陶粒层上的细沙层，所述陶粒层的粒径大于支撑分离层的孔隙。优选的，所述陶粒层中陶粒的粒径为4-10mm，细沙层中细沙的粒径为0.5-1mm，陶粒和细沙的填充高度分别为8cm。

所述微生物燃料电池包括阳极碳布、阴极碳布以及连接阳极碳布与阴极碳布形成闭合回路的外连接线路，所述阳极碳布设于厌氧污泥处理室内，所述阴极碳布设于填料层顶端的固定网上。优选的，固定网为不锈钢网，阴极碳布放置于不锈钢网上，阴极碳布由铜导线接出并通过外电阻箱连接阳极碳布。污泥渗滤液层的高度为8-10cm，可使阴极碳布完全浸入在污泥渗滤液中。

所述厌氧污泥输送机构包括厌氧污泥池、蠕动泵和输送管路，所述蠕动泵通过输送管路将厌氧污泥池内的厌氧污泥输送入厌氧污泥处理室的污泥进样口。

所述厌氧污泥池设有可密封的进泥口和排气孔，所述排气孔上设有单向排气阀。

优选的，阳极碳布及阴极碳布的接头处均采用环氧导电胶密封防止腐蚀。

所述污泥处理室设有排泥口和接种口。优选的，所述人工湿地主体的底部设置坡度并在相对较低的一侧与底面齐平处设置所述排泥口。

所述厌氧污泥的含水率在95％以上、pH在5-9之间。

所述人工湿地主体对应设置填料层的侧壁下端设有排水口。

所述水生植物为菖蒲、千屈菜、睡莲、芦苇、美人蕉中的一种或多种植物组合。

所述人工湿地主体的顶端设有承载板，承载板上设有放置水生植物的槽孔，水生植物的根系位于污泥渗滤液层中。

所述污泥处理系统的处理工艺，包括如下步骤：

步骤一、进泥：向厌氧污泥处理室内输送入厌氧污泥，待污泥灌满厌氧污泥处理室后，后续进入的污泥在支撑分离层处完成泥水分离，污泥固相留在厌氧污泥处理室，污泥液相自下而上渗入填料层并逐渐向上渗透，当污泥渗滤液充满污泥渗滤液层后停止进泥；

步骤二、启动处理系统：在反应温度为25.0～35.0℃、外接电阻为1000Ω的条件下进行启动运行，以城镇污水处理厂的厌氧消化污泥为阳极接种源，恒温富集驯化产电菌，定期从接种口进样到厌氧污泥处理室，当系统的输出电压逐渐增加时，即完成该系统的启动；

步骤三、系统连续运行：当系统输出电压下降到50mV时，先通过排水口排空湿地系统中的污泥渗滤液，后将处理后的污泥通过排泥口排出，即完成一个处理周期；之后，再重新利用蠕动泵进泥，待输出电压出现较小波动、且持续稳定出现较高输出电压时，开始新的一个处理周期。

系统连续运行一段时间后，记录系统的输出电压，定期采样测定污泥的COD、ORP、TP/TN，对处理过程进行实时调控。

本发明的原理：利用人工湿地系统天然存在的氧化还原电位梯度构建CW-MFC，污泥进入人工湿地后依次在钢托板、湿地填料基质的过滤作用下完成泥水分离；滞留在MFC阳极中的脱水污泥有机物作为电子供体，产电的同时完成污泥有机物分解和稳定化作用；同时在人工湿地的植物、填料基质和微生物等的共同作用下，实现污泥及其滤液污染物去除和产能的目标。本发明实现了从湿地底部进泥和完成对污泥的泥水分离及处理过程，不仅通过MFC的作用强化了传统人工湿地对污泥稳定化及其滤液处理的效果，而且便于稳定后的污泥从人工湿地系统排出和资源化利用，同时通过污泥处理过程的进泥和排泥过程能有效解决人工湿地处理污泥系统堵塞问题。

本发明的有益效果：

1、本发明的CW-MFC系统利用污泥微生物对污泥有机物催化降解，完成稳定化，利用CW-MFC特殊结构达到污泥固液分离的效果，同时借助系统的植物和基质作用净化污泥渗滤液中的N/P、重金属等污染物，最终完成对污泥的稳定化、减量化和无害化处理。本系统避免了污泥对环境造成二次污染，具有很好的环境效益，达到变废为宝的效果。

