CN110628613A - 一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法及装置，包括处理罐体，处理罐体内部设有预处理腔和发酵腔，预处理腔顶部设有进料口和加药口，预处理腔内安装有搅拌机，预处理腔和发酵腔之间设有下料口，发酵腔内设有电极对，发酵腔外部覆盖有磁场发生器，发酵腔内安有超声发生器，发酵腔通过输气管连有储氢罐，输气管上设有气压计和气体压缩机。本发明利用pH调节剂、表面活性剂对高浓度有机废污进行预处理，经过预处理的有机废污进入设置有多孔电极、超声发生器、磁场发生器的多场耦合处理腔体中，控制强化降解过程中电化学反应产生自由基的速率、产氢酶活性，实现对发酵过程的精准控制，加速有机废污的降解的同时提高了产氢效率。

Description

一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法及装置
技术领域
本发明涉及有机废污处理领域，具体涉及一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法及装置。
背景技术
目前针对有机废污的处理主要方式有焚烧、填埋、饲料化和生物处理技术。焚烧处理技术会导致大量的有机物浪费，燃烧过程中还易产生二噁英等有害物质，引起大气污染；填埋处理技术往往存在填埋过程中产生的渗滤液、废气等污染物，易造成周边环境污染等问题；饲料化处理有机废污成本高、要求苛刻、原料选择面较窄。因此，生物处理技术的处理效果好、成本低廉、潜在附加值高、适用范围广、二次污染风险小等优势，使得其在有机废污的处理工程中逐渐成为主流工艺。通常对于有机废污的无害化处理技术是以有机废污作为能量源，微生物的代谢发酵产生氢气、甲烷、二氧化碳，使得有机废污得到无害化处理。但是常规的生物处理技术是对有机废污进行厌氧发酵生产沼气，在自然条件下得到降解，沼气中可燃成分含量通常在50％左右，品质较差。因此，常规的厌氧发酵降解有机废污制备沼气过程往往存在厌氧条件难以控制、降解过程耗时长、产生的沼气杂质多等问题，导致在针对高浓度有机废污处理的过程中往往存在降解效率低下、产气效益低、可燃性气体含量少等不足。同时，常规的厌氧发酵降解有机废污制备沼气的过程中，虽然伴随着氢气的产生，但是由于常规条件下的厌氧发酵中的产氢菌的生命周期较短，氢气产生量较少，利用率几乎为零，导致优异的清洁能源的损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有有机废污处理与处置技术的局限性，即焚烧、填埋处理技术易产生二次污染、资源利用率较低，饲料化处理技术适用范围窄，常规有机废污厌氧发酵制备沼气技术对产气过程的控制不足，沼气质量难以得到保障，降解效率较低，目的在于提供一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法和装置，利用pH调节剂、表面活性剂对高浓度有机废污进行预处理，经过预处理的有机废污进入设置有多孔电极、超声发生器、磁场发生器的多场耦合处理腔体中，控制强化降解过程中电化学反应产生自由基的速率、产氢酶活性，实现对发酵过程的精准控制，加速有机废污的降解的同时提高了产氢效率。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的装置，包括处理罐体，处理罐体内部从上至下依次设有预处理腔和发酵腔，预处理腔的顶部设有进料口和加药口，预处理腔内安装有搅拌机，预处理腔和发酵腔之间开设有下料口，发酵腔内从上至下设有多组电极对，发酵腔的外部处理罐体外壁上覆盖有磁场发生器，发酵腔内安装有超声发生器，发酵腔通过输气管连有储氢罐，输气管上设有气压计和气体压缩机，处理罐体的底部设有排料口。
输气管上与发酵腔相连的前端上设有干燥器。
电极对采用铈钨电极、镧钨电极、钍钨电极、钇钨电极、锆钨电极、纯钨电极、紫铜电极、石墨电极、铜钨合金电极、银钨合金电极、钢电极、黄铜电极、铸铁电极中的一种。
一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法，包括如下步骤，1)预处理：将有机废污通入到所述装置的预处理腔中，通过加药口加入PH调节剂和表面活性剂对有机废污进行预处理；2)打开下料口使有机废污进入发酵腔中，启动超声发生器和磁场发生器进行降解处理；3)启动电极对，对发酵腔持续施加电场。
本发明对有机废污的降解处理过程进行精准调控，首先对有机废污进行预处理，其中表面活性剂使得高浓度有机废污的大分子与水分子链接，形成胶团，促进不溶或微溶于水的有机物加溶到胶团中，促进有机物在液相中的增溶效果，提高降解效率；pH调节剂可增强产氢酶的活性，加快有机废污中大分子有机物的水解、酸化速率，为产氢菌产氢提供充足的营养物质，提高产氢效益。多物理场耦合强加降解过程中，超声发生器和磁场发生器产生的超声场和磁场，可有效破坏有机废污中的胶团结构，释放内部包裹的水与有机物质，并且产生空穴作用，压碎有机废污中的细胞壁，释放出细胞内所含的水分和细胞质，为后续的降解阶段提供更多的底物，提高降解效率；持续施加电场则是利用控制合适的电场条件，加速自由基的生成，加快小分子有机化合物氧化产生电子、质子和二氧化碳，在电场的控制作用下，电子到达阴极后与质子结合从而制备出氢气，对产氢过程实现精准调控，有机废污得到高效降解的同时实现产氢过程加速、产氢菌生活周期延长，产氢量大幅度增加。
