CN110902809B - 电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法及处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学‑生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法及处理装置，同步实现原位产FNA高效预处理剩余污泥、高活性颗粒污泥与生物电极系统耦合高效低能耗处理剩余污泥和消化液。剩余污泥处理反应器内依托颗粒污泥和生物电极系统的耦合，实现了多种种间直接电子传递方式的耦合，以及产电菌与发酵微生物的互养链接，进而保证了剩余污泥的高消化率和高产甲烷率。消化液处理反应器内依托颗粒污泥与EA‑ammox的耦合，实现了C与N的同步高效低能耗去除。

Description

电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法及处理装置

技术领域

本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路高效能源化处理方法及其处理装置。

背景技术

传统剩余污泥厌氧消化工艺面临的主要问题包括污泥消化效率低（有机质利用率低）和污泥甲烷产率低（能源转化率低）。

关于污泥消化效率低的问题，首先需要从污泥结构性质角度分析。剩余污泥多以菌胶团的形式存在，其有机部分主要存在于微生物细胞及胞外聚合物中。为此，污泥中有机物的高效溶出（水解）就成为提高污泥消化效率的速率限制步骤。这样，剩余污泥处理第一步要解决的问题的是污泥絮体结构的破环（胞外聚合物的释放）和微生物细胞壁（膜）的破环（细胞解体，细胞内物质的释放）。

再者，蛋白质是较多糖物质中更难被降解的一种物质，而在剩余污泥中蛋白质COD占到剩余污泥总COD的35～60%（蛋白质是组成微生物细胞的主要物质）。更为关键的是剩余污泥中蛋白质以一种特殊形态（蛋白质-细沙(二氧化硅)-金属的络合体状态）存在，导致有机质的酶结合位点减少，进而导致有机质的降解率降低，提高了污泥中蛋白质的降解难度！所以，提升污泥厌氧消化效能的另一个关键点就是破坏蛋白-细沙络合体。

对于剩余污泥絮凝体或微生物细胞壁的破壁以及蛋白-细沙络合体的破坏，目前的解决办法多采用热水解、碱酸处理、生物处理（发酵处理、添加酶制剂等）、机械处理等预处理技术。但这些预处理技术操作较为复杂，并且需要消耗一定的资源与能源（比如高温或高压，需要氯，臭氧和碱度等），还会污染环境，有时还可能导致能源产量入不敷出。

目前有考虑利用游离亚硝酸（FNA）的溶胞能力预处理剩余污泥，但所添加的FNA为工业制品，作为外加物质添加进污泥处理系统，一方面耗费大量资源，另一方面也会大幅增加污水处理厂的氮负荷，增加污水处理厂的脱氮除磷难度。

解决了污泥中有机质的有效溶出及蛋白质的有效释放后，造成污泥消化率低的另一个原因是污泥中含有大量难以降解的物质。例如，木质纤维素类物质，本身难降解，又可能阻碍其他物质降解腐殖质。此阶段，如何保证污泥中有机物的高效降解，就成为了解决问题的关键。

处理污泥的厌氧消化工艺和处理污水的厌氧消化工艺一样，也需要针对待处理的有机污染物质，从高效传质角度、提高污泥浓度角度、丰富污泥中微生物菌群种类和提高菌群间代谢产物有效传递的角度考虑。

传统污泥消化采用的是消化罐，不接种污泥，单纯对需要处理的剩余污泥进行中温厌氧消化，消化效率有限！有研究者考虑通过高温和中温两相分阶段厌氧消化系统来提高污泥处理率和系统的稳定性；也有研究者考虑通过剩余污泥与餐厨垃圾等有机质协同代谢来提高污泥消化系统稳定性。

颗粒污泥是一种特殊的不同代谢种群的群聚体，对各种基质转化的力能学和动力学都是至关重要的，能够保证各种微生物菌群的高活性，进而保证了颗粒污泥对各种污染物质的高效处理，尤其是对一些高浓度的，难降解污染物质的高效去除。

以往颗粒污泥常被用于高浓度和含有难降解或有毒污染物质的废水，也有研究者将颗粒污泥用于处理剩余污泥，试图提高污泥的厌氧消化效能和产甲烷活性。

对于污泥消化液的处理，常规思路是将其回流至市政污水处理系统。这种解决办法所面临的问题是：污泥消化液的氨氮总量会占到一个污水处理厂氨氮总量的20～80%，如果将这些污泥消化液回流到市政污水处理系统，会造成系统负荷增加很多，影响污水处理系统运行。因此，在回流至污水处理池之前，对含有高浓度氨氮的消化液进行脱氮处理是很有必要的，甚至可以考虑对污泥消化液进行单独处理。

污泥消化液是一种高氨氮废水，而且碳氮比失衡，采用普通的“硝化-反硝化”工艺需要充足的曝气并投加大量的碳源、碱才能将消化液中的总氮去除，这个费用高到大部分污水处理厂难以承受。

发明内容

本发明的目的是提供一种电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法，以实现剩余污泥/消化液的高效处理和高效能源化。

提供一种适合于所述电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法的处理装置，是本发明的另一发明目的。

