CN110877952A - 一种微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明将微生物燃料电池与厌氧消化池相互耦合，通过引入微生物燃料电池实现污泥的预处理工艺，该预处理是通过在阴极区自发生产的过氧化氢，与阴极室中的铁元素发生芬顿反应，极大的促进污泥中微生物细胞的破碎，释放出细胞中能够促进污泥降解的酶，从而有效的解决厌氧污泥中存在污泥体积大、含水率高、含有病原体、持久性有机污染物难清除的问题。

Description

一种微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池，尤其涉及一种微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统，将微生物燃料电池与厌氧消化池相耦合，属于污水处理与资源化领域。
背景技术
污泥是污水处理后的产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。随着我国经济的高速发展，城市污水厂的数量和规模都呈急剧上升趋势，在净化污水的过程中剩余污泥的产量也日益增加，目前我国约有80％的污泥未经处理。同时，由于污泥体积大、含水率高、含有病原体、持久性有机污染物等，对环境造成极其严重的污染。
微生物燃料电池(MicrobialFuelCell，MFC)是一种利用微生物作为催化剂直接将污水中的有机化学能转化为电能的装置。在实验室中最常用的微生物燃料电池是双室的微生物燃料电池，它包括一个阴极室、一个阳极室以及分隔这两个室的质子交换膜。微生物在厌氧条件下在阳极室生长。微生物能够氧化有机质产生电子，并将电子转移到阳极表面，再通过外电路达到阴极产生电流。质子通过质子交换膜到达阴极，并且结合阴极的电子和氧气生成水，是一种集净水与产能为一体的生物膜技术。而低电流可以刺激微生物代谢的关键酶系，提高难降解有机污染物的降解效率。理论上，氧还原生成过氧化氢所需的阴极电势约为0.260V(vs SHE)，比阳极电位(约为-280Vvs SHE)高，因此MFC系统可以自发生成过氧化氢，同时，外加0.5V电压相较于普通MFC，可以进一步促进过氧化氢的生产速率及产量，有效推进阴极芬顿反应。
厌氧消化是一种利用微生物在无氧状态下分解有机物，使有机物稳定化的工艺。主要包括三阶段，第一阶段为水解发酵阶段，大分子有机物首先在水解发酵菌的作用下转化为小分子有机物以及氢和二氧化碳；第二阶段为产氢产乙酸阶段，上阶段产物在产氢产乙酸菌作用下被转化成氢、二氧化碳和乙酸；第三阶段是产甲烷阶段，在产甲烷菌作用下，将上阶段产物转化为甲烷和二氧化碳。
综合微生物燃料电池和厌氧消化工艺对污泥的降解优点，构建一套新的复合厌氧污泥处理系统和方法，对全面提高对有机物的降解效率，促进污泥减量，全面解决环境问题具有重要意义。目前已经有CN107758836A一种微生物燃料电池原位藕合过硫酸盐类芬顿技术强化难降解有机物去除方法，公开了通过将微生物燃料电池与过硫酸盐类芬顿技术原位藕合，提高对难降解有机物去除能力的方法，主要是通过制备MnFez04纳米颗粒负载型电极，并将其作为双室型微生物燃料电池的阴极，通过向阴极室内加入含过硫酸盐的电解液，通过过硫酸盐产生的自由基SO产及电化学产生的和HO.联合作用强化阴极室内难降解有机污染物的去除，同时回收电能；CN104108845A一种微生物燃料电池利用剩余污泥同步产电产甲烷的方法，其公开了主要由污泥厌氧消化和微生物产电两部分组成，其操作方法是将剩余污泥先进行浓缩，与厌氧消化污泥进行混合，然后加入到微生物燃料电池阳极室中，进行厌氧消化和产电；CN104868146A一种藕合A2/0工艺处理生活污水并产电的微生物燃料电池，其公开的内容为硝酸根离子或者氧气可直接作为阴极的电子受体；CN104386826A基于微生物燃料电池的含铬电镀废水的处理和检测方法，公开的是在阳极室注入厌氧污泥，在阴极使用含有六价铬的电镀废水作为电子受体。