2、本发明的CW-MFC系统不需要额外的电能输入，采用蠕动泵的方式连接厌氧污泥池和CW-MFC系统，操作简便，且系统运行周期短，有较好的普适度。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本发明的结构示意图。

图中标记为：

1、厌氧污泥处理室，2、污泥渗滤液层，3、水生植物，4、托板，5、支撑柱，6、陶粒层，7、细沙层，8、阳极碳布，9、阴极碳布，10、电阻箱，11、排泥口，12、接种口，13、排水口，14、厌氧污泥池，15、蠕动泵，16、进泥口，17、排气孔。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

如图1所示，一种污泥处理系统，包括人工湿地系统，人工湿地系统包括由下到上依次设于人工湿地主体内的厌氧污泥处理室1、支撑分离层、填料层、污泥渗滤液层2和水生植物3，该污泥处理系统还包括厌氧污泥输送机构、与厌氧污泥处理室1及污泥渗滤液层2外连电路形成的微生物燃料电池，厌氧污泥输送机构朝向厌氧污泥处理室1输送厌氧污泥且通过支撑分离层分离泥水并向上逐渐渗透形成污泥渗滤液层2。采用的厌氧污泥的含水率在95％以上、pH在5-9之间。该处理系统利用污泥微生物对污泥有机物催化降解，完成稳定化，利用CW-MFC特殊结构达到污泥固液分离的效果，同时借助系统的植物和基质作用净化污泥渗滤液中的N/P、重金属等污染物，最终完成对污泥的稳定化、减量化和无害化处理。

其中，支撑分离层包括具有孔隙的托板4，托板4与人工湿地主体的下部区域围合形成厌氧污泥处理室1。托板优选采用钢材质制作的钢托板，满足支撑强度需求。

为了进一步保证托板的稳定性支撑，厌氧污泥处理室1内设有支撑托板的支撑柱5。优选的，支撑柱5为三个，三个支撑柱5均布固定在人工湿地主体底部的厌氧污泥反应室1内，支撑柱的顶部支撑带孔(孔径为3mm)的钢托板，用于支撑人工湿地各填料层和防止湿地填料混入污泥反应室中。三个支撑柱呈三角形排列方式，具有较好的支撑稳定性。

填料层包括陶粒层6和设于陶粒层上的细沙层7，陶粒层6的粒径大于钢托板4的孔隙。陶粒层及细沙层能够为微生物提供一定的吸附空间，便于微生物的富集。优选的，陶粒层6中陶粒的粒径为4-10mm，细沙层中细沙的粒径为0.5-1mm。

微生物燃料电池包括阳极碳布8、阴极碳布9以及连接阳极碳布8与阴极碳布9形成闭合回路的外连接线路，阳极碳布8设于厌氧污泥处理室1内，阴极碳布9设于细沙层顶端的固定网上。优选的，固定网为不锈钢网，阴极碳布9放置于不锈钢网上并进行固定，阴极碳布由铜导线接出并通过外电阻箱10连接阳极碳布8。阳极碳布及阴极碳布的接头处均采用环氧导电胶密封防止腐蚀。具体布置时，应使阴极碳布完全浸入在污泥渗滤液中。

为了便于排泥，避免厌氧污泥处理室内堆积过多固态污泥，在污泥处理室设有排泥口11。优选的，人工湿地主体的底部设置坡度并在相对较低的一侧与底面齐平处设置排泥口。在底面高的一侧3-5cm处设置一个进泥口，用于加入厌氧污泥。设置坡度，便于污泥导向排泥口，坡度为相对水平面向上倾斜5度的坡角。为了便于加快系统的运行，在厌氧污泥处理室中部设置一个产电菌接种口12。人工湿地主体对应设置陶粒层的侧壁下端设有排水口13，排水口处设置单向阀，便于系统运行一段时间后，通过此排水口排出处理后污泥渗滤液。

厌氧污泥输送机构包括厌氧污泥池14、蠕动泵15和输送管路，蠕动泵15通过输送管路将厌氧污泥池14内的厌氧污泥输送入厌氧污泥处理室1的污泥进样口。进泥口、接种口、污泥进样口等进样口均采用单向截止阀。采用蠕动泵的方式连接厌氧污泥池和CW-MFC系统，操作简便，且系统运行周期短，有较好的普适度。