以下给出了本发明所述的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法。

a、设置两个生物-电化学耦合反应器，分别作为剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器；两个反应器内均装填有颗粒污泥，与反应器内设置的电极耦合形成膨胀污泥床；其中，剩余污泥处理反应器的阳极设置在反应器下部，阴极设置在反应器上部，用于处理剩余污泥以产生处理后污泥和消化液；消化液处理反应器的阳极设置在反应器上部，阴极设置在反应器下部，用于处理消化液以产生处理水。

b、剩余污泥处理反应器产生的消化液一部分进入FNA原位产生池，在微氧条件下反应得到含FNA处理水。

c、将剩余污泥与上述含FNA处理水在剩余污泥FNA预处理池内充分混合，FNA强化剩余污泥絮体结构和细胞壁的破解，得到FNA预处理污泥。

d、剩余污泥处理反应器产生的消化液一部分进入曝气回流柱中，经充分曝气，得到曝气消化液。

e、将曝气消化液与FNA预处理污泥混合后，由剩余污泥处理反应器底部进入剩余污泥处理反应器，经膨胀污泥床被处理，形成的消化液一部分进入FNA原位产生池、一部分进入曝气回流柱，一部分由消化液处理反应器底部进入消化液处理反应器，产生的处理后污泥滞留在剩余污泥处理反应器中定期排出。

剩余污泥处理反应器中由于曝气消化液的回流，形成了微氧阳极+厌氧阴极的电极系统和微氧颗粒污泥，两者耦合形成膨胀污泥床。

f、进入消化液处理反应器的消化液经膨胀污泥床处理，形成的处理水一部分回流至消化液处理反应器底部，一部分直接排放，且在单位时间内直接排放的处理水体积与进入消化液处理反应器的消化液体积相同。

以上过程连续进行。

进一步地，本发明所述的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法还可以在消化液处理反应器的底部进行曝气，适量供氧至设置在反应器下部的阴极位置，以强化阴极接收电子的能力。

消化液处理反应器内的电极系统与颗粒污泥耦合，形成膨胀污泥床。

进而，本发明是通过对剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器内氧化还原电位和溶解氧浓度的监测，来控制剩余污泥处理反应器外部曝气回流柱和消化液处理反应器底部的曝气量大小，以实现向各自反应器内的适量供氧。

具体地，本发明是通过对曝气量大小的适度调节，将剩余污泥处理反应器内的氧化还原电位和溶解氧浓度分别控制在15～60mV和0～0.5mg∙L^-1；将消化液处理反应器内阴极位置的氧化还原电位和溶解氧浓度分别控制在-10～10mV和0～0.2mg∙L^-1，从而实现剩余污泥与消化液的同步高效处理。

剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器内由于电极系统与颗粒污泥系统的耦合，可以在常温条件下运行。根据运行效果，也可以加热至33～35℃的中温条件下运行。

为此，本发明在剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器上设置保温夹套并提供恒温循环热水，以保持反应器内的运行温度。

进一步地，本发明通过将FNA原位产生池内的溶解氧浓度控制在0.5～0.7mg∙L^-1，以实现亚硝酸盐的高效转化，进而保证原位FNA产生池内所需的FNA浓度。

更进一步地，本发明通过低FNA、高pH值运行方式预处理剩余污泥。FNA预处理污泥的FNA浓度0.06～0.15mg∙L^-1，pH值6.5～7.5。

本发明针对传统剩余污泥厌氧消化工艺的效率低（有机质利用率低）、污泥甲烷产率低（能源转化率低）；剩余污泥预处理工艺复杂、资源和能源消耗大、污染环境；高氨氮碳氮比失衡污泥消化液面临常规“硝化-反硝化”工艺资源和能源消耗大的困难等不足，提供了一种能够同步实现原位产FNA预处理剩余污泥、生物催化电解与生物体系耦合高效处理剩余污泥、无需氧和硝酸盐强化去除消化液中氨氮的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理一体化工艺。

本发明方法利用高活性颗粒污泥与生物电极系统耦合，对剩余污泥和消化液进行处理。在剩余污泥处理反应器内，高活性颗粒污泥保证了各种污染物质，尤其是一些高分子的、难降解污染物质的高效去除；颗粒污泥和生物电极系统（阳极）的耦合，实现了两种种间直接电子传递方式的耦合（颗粒污泥这种聚集共生体内多种微生物的种间直接电子传递、具有共同生态位的产电菌与产甲烷菌间的直接种间电子传递），以及产电菌与发酵微生物互养链接，进而保证了该污泥处理系统的高消化率和高产甲烷率。在消化液处理反应器内，厌氧环境运行，不需要经历硝化和反硝化过程，也不需要经历厌氧氨氧化过程，而是利用阳极氧化直接将氨氮转化为N₂。最终，依托颗粒污泥与EA-ammox的耦合，实现了C与N的同步高效低能耗去除。

同时，本发明方法在处理过程中，采用在适当位置提供微氧曝气环境的方式，通过FNA原位产生池内原位产FNA强化污泥絮体、细胞壁（膜）以及蛋白-细沙络合体的破解；通过剩余污泥处理反应器中的阳极微氧丰富产电菌种类，强化电化学作用，进一步促进难降解物质降解；通过剩余污泥处理反应器中微氧颗粒污泥的形成以及厌氧好氧微环境的耦合，强化污泥中污染物质的降解；消化液处理反应器内的阳极作为电子受体接收电子，阴极微氧环境强化接收电子，强化氨氮高效处理，以最终实现污泥和高氨氮消化液的高效低耗处理和高效能源化。