现有技术中主要包括单独使用微生物燃料电池进行污泥处理，以及将厌氧消化污泥微生物燃料电池处理后剩余污泥混合，加入微生物电池阳极室进行污泥处理，存在资源利用率不高，不便进行大规模污泥消化的问题，且并没有解决厌氧污泥技术中存在污泥体积大、含水率高、含有病原体、持久性有机污染物难清除的问题。
发明内容
本发明针对目前厌氧消化污泥技术存在的不足，并以污泥减量化、无害化、资源化为目标，提供一种微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统。
该系统将微生物燃料电池与厌氧消化池相互耦合，与传统厌氧消化污泥技术相比，该系统通过引入微生物燃料电池实现污泥的预处理工艺，通过过氧化氢的自发生成，与阴极室中的铁元素发生芬顿反应，极大的促进了污泥中微生物细胞的破碎，释放出细胞中能够促进污泥降解的酶，从而有效提高污泥减量化。
为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统，该系统是将微生物燃料电池与厌氧消化池相耦合，主要包括微生物燃料电池阴极区域、阳极区域和厌氧消化池区域三部分；电池内垂直设有质子交换膜固定，交换膜采用磺酸膜，厚度为30～150μm，将电池分隔成阳极室和阴极室，阳极室和阴极室间有电源相连，并有电子外通道载体，使电子可从阳极室进入阴极，阳极室垂直设有阳极材料，阴极室内垂直设有阴极材料，阴阳极均选用碳基材料作为电极材料。其中，阴极区域通过外加铁元素，优选的有铁粉、硫酸亚铁、氯化亚铁等，或是通过在阴极电极上负载有含Fe2+化合物。
各个区域之间通过压力作用利用管道有效实现污泥转移；微生物燃料电池阴极区域底部设置有进泥口；所述的微生物燃料电池阳极区域底部设置有排泥区，微生物燃料电池的排泥区与厌氧消化池的进泥口通过管道相连；厌氧消化池区域一侧设置有进泥口，另一侧设置有排水区，顶部设置排气口，底部设置有排泥区，中间设置搅拌装置，便于微生物与污泥的充分接触，处理后的污泥经管道部分回流至微生物燃料电池阴极区域；污泥通过螺杆泵在压力的作用下由微生物燃料电池阴极区域转移至阳极区域，经处理后进入厌氧消化池，最终部分回流至微生物燃料电池阴极区域。
微生物燃料电池阴极区域的电子受体主要是由氧气以及污泥中含有的小分子化合物提供；微生物燃料电池外接电压/电流分别为0-1.23V，0-20mA，用以刺激微生物燃料电池氧气、质子和电子自发生成过氧化氢后，与阴极电极上的铁元素发生芬顿反应，产生具有强氧化性的羟基自由基，可以有效降低污泥中持久性有机污染物的含量，同时通过强氧化作用可有效促进污泥中微生物细胞的破碎可以极大的促进污泥中微生物细胞壁的破碎，实现污泥预处理工艺。
经阴极预处理后的污泥由管道运送至阳极区域，在阳极区域内，阳极膜上的微生物可以进一步有效降解污泥中含有的持久性有机污染物以及以微生物经阴极破碎后细胞释放的内源物质作为生长能源，实现污泥中有机物的去除，并为阴极的二电子反应，即O2+2H++2e-→H2O2，提供充足的质子和电子，加快阴极区域强氧化反应的速率。
污泥中的微生物在阴极区域发生部分细胞破碎，部分未被破碎的微生物会随着污泥转移至阳极，在阳极区域发生进一步分解。污泥中含有的腐植酸等物质可以有效吸附在阳极生物膜上，形成一层有利于电子传递的薄膜，不仅可以作为电子中介体，促进电子转移，提高难降解有机底物的去除，还可以有效吸附有机污染物，提高有机物与微生物的接触频率，同时，腐植酸可以有效抑制污泥中部分酶的活性，例如细胞壁合成酶等酶活性，抑制细胞壁合成，进一步有效提高微生物的破碎率。