厌氧污泥池14设有可密封的进泥口16和排气孔17，排气孔17上设有单向排气阀。外置厌氧污泥池设置一个可密封的进泥口和一个装有单向排气阀的排气孔，便于进泥和防止爆炸等事故发生。

该系统中采用的水生植物为菖蒲、千屈菜、睡莲、芦苇、美人蕉中的一种或多种植物组合。

为了便于水生植物的栽培，人工湿地主体的顶端设有承载板，承载板上设有放置水生植物的槽孔，水生植物的根系位于污泥渗滤液层中。具体可以采用泡沫、木材等制作承载板，在主体顶端可以设置支架固定承载板，避免承载板下沉或者来回晃动。

下面通过具体的实例进行说明：

本实施例处理系统用于城市剩余污泥的处理，其中CW部分由有机玻璃制成人工湿地主体，系统从下至上依次包括厌氧污泥反应室、带支柱的钢板托、陶粒层、细沙层、污泥渗滤液层(湿地超高层)、水生植物，该系统模拟垂直流人工湿地，从系统底部进泥，通过湿地钢托板及填料基质分离污泥和污泥渗滤液，使其在阴极区参与反应，碳布通过导线连接外电阻形成回路，同时将万用表连接外电阻以测输出电压。

其中，最底部的厌氧污泥处理室中的污泥采用城镇污水处理厂的厌氧污泥，含水率在95％以上，pH在5～9之间。厌氧污泥处理室高为8cm，容积为整个CW-MFC系统的20％左右，污泥反应室顶部是由三根支柱支撑的带孔(孔径为3mm)钢板托，厚度在0.5-1cm左右，起到防止陶粒和细沙混入污泥反应室同时支撑湿地填料基质的作用。与钢托板紧邻的依次是粒径为4-10mm的陶粒层和粒径为0.5-1mm的细沙层，陶粒层和细沙层的厚度分别为8cm。阳极碳布悬垂于厌氧污泥处理室，通过导线接出，在细沙层上方(污泥渗滤液层)固定不锈钢网，用于放置阴极碳布，阴极碳布由铜导线接出并通过外电阻连接阳极。污泥渗滤液的高度为10cm左右，保证阴极碳布完全浸在污水中，水生植物的根系位于污泥渗滤液中，有利于增加阴极的溶解氧，提高系统运行的效率。阳极接种有传统厌氧产电菌，通过厌氧产电菌将阳极液中的污泥有机物氧化分解，产生电子，通过外电路传递到阴极，从而实现在对城市剩余污泥减量化、稳定化和无害化处理目标，同时利用湿地系统的填料基质和水生植物作用净化污泥渗滤液中N、P和重金属元素等污染物，达到对污泥渗滤液处理的目的。外置厌氧污泥池为设有单向压力排气孔的密封钢材或塑料材料容器，同时在厌氧污泥池上端设有一个可密封的进泥口。设置装有单向排气阀的排气孔，便于进泥和防止爆炸等事故发生。

其中，阴阳极碳布在使用前，使用质量分数为10％的硝酸和质量分数为10％的硫酸(硝酸：硫酸＝3：1)混合，浸泡4小时做亲水预处理，提升碳布的性能，提高系统的氧化还原电位。

该污泥处理系统的处理工艺，包括如下步骤：

步骤一、进泥：在CW-MFC系统如上述结构构建后，将厌氧污泥池中的污泥通过蠕动泵输送到CW-MFC系统的厌氧污泥处理室，此时反应室排泥口、接种口和排水口关闭，待污泥灌满厌氧污泥处理室后，后续进入的污泥在钢托板处及上部各湿地填料基质层完成泥水分离，污泥固相留在厌氧污泥处理室，污泥液相自下而上渗入湿地各填料基质层，当污泥渗滤液充满污泥渗滤液层(湿地超高层)后停止进泥。

步骤二、启动处理系统：在反应温度为25.0～35.0℃、外接电阻为1000Ω的条件下进行启动运行，以城镇污水处理厂的厌氧消化污泥为阳极接种源，恒温富集驯化产电菌，定期从接种口进样到厌氧污泥处理室，当系统的输出电压逐渐增加时，即完成该CW-MFC系统的启动；