进而，本发明同时还提供了一种适用于上述电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法的、由以下处理单元连接组成的处理装置。

a、一个用于贮存剩余污泥的污泥贮罐。

b、一个FNA原位产生池，通过FNA原位产生池进水管与剩余污泥处理反应器上的消化液出水口相连，接收来自于剩余污泥处理反应器的消化液。在所述FNA原位产生池内设置曝气装置，用于向池内适度供氧，使来自剩余污泥处理反应器的消化液在微氧条件下反应得到含FNA处理水。

c、一个剩余污泥FNA预处理池，分别与污泥贮罐和FNA原位产生池管路连接，用于接收来自FNA原位产生池的含FNA处理水，对由污泥贮罐进入的剩余污泥进行预处理以产生FNA预处理污泥。

d、一个剩余污泥处理反应器，反应器底部设置的污泥进口通过剩余污泥反应器进泥管与剩余污泥FNA预处理池连通，用于将FNA预处理污泥通入剩余污泥处理反应器中。

在所述剩余污泥处理反应器的中上部的内壁设置有突块将反应器分隔为反应区和沉淀区；在反应区内装填颗粒污泥，并设置由微氧阳极和厌氧阴极组成的电极系统，其中微氧阳极位于反应器下部、厌氧阴极位于反应器上部，以对进入反应器的FNA预处理污泥进行处理；三相分离装置设置在沉淀区，与突块一起用于反应器内的气液固分离；在沉淀区内设有出水槽，处理产生的消化液通过出水堰从沉淀区流至出水槽；消化液出水口设置在出水槽底部位置。

e、一个曝气回流柱，所述曝气回流柱连接在剩余污泥处理反应器的消化液出水口与污泥进口之间，用于将部分消化液曝气后返回剩余污泥处理反应器的底部，在所述曝气回流柱内设曝气装置，用于向曝气回流柱内适度供氧，以保证剩余污泥处理反应器内的微氧条件。

f、排泥管，设置在剩余污泥处理反应器的中下部，用于定期排出处理后污泥。

g、一个消化液处理反应器，通过连接在反应器中下部、阴极上部的消化液进水管与剩余污泥处理反应器上的消化液出水口连通，用于将剩余污泥处理反应器产生的消化液输送到消化液处理反应器中。

在所述消化液处理反应器的中上部的内壁设置有突块，底部设置有布水装置，将反应器自上而下分隔为沉淀区、反应区和曝气分配室；在反应区内装填颗粒污泥，并设置由微氧阴极和厌氧阳极组成的电极，其中微氧阴极位于反应器下部、厌氧阳极位于反应器上部，以对进入反应器的消化液进行处理；三相分离装置设置在沉淀区，与突块一起用于反应器内的气液固分离；在沉淀区内设有出水槽，处理水通过出水堰从沉淀区流至出水槽；曝气分配室内设有带有曝气孔的曝气管和用于均匀布气的填料， 用于供氧并均匀分配至设置在反应器底部的阴极位置。

h、出水管，设置在消化液处理反应器沉淀区的出水槽底部，用于排出处理水。

i、气体收集管，分别设置在剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器的顶部，连接在三相分离装置上方，用于收集剩余污泥和消化液处理过程中产生的气体。

其中，还可以在所述剩余污泥处理反应器上设置第一污泥回流管，其出口位于反应器突块下方，进口位于微氧阳极下方，用于将剩余污泥处理反应器内上部的污泥回流至反应器最下部。

同样，还可以在所述消化液处理反应器上设置第二污泥回流管，其出口位于反应器突块下方，进口位于微氧阴极上方，用于将消化液处理反应器内上部的污泥回流至反应器下方。

进一步地，在所述消化液处理反应器上还设置有出水回流管，所述出水回流管连接在出水管与消化液处理反应器底部之间，用于将一部分处理水回流至消化液处理反应器底部，进入曝气分配室中。

本发明还在FNA原位产生池和曝气回流柱上安装有释气管，用于排放曝气过程中多余的气体。

进一步地，本发明还在所述剩余污泥FNA预处理池内设有搅拌装置，用于保证剩余污泥FNA预处理池内的剩余污泥与含FNA处理水充分混合。

更进一步地，本发明在所述污泥贮罐内也设有搅拌装置，用于搅拌污泥贮罐内剩余污泥以利于污泥输送。

本发明中，所述曝气分配室内曝气管上的曝气孔对称设置在曝气管下方与中心线成45º角的位置，可以在充分保证曝气效率的基础上，有效防止孔口堵塞。

本发明还可以在剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器的外部设置有保温夹套，通过在保温夹套中通入循环热水，用于给反应器加热并保温，使反应器内处于剩余污泥和消化液高效处理的最佳温度。

本发明装置中，剩余污泥处理反应器内的阳极为碳刷组合，设置在反应器下部；阴极为设置在反应器上部突块下方位置，并向反应区下部延伸的螺旋压缩的弹簧状铁碳。

消化液处理反应器内的阳极为碳刷组合，设置在反应器上部，阴极为包裹在反应器内壁的不锈钢网，设置在反应器下部。

常规的选择，在每条管路上均设置有阀门，用于控制和调节该管路内流水的流量。

采用本发明上述电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法和处理装置，成功实现了生物催化电解系统与生物体系的耦合。借助生物催化电解系统更快速的转化质子，借助电解系统更有效的电子传递，一方面有效提高了污泥消化速率和污泥产甲烷效率，另一方面强化了污泥消化液中氨氮在无氧和硝酸盐情况下的去除。同时，本发明利用消化液原位产生FNA预处理剩余污泥，从而实现了微能耗（微氧曝气、外加微电压）剩余污泥闭环处理——预处理、污泥处理、消化液同步高效处理。

本发明解决了传统剩余污泥处理需要高能耗预处理（热处理），污泥消化率低、产甲烷率低，消化液需要高能耗处理的难题。本发明整体系统结构紧凑、占地面积小、系统处理效率高、能耗低、符合低碳经济要求。

本发明的特点之一是电化学（电极）与生物处理（颗粒污泥）的耦合。

传统剩余污泥厌氧消化工艺面临的主要问题是污泥消化效率低（有机质利用率低）和污泥甲烷产率低（能源转化率低），且通过单纯的运行调控优化难以有所突破。本发明则从以下两方面进行有效突破，改进了污泥厌氧发酵过程，提高了污泥利用率和甲烷产率。