经微生物燃料电池初步降解的污泥经管道运送至厌氧消化池中，在厌氧消化池中进行主要的厌氧生物降解过程；污泥被降解后，达到标准后的污泥直接排出，而降解未完全的部分污泥经由管道回流至微生物燃料电池阴极区域，进一步处理消化。
本发明的有益效果：
(1)该装置采用微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化，在阴极区域内通过微电刺激微生物燃料电池自发高效生成过氧化氢，与阴极含有的铁离子发生芬顿反应，通过强氧化作用有效促进污泥中微生物细胞的破碎，并降解持久性有机物形成小分子有机物，作为微生物燃料电池的电子受体，有效提高电子的利用率；
(2)有机物与污泥通过管道共同到达阳极，在电化学产生的局部微观高氧化还原电势下，进一步破坏特征污染物分子结构和污泥微生物细胞，促进胞内聚合物的释放，以此提高活性微生物对其降解能力，同时，微生物本身含有的活性酶可以进一步与有机物接触提高有机物降解效率，整体上加快底物降解速率，极大的提高了污泥中有机污染物的降解效率以及污泥中细胞的破碎率，有效降低了反应器中剩余污泥含量，为阴极的二电子反应提供充足的质子和电子，加快阴极强氧化反应速率，进一步提高阴极区域污泥细胞破碎效率；
(3)该系统是将微生物燃料电池与厌氧消化池相互整合，利用微电刺激微生物燃料电池自发高效生成过氧化氢，与阴极区域含有的铁离子发生芬顿反应，有效促进污泥细胞的破碎，同时在强氧化作用以及电化学刺激下，有效提高微生物对污泥中有机物以及细胞破碎后释放的内源物质的降解，经由微生物燃料电池处理后的污泥通过螺杆泵在压力作用下经管道由阳极区域运输至厌氧消化池，在厌氧消化池中进一步实现污泥消解。
(4)污泥中含有的腐殖酸等物质可以有效吸附在阳极生物膜上，形成一层有利于电子传递的薄膜，不仅可以有助于电子传递，提高难降解有机底物的去除，还可以有效抑制污泥中部分酶的活性，有利于后续厌氧消化池中剩余污泥的消化。
本发明是集微生物燃料电池、厌氧消化池于一体的复合厌氧污泥消化系统，显著提高了污泥的降解效率，是一种新型的厌氧污泥消化模式。
附图说明
图1一种微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统
注：A、进泥口；B、排泥口；C、排水口；D、排气口；箭头表示污泥流动方向；
1、稳流稳压电源；2、电子外通道；3、微生物燃料电池阴极区域；4、微生物燃料电池阳极区域；5、污泥流动管道；6、气室；7、搅拌装置；8、厌氧消化池。
具体实施方式
如图1，该微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统主要包括电源1，电子外通道2，微生物燃料电池阴极区域3，阳极区域4，污泥流动管道5，气室6，厌氧消化池的搅拌装置7，厌氧消化池8，污泥进入口A，污泥排泥口B，排水口C及排气口D。微生物燃料电池阴极区域3底部的一侧设置有进泥口A，阴阳两极及消化厌氧池通过管道5相连，实现污泥在微生物燃料电池中的转移；厌氧消化池8与阳极区对应的一侧设置有进泥口，通过管道5将厌氧消化池8与微生物燃料电池阳极区域4相连接，厌氧消化池另一侧设置有排水口C，顶部设置排气口D，底部设置有排泥区B，处理后的污泥部分经管道5回流至微生物燃料电池阴极区域3，进行进一步的降解消化，部分被排出。