本发明高效降解有机废污同步强化制氢的方法，经pH调节剂、表面活性剂预处理后的有机废污，从下料口进入至安装有超声发生器、磁场发生器、电极对阵列装置的发酵腔体中，超声和磁场的作用下有机废污中的空气得到迅速释放，快速达到厌氧的环境。同时超声波和磁场还能给予有机废污施加压破作用，破坏有机废污中的胶团结构，释放内部包裹的水与有机物质，释放出的细胞内所含的水分和细胞质可为后续的酸化产氢阶段提供更多的底物，优化产氢环境，提高产氢效率，同时磁场发生器产生的磁场可强化自由基，提高生物酶活性，可将大部分有机物质氧化成CO2、H2O或其他小分子有机物，有效增强了微生物降解性能，加速厌氧降解过程。并且介入电场强化后，厌氧降解得到的小分子有机化合物在氧化产生电子、质子和二氧化碳的过程得到强化控制，促使电子到达阴极后与质子的高效结合，提升制备氢速率。同时，电场作用下，发酵介质在电极周围发生一系列电化学反应，生成自由基等活性物质，在外加磁场强化作用下的微量自由基的存在环境下，可有效提高酶活性，有效促进微生物对有机废物的降解。整个过程降解效率高，产氢过程持续时间长，产氢量大，剩余废料少，并且可循环进入降解体系，直至完全降解。制备得到的氢气经过干燥器处理后，由气体压缩机泵入储氢罐中收集。发酵设备左下侧设置排料口，排除降解废料，废料可重复进入设备中进行降解。各口可完全闭合与开放。
本发明方法利用电极等距阵列分布，所述电极对设有3-10对，电极对中阴极和阳极之间的间隔为15-30cm，电极对之间的间距为20-60cm，利用导线将电极与外接直流电源连接，电极直流电源为0.01～10V的微电压，。
磁场发生器产生的磁场强度为10-3-1H，超声发生器产生的超声频率为25-130KHZ。
有机废污的含水率为30％-90％。
pH调节剂为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钠、氢氧化钙中的一种，预处理过程调控有机废污pH范围为8-12。
表面活性剂为鼠李糖脂、三乙醇胺皂、二辛基琥珀酸磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠，甘胆酸钠中的一种，有机废污与表面活性剂的添加比例为1000:1、750:1、500:1或者200:1。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法及装置，反应条件为常温、常压、微电压，反应操作简便不需要另设其他复杂的反应设备，操作方便且灵活，同时超声形成的微振动、电极通电发热还能为体系提供一定的热源，在温度较低外界条件下，依然正常运行；
2、本发明一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法及装置，可使体系迅速形成厌氧环境，超声处理过程使有机废污体系处于微振动状态，内部的气泡在超声作用下破裂，体系内部空气更快的被移除，迅速形成厌氧环境；
3、本发明一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法及装置，可根据有机废污的实际性质对体系的pH进行调控，使体系保持在碱性条件，促进在产氢过程中生成的乙酸的消耗，加快降解速率，加速生物反应中氢的生成，并且，在厌氧发酵过程中，通过对电极电压的控制，可实现对产氢阶段的电荷转移速度的精准控制，从而调控降解速度和产氢速率；
4、本发明一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法及装置，多种手段耦合处理有机废污，可大幅度提高对有机废污的降解效率，并且剩余废污还可继续返回进料口进行再次降解，可实现近零排放；
5、本发明一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法及装置，产氢持续时间长，产氢量大，厌氧发酵过程产生价值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明装置结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-进料口，2-预处理腔，3-下料口，4-电极对，5-磁场发生器，6-排料口，7-超声发生器，8-搅拌机，9-加药口，10-发酵腔，11-干燥器，12-气压计，13-气体压缩机，14-储氢罐。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本发明高效降解高浓度有机废污同步强化制氢装置处理餐厨垃圾，具体操作如下：
关闭下料口3，将含水量为75％的餐厨垃圾500Kg从进料口1加入预处理腔2后，从进料口添加氢氧化钠调节体系pH＝12，并添加二辛基琥珀酸磺酸钠1Kg，关闭进料口1、加药口9，开启搅拌机8，搅拌15min后，打开下料口3，物料全部排入发酵腔10后，关闭搅拌机8；打开超声发生器7，超声频率保持在25KHZ，超声处理10min，关闭下料口3；打开磁场发生器5，磁场强度为5×10-2H；电极对4的阴极和阳极之间间隔为15cm，电极对之间间隔20cm，共6对，外加电压5V；发酵降解过程中当压力计12示数变大时，打开气体压缩机13，将经干燥器11干燥后的氢气泵入储氢罐14中进行储存；当气压计12示数归零后，关闭气体压缩机13，反复操作，直至气压计12示数不再变化，即降解完成。最终排料口6排出剩余废料为25Kg，降解率达到95％，收集到的氢气量为25430L，氢气浓度达73.5％，餐厨垃圾降解速率为168Kg/d。
实施例2