突破之一：将颗粒污泥应用于处理高浓度难生化降解的剩余污泥。剩余污泥厌氧消化的效率在很大程度上更取决于厌氧微生物种群多样性及优势种群的活性（对污泥具有生物破解作用）。颗粒污泥是一种特殊的不同代谢种群的群聚体，对各种基质转化的力能学和动力学都是至关重要的，能够保证各种微生物菌群的高活性，进而保证了颗粒污泥对剩余污泥破壁释放出的各种污染物质的高效处理，尤其是对一些高分子的、难降解污染物质的高效去除。

突破之二：利用胞外电子传递菌群强化污泥的生化降解率。污泥胞内大分子有机物释放后水解为小分子有机物，是厌氧消化的限速步骤。阳极附着的产电菌群是一群具有胞外电子传递功能的菌，这类菌依托阳极，不仅具有很强的降解有机污染物质并依托阳极高效传递电子的能力，而且能够将高分子复杂有机物直接降为低分子有机物，甚至是电子和二氧化碳，为下一阶段的产甲烷菌提供优质底物。

本发明成功将电极和颗粒污泥耦合在一个反应器内处理剩余污泥，实现了电化学作用与生物处理的高效耦合，有效提高了剩余污泥消化效率并同时提高了污泥产甲烷率。

本发明的特点之二是微氧阳极强化剩余污泥处理。

剩余污泥处理反应器外部曝气回流柱中的曝气消化液从反应器底部回流，从而优先保证设置在反应器底部的阳极表面生物膜处于微氧环境。微氧阳极环境能够提高产电菌群的微生物丰度；微氧环境能够强化污泥破壁释放的大量的大分子难降解污染物质降解为小分子有机物，进而为产电菌驱动的阳极氧化提供更适宜的底物；微氧环境下氧首先被用于强化系统还原力的产生，进而促使大量电子被输送至阳极。以上“三重作用”，保证了微氧条件下阳极高效电子传递和高效污染物去除。

本发明的特点之三是“多重耦合”。

本发明在剩余污泥处理反应器中实现了生物催化电解和生物消化的耦合。进而，该耦合系统首先借助上向流悬浮膨胀颗粒污泥床保证了颗粒污泥与絮状污泥的耦合。其次，通过外置的微氧曝气，借助颗粒污泥，在反应器下部实现了污泥内外厌氧、缺氧和好氧环境的耦合。第三，通过阳极下置，保证了微氧阳极与微氧颗粒污泥的耦合。第四，通过颗粒污泥和阳极的耦合，实现了两种种间直接电子传递方式的耦合（颗粒污泥这种聚集共生体内多种微生物的种间直接电子传递；具有共同生态位的Geobactor与Methanosaeta间形成的直接种间电子传递），以及Geobactor菌与厌氧系统中发酵微生物耦合（互养链接）。以上各种耦合，保证了该污泥处理系统的高消化率和高产甲烷率。

本发明的特点之四是原位产生FNA预处理剩余污泥。

FNA具有极强的破胞能力，可以明显促进污泥胞内物质溶出，保证剩余污泥处理过程中污泥微生物细胞内物质更好地被生物降解。

常规污泥预处理是采用工业制品性质的FNA引入，一方面会导致运行费用（物耗）增加，另一方面也会大幅增加污水处理厂的氮负荷，进而给整个污水处理厂的脱氮除磷增加难度。本发明从污泥处理消化液中原位微氧制取FNA（FNA原位产生池内进行）并进行污泥预处理（剩余污泥FNA预处理池内进行），可以很好的同时解决上述物耗大和氮负荷高的问题。

本发明的特点之五是高NO₂ ^－-N，高pH，低FNA预处理剩余污泥。

常规FNA预处理剩余污泥所采用的都是高FNA（2.0～4.6mg∙L^-1），低pH（5.0～5.5左右）方式，相应需要投加工业制品性质的FNA和酸（如盐酸），从而造成很高的运行费用。本发明的特色在于原位产生FNA，并且采用低FNA（0.06～0.15）和高pH（消化液本身具有的常规pH值6.5～7.5）运行方式，不仅能够获得比高FNA低pH更好的预处理污泥效果，更重要的是此过程不需要对消化液进行酸化处理（从7左右的pH降到5），运行费用大幅降低。

本发明的特点之六是电极（阳极）强化高氨氮消化液处理。

对于高氨氮低碳氮比污泥消化液的处理，目前所采用的办法是回流到市政污水处理系统。但是，污泥消化液的氨氮总量会占到一个污水处理厂氨氮总量的20～80%，如果将这些污泥消化液回流到市政污水处理系统，会造成系统负荷增加很多，影响污水+处理系统运行。因此建议污泥消化液单独处理。

目前对于含氨氮污水的主流处理工艺工艺有两种，一种是好氧硝化（可以短程硝化）+缺氧反硝化；一种是厌氧氨氧化。

好氧硝化（可以短程硝化）+缺氧反硝化工艺的好氧段曝气会产生大量能耗，缺氧段外加碳源会面临大量物耗问题，也就是说，此过程是一个高能耗和高物耗过程。尤其需要强调的是，污泥消化液碳氮比失衡，一般在1.0～4.0之间，采用普通的“硝化-反硝化”工艺，需要充足的曝气并投加大量的碳源、碱，才能将消化液中的总氮去除，这个费用高到大部分污水处理厂难以承受。

厌氧氨氧化工艺的厌氧氨氧化菌生长缓慢，所需温度和pH环境范围很窄，需NO₂ ^－-N为电子受体（需曝气），也就是说，此过程不仅面临能耗问题（曝气），同时还面临着启动缓慢、运行难以控制的难题。