微生物燃料电池外接电压/电流1分别设置为0-1.23V，0-20mA后，从微生物燃料电池底部的进泥口使污泥均匀进入反应器阴极区域3，在阴极处，氧气与质子、电子在微电刺激下在阴极区域3中自发高效生成过氧化氢，与阴极电极上的铁元素发生芬顿反应，促进污泥中微生物细胞壁的破碎，同时，在强氧化作用下，部分大分子有机污染物降解形成小分子化合物，实现污泥预处理工艺和污泥的初步降解；经阴极预处理后的污泥通过螺杆泵在压力作用下由管道5运送至阳极区域4，在阳极区域4内，微生物利用污泥中含有的有机物以及细胞破碎后释放的有机质作为生长能源，为阴极提供质子和电子，促进阴极区域3内污泥消解；初步降解的污泥经管道5运送至厌氧消化池8中，在厌氧消化池8中进行主要的厌氧生物降解，生成的水、二氧化碳、甲烷等通过排水口C及排气孔D排出，在降解过程中可通过搅拌装置7进行搅拌，促进污泥的消化；最终未消化的污泥经由管道5部分回流至微生物燃料电池阴极区域3，进一步处理消化。
处理后的污泥通过TCOD、SS、VSS等参数考察评价污泥减量化程度。TCOD主要考察污泥中有机物变化情况，用重铬酸钾法检测。SS和VSS通过重量法，检测，用以考察挥发性有机污染物的去除效果，同时，可以进一步说明污泥减量化程度。
实施例1
设计微生物燃料电池和厌氧消化池体积均为10L，在微生物燃料电池区域中，阴阳极均选用碳布作为电极材料，并用质子交换膜相隔，其中阴极室加入1mmol/L FeCl2。将取自石化行业的污泥调节pH至7.0，加入至微生物燃料电池阴极区域中，两电极直接通过导线负载1000Ω电阻连接，并于35℃下反应，其中进水压力为1bar，外接0.2V电压，5mA电流，污泥搅拌速度为60rpm，污泥在微生物燃料电池阴阳极区域停留时间分别为3天，在厌氧消化池中停留时间为7天，按上述实施例所述的复合厌氧污泥处理系统处理石化污泥。
表1微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统对石化污泥处理结果
检测指标 TCOD(mg/L) SS(mg/L) VSS(mg/L)
进水 14623 9897 8867
出水 2671.62 5973.83 5295.71
由表1可以看出，TCOD去除率为65.78％，SS去除率39.64％，VSS去除率为40.31％，污泥脱水率为61％，对石油类物质去除率达到了71.23％。
相比于传统的厌氧处理工艺中TCOD去除率提高了20％以上，本实施例所述的由微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统在COD以及污泥减量上有了明显的提高，这是由于微生物燃料电池与厌氧消化池系统相互耦合，提高了电子的利用率，从整体上可以加强对污泥中持久性有机污染物的降解，极大的促进了的污泥的处理效率。
实施例2
设计微生物燃料电池和厌氧消化池体积均为10L，在微生物燃料电池区域中，阴阳极均选用碳毡作为电极材料，并用质子交换膜相隔，其中阴极室加入1.5mmol/L FeCl2。将市政污泥调节pH至7.5，加入至微生物燃料电池阴极区域中，两电极直接通过导线负载1000Ω电阻连接，并于35℃下反应，其中进水压力为3bar，外接0.5V电压，10mA电流，搅拌速度为70rpm，污泥在微生物燃料电池阴阳极区域停留时间分别为4天，在厌氧消化池中停留时间为8天，按上述实施例所述的复合厌氧污泥处理系统处理城市生活污泥。
表2微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统对城市生活污泥处理结果
检测指标 TCOD(mg/L) SS(mg/L) VSS(mg/L)
进水 8745 7948 6654
出水 2448.6 5360.93 4377.67
由表2可以看出，TCOD去除率为72％，脱水率为70.1％，SS去除率为32.55％，VSS去除率为34.21％。
实施例3