本发明高效降解高浓度有机废污同步强化制氢装置处理污水处理厂污泥，具体操作如下：
关闭下料口3，将含水量为85％的污水处理厂污泥1000Kg从进料口1加入预处理腔2后，从进料口添加碳酸氢钠调节体系pH＝9，并添加鼠李糖脂5Kg，关闭进料口1、加药口9，开启搅拌机8，搅拌25min后，打开下料口3，物料全部排入发酵腔10后，关闭搅拌机8；打开超声发生器7，超声频率保持在35KHZ，超声处理15min，关闭下料口3；打开磁场发生器5，磁场强度为1.3×10-2H。电极对4的阴极和阳极之间间隔为20cm，电极对之间间隔15cm，共8对，外加电压1.8V；发酵降解过程中当压力计12示数变大时，打开气体压缩机13，将经干燥器11干燥后的氢气泵入储氢罐14中进行储存；当气压计12示数归零后，关闭气体压缩机13，反复操作，直至气压计12示数不再变化，即降解完成。最终剩余废料为120Kg，降解率达到88％，收集到的气体量为48300L，氢气浓度达70.2％，污泥降解速率为280Kg/d。
实施例3
本发明高效降解高浓度有机废污同步强化制氢装置处理猪粪，具体操作方式如下：
关闭下料口3，将含水量为60％的猪粪800Kg从进料口1加入预处理腔2后，从进料口添加氢氧化钙调节体系pH＝11，并添加十二烷基苯磺酸钠2Kg，关闭进料口1、加药口9，开启搅拌机8，搅拌30min后，打开下料口3，物料全部排入发酵腔10后，关闭搅拌机8；打开超声发生器7，超声频率保持在50KHZ，超声处理25min，关闭下料口3；打开磁场发生器5，磁场强度为8×10-3H；电极对4的阴极和阳极之间间隔为20cm，电极对之间间隔20cm，共8对，外加电压8V；发酵降解过程中当压力计12示数变大时，打开气体压缩机13，将经干燥器11干燥后的氢气泵入储氢罐14中进行储存；当气压计12示数归零后，关闭气体压缩机13，反复操作，直至气压计12示数不再变化，即降解完成。最终剩余废料为48Kg，降解率达到94％，收集到的气体量为56830L，氢气浓度达80.5％，污泥降解速率为350Kg/d。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的装置，其特征在于，包括处理罐体，处理罐体内部从上至下依次设有预处理腔(2)和发酵腔(10)，预处理腔(2)的顶部设有进料口(1)和加药口(9)，预处理腔(2)内安装有搅拌机(8)，预处理腔(2)和发酵腔(10)之间开设有下料口(3)，发酵腔(10)内从上至下设有多组电极对(4)，发酵腔(10)的外部处理罐体外壁上覆盖有磁场发生器(5)，发酵腔(10)内安装有超声发生器(7)，发酵腔(10)通过输气管连有储氢罐(14)，输气管上设有气压计(12)和气体压缩机(13)，处理罐体的底部设有排料口(6)。
2.根据权利要求1所述的一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的装置，其特征在于，输气管上与发酵腔(10)相连的前端上设有干燥器(11)。
3.根据权利要求1所述的一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的装置，其特征在于，电极对为铈钨电极、镧钨电极、钍钨电极、钇钨电极、锆钨电极、纯钨电极、紫铜电极、石墨电极、铜钨合金电极、银钨合金电极、钢电极、黄铜电极、铸铁电极中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的装置，其特征在于，所述电极对设有3-10对，电极对中阴极和阳极之间的间隔为15-30cm，电极对之间的间距为20-60cm。
5.一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法，其特征在于，包括如下步骤，1)预处理：将有机废污通入到权利要求1-4所述装置的预处理腔中，通过加药口加入PH调节剂和表面活性剂对有机废污进行预处理；2)打开下料口使有机废污进入发酵腔中，启动超声发生器和磁场发生器进行降解处理；3)启动电极对，对发酵腔持续施加电场。
6.根据权利要求5所述的一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法，其特征在于，磁场发生器产生的磁场强度为10-3-1H，超声发生器产生的超声频率为25-130KHZ。
7.根据权利要求5所述的一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法，其特征在于，有机废污的含水率为30％-90％。
8.根据权利要求5所述的一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法，其特征在于，pH调节剂为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钠、氢氧化钙中的一种或多种，预处理过程调控有机废污pH范围为8-12。
9.根据权利要求5所述的一种高效降解高浓度有机废污同步强化制氢的方法，其特征在于，表面活性剂为鼠李糖脂、三乙醇胺皂、二辛基琥珀酸磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠，甘胆酸钠中的一种，有机废污与表面活性剂的添加比例为1000:1、750:1、500:1或者200:1。
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