本发明采用的方法是生物电化学系统与生物处理的耦合，运行环境是厌氧环境，运行过程中依托阳极作为氨氮的电子受体完成氨氮去除（在不需要氧气、不需要有机物、不需要亚硝酸盐和硝酸盐的情况下处理氨氮）！本发明的亮点是整个系统的去除氨氮过程不再需要经历硝化和反硝化过程（前段氧为电子受体，后段NO₂ ^－-N为电子受体），也不需要经历厌氧氨氧化过程（氨氮为电子供体，NO₂ ^－-N为电子受体）！而是利用阳极氧化直接将氨氮转化为N₂！也就是说，本发明依托EGSB颗粒污泥系统与EA-ammox系统的耦合，实现了C与N的同步高效去除。

本发明的特点之七是消化液处理反应器中电子的强化接收。

消化液处理反应器底部曝气管适量供氧并经曝气分配室均匀分配至设置在反应器底部的阴极位置，强化阴极接收电子的能力，最终实现了EA-ammox系统与阴极氧的同步强化电子接收的耦合，实现了氨氮的高效去除。

附图说明

图1是本发明电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不是限制本发明的保护范围。本领域普通技术人员在不脱离本发明原理和宗旨的情况下，针对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和变型，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1。

图1给出了本发明电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理装置的具体结构，由FNA原位产生池6、剩余污泥FNA预处理池15、剩余污泥处理反应器24和消化液处理反应器35构成，并配置有污泥储罐1和曝气回流柱19。

其中，剩余污泥处理反应器24和消化液处理反应器35均由有机玻璃制成。

剩余污泥处理反应器24包括反应区和沉淀区两部分，消化液处理反应器35包括曝气分配室41、反应区和沉淀区三部分。其中，曝气分配室41内径100mm，高度0.2m，体积1.5L；反应区内径100mm、高度1.7m、体积12L；沉淀区内径140mm、高度0.6m、体积6L。

在剩余污泥处理反应器24和消化液处理反应器35的反应区内均装填有用于处理剩余污泥和消化液中污染物质的颗粒污泥。

在剩余污泥处理反应器24和消化液处理反应器35的上部各设置有突块32和三相分离装置33。其中突块32设置在反应区与沉淀区之间，三相分离装置33设置在沉淀区，用于进行反应器内气液固的分离。

在剩余污泥处理反应器24下部设置阳极25，上部突块32下方位置设置阴极27，分别与外部电源26连接，用于进行剩余污泥处理反应器内生物电化学作用；在消化液处理反应器35的下部设置阴极27，反应区中上部设置阳极25，分别与外部电源26连接，用于进行消化液处理反应器内的生物电化学作用。

消化液处理反应器35底部曝气分配室41和反应区之间设置有一个布水装置42，在曝气分配室41内设置带有曝气孔的曝气管40和用于均匀布气的填料（如砾石），曝气孔对称设置在曝气管40下方与中心线成45º角的位置，可以在充分保证曝气效率的基础上有效防止孔口堵塞。

在剩余污泥处理反应器24的底部污泥进口处设置有剩余污泥处理反应器进泥管16与剩余污泥FNA预处理池15连接，经阀门3，剩余污泥处理反应器进泥泵17，用于将剩余污泥FNA预处理池15中产生的FNA预处理污泥输送至剩余污泥处理反应器24中；在反应器上部（突块下方）设置有第一污泥回流管22，经阀门3、第一污泥回流泵23，用于将反应器上部污泥回流至反应器最下部（阳极25的下方位置），在反应器内形成污泥循环；在反应器上部沉淀区出水槽一侧的消化液出水口处设置有消化液回流管18，经过阀门3和液体流量计11相连，将消化液输送至曝气回流柱19，然后通过曝气消化液回流泵21经曝气消化液回流管20将经过适度曝气的消化液回流至反应器底部污泥进口处，用于向反应器内颗粒污泥和阳极提供溶解氧；在反应器反应区的中下部设置排泥管28，用于定期排放处理后污泥。

在消化液处理反应器35的下部（阴极上方位置）设置有消化液进水管36，其与剩余污泥处理反应器24沉淀区出水槽底部的消化液出水口相连，经阀门3、消化液进水泵37，与设置在反应器突块下部的第二污泥回流管38（经阀门3、第二污泥回流泵39）相连进入反应器下部（阴极27上部）位置，用于将剩余污泥处理反应器24的污泥消化液输送至反应器及将消化液处理反应器上部的污泥回流至反应器下部。在反应器上部沉淀区出水槽底部位置有出水回流管46，经过阀门3通过出水回流泵47将出水回流至反应器的底部。在反应器上部沉淀区出水槽底部位置有出水管45，用于排放处理水。

在两个三相分离装置33的上方还连接有气体收集管34，用于收集处理过程中产生的气体。

来自恒温水浴的热水经设置在两个反应器的下部的循环热水进水管30供给反应器保温夹套29一定温度的热水以保持反应器24和35内适宜的温度，该热水经循环热水回水管31回流至恒温水浴，反应器24和35的温度通过控制恒温水浴的温度和循环热水进水管30、循环热水出水管31的流量来实现。

污泥贮罐1用于贮存原剩余污泥，内设搅拌装置2，用于搅拌污泥贮罐内剩余污泥以利于输送，其出泥口通过阀门3和剩余污泥FNA预处理池进泥泵4与剩余污泥FNA预处理池15的剩余污泥FNA预处理池进泥管5连接，用于将原剩余污泥通入剩余污泥FNA预处理池15中。

来自剩余污泥处理反应器24的消化液经阀门3，液体流量计11，通过FNA原位产生池进水管10，进入FNA原位产生池6；曝气装置9与外部的空压机7、气体流量计8相连，给反应器内消化液适度曝气产生FNA，多余气体通过释气管12排放。