设计微生物燃料电池和厌氧消化池体积均为10L，在微生物燃料电池区域中，阴阳极均选用石墨作为电极材料，并用质子交换膜相隔，其中阴极区域外加1.0mg/L硫酸亚铁。将石化污泥调节pH至7.5，加入至微生物燃料电池阴极区域中，两电极直接通过导线负载1000Ω电阻连接，并于35℃下反应，其中进水压力为5bar，外接0.7V电压，15mA电流，搅拌速度为80rpm，污泥在微生物燃料电池阴阳极区域停留时间分别为5天，在厌氧消化池中停留时间为10天，按上述实施例所述的复合厌氧污泥处理系统处理石化污泥。
表3微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统对石化污泥处理结果
检测指标 TCOD(mg/L) SS(mg/L) VSS(mg/L)
进水 12763 10987 8469
出水 5091.16 7158.03 5296.51
由表3可以看出，TCOD去除率为60.11％，脱水率为59.07％，SS去除率为34.85％，VSS去除率为37.46％。

Claims (9)

1.一种微生物燃料电池辅助强化厌氧污泥消化的复合系统，包括微生物燃料电池阴极区域(3)、阳极区域(4)和厌氧消化池区域(8)三部分，区域通过管道(5)依次连接，阴极区域(3)与阳极区域(4)间连接有与外接的电流电压表(1)并联的电子外通道(2)，阴极区域(3)与阳极区域(4)间设有质子交换膜，阳极室垂直设有阳极材料，阴极室内垂直设有阴极材料，其特征在于：所述的电池阴极区域(3)底部设置有进泥口，所述的厌氧消化池区域(8)底部设置有污泥处理后的排泥口，阴极区域(3)负载有含铁化合物，其中，最初的污泥被处理的顺序为先进入电池阴极区(3)、后进入阳极区域(4)，再经过厌氧消化池区域(8)处理。
2.如权利要求1所述复合系统，其特征在于：微生物燃料电池外接电压/电流分别为0-1.23V，0-20mA。
3.如权利要求1所述复合系统，其特征在于：所述的阳极为碳基材料，阴极为含有铁元素的碳基材料。
4.如权利要求3所述复合系统，其特征在于：所述的碳基材料为石墨、碳毡或碳布等材料。
5.如权利要求3所述复合系统，其特征在于：所述的铁元素来源主要有外加如铁粉、氯化亚铁或硫酸亚铁等金属盐，或是负载有Fe2+的阴极电极材料。
6.如权利要求1-6任一所述的复合系统，其特征在于：所述厌氧消化池中有搅拌装置(7)。
7.如权利要求7所述的复合系统，其特征在于：所述厌氧消化池还包括排泥口、排气口及排泥口。
8.如权利要求8所述的复合系统，其特征在于：所述从阴极区域(3)进泥口进入的污泥，通过管道(5)依次进入阳极区域(4)厌氧消化池(8)后，部分污泥通过管道(5)回流进入阴极区域(3)。
9.一种利用权利要求8所述的复合系统进行污泥消化的方法，包括如下步骤：
A.污泥经由进泥口从微生物燃料电池阴极区域(3)底部进入复合系统内，在阴极区域(3)中氧气、质子和电子生成过氧化氢，过氧化氢与阴极电极上的铁元素发生芬顿反应，产生羟基自由基，促进污泥中微生物细胞降解；
B.经阴极预处理后的污泥由管道(5)运送至阳极区域(4)，在阳极区域(4)内，阳极膜上的微生物进一步利用污泥中含有的持久性有机污染物以及经阴极破碎后细胞释放的内源物质作为生长能源生长，并为阴极的二电子反应提供充足的质子和电子，污泥中含有的腐殖酸吸附在阳极生物膜上，形成一层能传递电子的薄膜，促进污泥的进一步消化；
C.微生物燃料电池初步降解的污泥经管道(5)运送至厌氧消化池(8)中，在厌氧消化池(8)中进行主要的厌氧生物降解过程，在降解过程中利用搅拌装置(7)进行搅拌，最终剩余污泥经由管道(5)回流至微生物燃料电池阴极区域(3)，进一步处理消化。
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