步骤三、CW-MFC系统连续运行：当系统输出电压下降到50mV时，先通过排水口排空人工湿地系统中的污泥渗滤液，后将处理后的污泥通过排泥口排出，即完成一个处理周期。之后，再重新利用蠕动泵从厌氧污泥池向CW-MFC系统进泥，待输出电压出现较小波动、且持续稳定出现较高输出电压时，开始新的一个处理周期。系统连续运行一段时间后，记录系统的输出电压，定期采样测定污泥的COD、ORP、TP/TN，对处理过程进行实时调控。

污泥经CW-MFC处理后，使得污泥减量率在60-80％之间，稳定化效果良好，渗滤液中的TN/TP和重金属元素的去除率好于常规人工湿地处理效果。

采用本发明污泥处理系统的工艺方法，不需要额外的电能输入，阳极进泥为含有机污染物的厌氧污泥，整个系统能实现同步有机污染物降解、污泥资源化利用、能量回收的功能，是一种污泥处理处置的新形式。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种污泥处理系统，包括人工湿地系统，其特征在于，所述人工湿地系统包括由下到上依次设于人工湿地主体内的厌氧污泥处理室、支撑分离层、填料层、污泥渗滤液层和水生植物，所述污泥处理系统还包括厌氧污泥输送机构、与厌氧污泥处理室及污泥渗滤液层外连电路形成的微生物燃料电池，所述厌氧污泥输送机构朝向厌氧污泥处理室输送厌氧污泥且通过支撑分离层分离泥水并向上逐渐渗透形成所述污泥渗滤液层。

2.根据权利要求1所述污泥处理系统，其特征在于，所述支撑分离层包括具有孔隙的托板，托板与人工湿地主体的下部区域围合形成所述厌氧污泥处理室。

3.根据权利要求2所述污泥处理系统，其特征在于，所述厌氧污泥处理室内设有支撑托板的支撑柱。

4.根据权利要求1所述污泥处理系统，其特征在于，所述填料层包括陶粒层和设于陶粒层上的细沙层，所述陶粒层的粒径大于支撑分离层的孔隙。

5.根据权利要求1所述污泥处理系统，其特征在于，所述微生物燃料电池包括阳极碳布、阴极碳布以及连接阳极碳布与阴极碳布形成闭合回路的外连接线路，所述阳极碳布设于厌氧污泥处理室内，所述阴极碳布设于填料层顶端的固定网上。

6.根据权利要求1所述污泥处理系统，其特征在于，所述厌氧污泥输送机构包括厌氧污泥池、蠕动泵和输送管路，所述蠕动泵通过输送管路将厌氧污泥池内的厌氧污泥输送入厌氧污泥处理室的污泥进样口。

7.根据权利要求6所述污泥处理系统，其特征在于，所述厌氧污泥池设有可密封的进泥口和排气孔，所述排气孔上设有单向排气阀。

8.根据权利要求1所述污泥处理系统，其特征在于，所述污泥处理室设有排泥口和接种口。

9.根据权利要求1所述污泥处理系统，其特征在于，所述厌氧污泥的含水率在95％以上、pH在5-9之间。

10.根据权利要求1所述污泥处理系统的处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、进泥：向厌氧污泥处理室内输送入厌氧污泥，待污泥灌满厌氧污泥处理室后，后续进入的污泥在支撑分离层处完成泥水分离，污泥固相留在厌氧污泥处理室，污泥液相自下而上渗入填料层并逐渐向上渗透，当污泥渗滤液充满污泥渗滤液层后停止进泥；

步骤二、启动处理系统：在反应温度为25.0～35.0℃、外接电阻为1000Ω的条件下进行启动运行，以城镇污水处理厂的厌氧消化污泥为阳极接种源，恒温富集驯化产电菌，定期从接种口进样到厌氧污泥处理室，当系统的输出电压逐渐增加时，即完成该系统的启动；

步骤三、系统连续运行：当系统输出电压下降到50mV时，先通过排水口排空湿地系统中的污泥渗滤液，后将处理后的污泥通过排泥口排出，即完成一个处理周期；之后，再重新利用蠕动泵进泥，待输出电压出现较小波动、且持续稳定出现较高输出电压时，开始新的一个处理周期。