含FNA处理水通过阀门3和剩余污泥FNA预处理池进水泵14，经剩余污泥FNA预处理池进水管13进入剩余污泥FNA预处理池15，通过搅拌装置2搅拌，与来自污泥贮罐1的原剩余污泥混合并利用FNA对剩余污泥进行预处理，后通过剩余污泥处理反应器进泥管16进入剩余污泥处理反应器24中。

进入FNA原位产生池6的消化液，在微氧条件下反应得到含FNA处理水，由剩余污泥FNA预处理池进水泵14通过剩余污泥FNA预处理池进水管13进入剩余污泥FNA预处理池15。

进入剩余污泥FNA预处理池15的含FNA处理水与通过剩余污泥FNA预处理池进泥泵4经剩余污泥FNA预处理池进泥管5来的原剩余污泥充分混合，FNA强化剩余污泥絮体结构和细胞壁的破解，得到FNA预处理污泥。

进入剩余污泥处理反应器24的FNA预处理污泥，电极系统（厌氧阳极+微氧阴极+外电源）形成的产电功能菌与微氧颗粒污泥耦合的膨胀污泥床被处理，得到处理后的污泥和消化液。颗粒污泥、处理后污泥、消化液和处理过程中产生的气体经过位于反应器上部的突块32和三相分离器装置33分离。其中，气体经气体收集管34收集或直接排放；颗粒污泥和处理后的污泥与消化液分离回到剩余污泥处理反应器24中，处理后的污泥定期排出；经出水堰44到出水槽43的消化液被分成三部分，一部分进入FNA原位产生池6、一部分进入曝气回流柱19，一部分进入消化液处理反应器35。

进入曝气回流柱19的消化液，经充分曝气后，多余气体通过释气管12释放，得到曝气消化液，由曝气消化液回流泵21经曝气消化液回流管20回流至剩余污泥处理反应器24。

进入消化液处理反应器35的消化液，经电极系统（厌氧阳极+微氧阴极+外电源）形成的产电功能菌与微氧颗粒污泥耦合的膨胀污泥床被处理，得到处理水。颗粒污泥、处理水和处理过程中产生的气体经过位于反应器上部的突块32和三相分离器装置33分离。其中，气体经气体收集管34收集或直接排放；颗粒污泥与处理水彻底分离回到消化液处理反应器35中，处理水被分成两部分，一部分经出水堰44到出水槽43通过出水管45直接排放，一部分经出水堰44到出水槽43通过出水回流管46由出水回流泵47回流至消化液处理反应器35。

以上过程连续进行。

上述电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理装置的整个运行过程可以考虑采用启动和稳定运行两个阶段。其中启动阶段主要是剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器内阳极产电功能菌和颗粒污泥的驯化培养。在实际运行过程中可以考虑采用培养基进行阳极产电功能菌的驯化培养，完后将附着产电功能菌群的电极插入反应器内稳定运行。也可以考虑直接运行两个耦合系统处理剩余污泥和消化液来培养产电功能菌群。培养基多采用一些易降解的低碳物质，比如乙酸钠。微氧颗粒污泥可考虑取自处理城市污水稳定运行的颗粒污泥反应器内。

实施例2。

取原太原杨家堡污水处理厂剩余污泥作为待处理剩余污泥，该剩余污泥的含固率为16%，TS=176.6g∙L^-1，VS=122.8g∙L^-1，VS/TS=0.69。

颗粒污泥取自高效稳定运行的处理城市生活污水的颗粒污泥反应器（EGSB反应器），以其装填剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器。

微氧曝气保证FNA原位产生池内0.06mg∙L^-1FNA（25℃、pH6.8），FNA原位产生池出水和待处理剩余污泥同时进入剩余污泥FNA预处理池，预处理反应4h（FNA对剩余污泥进行预处理），预处理后的剩余污泥进入剩余污泥处理反应器（此时电极尚处于外置驯化培养产电功能菌状态，用易降解低碳物质乙酸钠等进行驯化，未置于剩余污泥处理反应器内）。剩余污泥处理反应器处于单纯微氧颗粒污泥状态，微氧曝气2000ml∙min^-1，22～26℃环境温度下稳定运行，第11d时TS和VS去除率分别达到44.78%和48.64%。

将完成驯化的附着有阳极功能菌的微生物电极插入剩余污泥处理反应器后，初期TS和VS去除率缓慢提高，后续快速提高，在第18d时，TS和VS去除率分别达到了65.35%和68.78%。

运行成功的反应器第二批进泥处理（待处理剩余污泥），在第15d时，即达到了高TS和VS去除率（65.68%和68.96%）。后续采用连续流运行方式，电化学-生物耦合的剩余污泥处理反应器始终保持高效稳定运行，TS去除率64.93～65.76%，VS去除率67.98～69.02%。

对比例1。

本对比例采用热水解预处理剩余污泥+接种颗粒污泥处理剩余污泥，其中前期厌氧环境，第11d时微氧曝气环境，与本发明实施例的剩余污泥处理效果进行比较。

90℃、45min热水解预处理剩余污泥，剩余污泥处理反应器在27～33℃环境条件下第11d时TS和VS去除率分别达到29.09%和34.24%。说明热水解能够对剩余污泥胞外多聚物和细胞壁进行破解和溶胞，强化剩余污泥中TS和VS的去除效果。第11d时微氧曝气（2000ml∙min^-1），通过耦合微氧与颗粒污泥双重作用，进一步强化颗粒状大分子难降解有机物转化为小分子易降解有机物，进而强化剩余污泥的整个消化过程。微氧曝气一周，TS和VS去除率都达到40%以上（与微氧曝气前相比，提高幅度高达13%以上），21d时，TS和VS去除率分别达到43.87%和47.74%。

对比例2。

本对比例考察在微氧曝气环境下接种颗粒污泥处理剩余污泥+第15d添加餐厨垃圾协同消化的处理效果。

未对剩余污泥进行预处理，一开始就采用单纯微氧曝气（2000ml∙min^-1）方式运行，剩余污泥处理反应器在27～33℃环境条件下，第11d时TS和VS去除率分别达到29.25%和33.46%，与热水解预处理剩余污泥厌氧消化的TS和VS去除率基本相当（29.09%和34.24%）。随后，微氧消化的TS和VS去除率快速提高，第15d时达到了41.38%和47.02%（与热水解预处理+第11d微氧曝气运行方式第21d时的运行效果基本相当）。

第15d时，按照剩余污泥（SCOD）∶餐厨垃圾（SCOD）=5∶1的比例开始投加搅碎的餐厨垃圾120mL，第21d时TS和VS去除率高达55.65%和59.08%。由此可见，少量餐厨垃圾的加入能够促进剩余污泥的消化。高活性颗粒污泥的接种、微氧曝气、餐厨垃圾协同消化是剩余污泥高效处理的关键因子。

实施例3。

取原太原杨家堡污水处理厂剩余污泥作为待处理的剩余污泥，此剩余污泥的含固率为16%，TS=176.6g∙L^-1，VS=122.8g∙L^-1，VS/TS=0.69。

从高效稳定运行的处理城市生活污水的颗粒污泥反应器（EGSB反应器）内取颗粒污泥装填剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器。

微氧曝气保证FNA原位产生池内0.15mg∙L^-1 FNA（25℃、pH6.8），FNA原位产生池出水和待处理剩余污泥同时进入剩余污泥FNA预处理池，预处理反应4h（FNA对剩余污泥进行预处理），预处理后的剩余污泥进入剩余污泥处理反应器（电极处于外置驯化培养产电功能菌状态（用剩余污泥直接驯化），未置于剩余污泥处理反应器内，剩余污泥处理反应器处于单纯微氧颗粒污泥状态，微氧曝气2000ml∙min^-1，27～33℃环境下运行），连续流稳定高效消化，后完成驯化的附着有阳极功能菌的微生物电极插入剩余污泥处理反应器，连续流电化学-生物耦合的剩余污泥处理反应器稳定高效运行，TS和VS平均去除率高达65.23%和68.39%。

连续流电化学-生物耦合的剩余污泥处理反应器所排放的消化液的氨氮浓度为721～968mg∙L^-1，COD浓度为812～921mg∙L^-1，该消化液进入消化液处理反应器(电极处于外置驯化培养产电功能菌状态（用消化液直接驯化），未置于消化液反应器内，消化液处理反应器处于单纯微氧颗粒污泥状态（反应器内下部为微氧环境，上部为厌氧环境），微氧曝气2000ml∙min^-1，33～35℃环境下运行)，HRT为6h，此阶段氨氮和COD去除率分别为21.3～35.6%和89.6～92.3%。后续将驯化成功的电极置于反应器内部，同时适当降低反应器底部曝气量（1000～1200ml∙min^-1），氨氮去除率逐步提高，5d时氨氮去除率提高至50%以上，10d时氨氮去除率提高至80%以上，20d后连续流电化学-生物耦合的消化液处理反应器氨氮去除率稳步保持在90%以上，COD去除率也保持在93.1～95.2%的高水平。

实施例4。

取山西正阳污水处理厂剩余污泥作为待处理剩余污泥，此剩余污泥的含固率为14.6%，TS=151.6g∙L^-1，VS=103.4g∙L^-1，VS/TS=0.68。

从高效稳定运行的处理城市生活污水的颗粒污泥反应器（EGSB反应器）内取颗粒污泥装填剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器。

微氧曝气保证FNA原位产生池内0.08mg∙L^-1 FNA（25℃、pH6.8），进入剩余污泥预处理反应4h（FNA对剩余污泥进行预处理），预处理后的剩余污泥进入电化学-生物耦合的剩余污泥处理反应器，连续流稳定高效处理，TS和VS平均去除率分别高达65.85%和68.92%。

连续流电化学-生物耦合的剩余污泥处理反应器所排放的消化液的氨氮浓度为706～932mg∙L^-1，COD浓度为786～913mg∙L^-1，该消化液进入电化学-生物耦合消化液处理反应器，HRT为6h，稳定高效运行，氨氮去除率稳步保持在90%以上，COD去除率也保持在94.6～96.2%的高水平。

Claims (10)

1.一种电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法，所述方法包括：

a、设置两个生物-电化学耦合反应器，分别作为剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器；两个反应器内均装填有颗粒污泥，与反应器内设置的电极耦合形成膨胀污泥床；其中，剩余污泥处理反应器的阳极设置在反应器下部，阴极设置在反应器上部，用于处理剩余污泥以产生处理后污泥和消化液；消化液处理反应器的阳极设置在反应器上部，阴极设置在反应器下部，用于处理消化液以产生处理水；

b、剩余污泥处理反应器产生的消化液一部分进入FNA原位产生池，控制FNA原位产生池内的溶解氧浓度为0.5～0.7mg∙L^-1，在微氧条件下反应得到含FNA处理水；

c、将剩余污泥与上述含FNA处理水在剩余污泥FNA预处理池内充分混合，FNA强化剩余污泥絮体结构和细胞壁的破解，得到FNA浓度0.06～0.15mg∙L^-1，pH值6.5～7.5的FNA预处理污泥；

d、剩余污泥处理反应器产生的消化液一部分进入曝气回流柱中，经充分曝气，得到曝气消化液；

e、将曝气消化液与FNA预处理污泥混合后，由剩余污泥处理反应器底部进入剩余污泥处理反应器，经膨胀污泥床被处理，形成的消化液一部分进入FNA原位产生池、一部分进入曝气回流柱，一部分由消化液处理反应器底部进入消化液处理反应器，产生的处理后污泥滞留在剩余污泥处理反应器中定期排出；

f、在消化液处理反应器的底部进行曝气，以供氧至设置在反应器下部的阴极位置，进入消化液处理反应器的消化液经膨胀污泥床处理，形成的处理水一部分回流至消化液处理反应器底部，一部分直接排放，且在单位时间内直接排放的处理水体积与进入消化液处理反应器的消化液体积相同；

以上过程连续进行。

2.根据权利要求1所述的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法，其特征是对剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器内氧化还原电位和溶解氧浓度进行监测，所述剩余污泥处理反应器内的氧化还原电位和溶解氧浓度分别控制在15～60mV和0～0.5mg∙L^-1，消化液处理反应器内阴极位置的氧化还原电位和溶解氧浓度分别控制在-10～10mV和0～0.2mg∙L^-1。

3.根据权利要求1所述的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理方法，其特征是所述剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器在33～35℃的中温条件下运行。

4.一种电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理装置，由以下处理单元连接组成：

a、一个用于贮存剩余污泥的污泥贮罐；

b、一个FNA原位产生池，通过FNA原位产生池进水管与剩余污泥处理反应器上的消化液出水口相连，接收来自于剩余污泥处理反应器的消化液；在所述FNA原位产生池内设置曝气装置，用于向池内适度供氧，使来自剩余污泥处理反应器的消化液在微氧条件下反应得到含FNA处理水；

c、一个剩余污泥FNA预处理池，分别与污泥贮罐和FNA原位产生池管路连接，用于接收来自FNA原位产生池的含FNA处理水，对由污泥贮罐进入的剩余污泥进行预处理以产生FNA预处理污泥；

d、一个剩余污泥处理反应器，反应器底部设置的污泥进口通过剩余污泥反应器进泥管与剩余污泥FNA预处理池连通，用于将FNA预处理污泥通入剩余污泥处理反应器中；

在所述剩余污泥处理反应器的中上部的内壁设置有突块将反应器分隔为反应区和沉淀区；在反应区内装填颗粒污泥，并设置由微氧阳极和厌氧阴极组成的电极系统，其中微氧阳极位于反应器下部、厌氧阴极位于反应器上部，以对进入反应器的FNA预处理污泥进行处理；三相分离装置设置在沉淀区，与突块一起用于反应器内的气液固分离；在沉淀区内设有出水槽，处理产生的消化液通过出水堰从沉淀区流至出水槽；消化液出水口设置在出水槽底部位置；

e、一个曝气回流柱，所述曝气回流柱连接在剩余污泥处理反应器的消化液出水口与污泥进口之间，用于将部分消化液曝气后返回剩余污泥处理反应器的底部，在所述曝气回流柱内设曝气装置，用于向曝气回流柱内适度供氧，以保证剩余污泥处理反应器内的微氧条件；

f、排泥管，设置在剩余污泥处理反应器的中下部，用于定期排出处理后污泥；

g、一个消化液处理反应器，通过连接在反应器中下部、阴极上部的消化液进水管与剩余污泥处理反应器上的消化液出水口连通，用于将剩余污泥处理反应器产生的消化液输送到消化液处理反应器中；

在所述消化液处理反应器的中上部的内壁设置有突块，底部设置有布水装置，将反应器自上而下分隔为沉淀区、反应区和曝气分配室；在反应区内装填颗粒污泥，并设置由微氧阴极和厌氧阳极组成的电极，其中微氧阴极位于反应器下部、厌氧阳极位于反应器上部，以对进入反应器的消化液进行处理；三相分离装置设置在沉淀区，与突块一起用于反应器内的气液固分离；在沉淀区内设有出水槽，处理水通过出水堰从沉淀区流至出水槽；曝气分配室内设有带有曝气孔的曝气管和用于均匀布气的填料， 用于供氧并均匀分配至设置在反应器底部的阴极位置；

h、出水管，设置在消化液处理反应器沉淀区的出水槽底部，用于排出处理水；

i、气体收集管，分别设置在剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器的顶部，连接在三相分离装置上方，用于收集剩余污泥和消化液处理过程中产生的气体。

5.根据权利要求4所述的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理装置，其特征是在所述剩余污泥处理反应器上设置第一污泥回流管，其出口位于反应器突块下方，进口位于微氧阳极下方，用于将剩余污泥处理反应器内上部的污泥回流至反应器最下部；在所述消化液处理反应器上设置第二污泥回流管，其出口位于反应器突块下方，进口位于微氧阴极上方，用于将消化液处理反应器内上部的污泥回流至反应器下方。

6.根据权利要求4所述的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理装置，其特征是在所述消化液处理反应器上还设置有出水回流管，所述出水回流管连接在出水管与消化液处理反应器底部之间，用于将一部分处理水回流至消化液处理反应器底部，进入曝气分配室中。

7.根据权利要求4所述的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理装置，其特征是所述曝气分配室内曝气管上的曝气孔对称设置在曝气管下方与中心线成45º角的位置。

8.根据权利要求7所述的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理装置，其特征是在剩余污泥处理反应器和消化液处理反应器的外部设置有保温夹套，通过在保温夹套中通入循环热水，用于给反应器加热并保温。

9.根据权利要求4所述的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理装置，其特征是所述剩余污泥处理反应器内的阳极为碳刷组合，设置在反应器下部；阴极为设置在反应器上部突块下方位置，并向反应区下部延伸的螺旋压缩的弹簧状铁碳。

10.根据权利要求4所述的电化学-生物耦合剩余污泥/消化液闭路处理装置，其特征是所述消化液处理反应器内的阳极为碳刷组合，设置在反应器上部，阴极为包裹在反应器内壁的不锈钢网，设置在反应器下部。

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