CN111362537B - 一种碱处理耦合单室微生物电化学系统的污泥处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种碱处理耦合单室微生物电化学系统的剩余污泥处理方法，包括污泥的碱处理、单室微生物电池的构建、耦合系统的构建；本发明利用碱预处理，改变了剩余污泥的物理结构，增加了溶液中的有机物浓度，有利于微生物的进一步降解，通过碱预处理和微生物电化学系统的耦合，提高了剩余污泥的降解效率。

Description

一种碱处理耦合单室微生物电化学系统的污泥处理方法
技术领域
本发明涉及一种碱处理耦合单室微生物电化学系统的污泥处理方法，属于污泥处理领域。
背景技术
剩余污泥是污水处理厂污水处理过程的副产品。污水处理厂每天不断产生大量剩余污泥，这部分污泥的处理费用占到了污水处理厂运营成本的25-60％。近年来，研究人员开始聚焦于使用微生物电化学系统处理剩余污泥，微生物电化学技术是一项有前途的固体废弃物和污水处理技术，处理污染物的同时能产生可再生能量，该技术拥有较高的挥发性悬浮物的去除效率，在污泥处理领域显示出较好的应用前景。此外，微生物电化学系统在通过氧化污泥中的有机物来回收能源的同时，实现剩余污泥的稳定化和减量化。剩余污泥含有高浓度的有机物，主要成分为蛋白质和碳水化合物。但是由于剩余污泥中成分的复杂性，剩余污泥在微生物电化学系统中水解速率较为缓慢，因此剩余污泥中有机质的利用效率较低。
据报道，对剩余污泥进行碱预处理可以增加可溶性化学需氧量，从而显著提高微生物电化学系统后续微生物处理过程的效率。剩余污泥的碱预处理可以通过分解细胞膜和增加有机物的微生物利用率来提高剩余污泥降解效率。另外，增大碱度和反应时间可以使污泥释放出更多的可溶性有机物。但是，预处理无法实现对剩余污泥的完全分解。
发明内容
针对微生物电化学系统和碱处理在剩余污泥降解方面存在的两方面问题，本发明耦合剩余污泥的碱处理系统和污泥的微生物电化学降解系统，通过优势互补，强化剩余污泥降解处理的效果，并且测定了其电流密度，实现电能回收。
本发明提供一种碱处理耦合单室微生物电化学系统的剩余污泥处理方法，它的主要内容包括(1)污泥的碱处理；(2)单室微生物电池的构建；(3)碱处理和微生物电化学处理耦合系统的构建，具体步骤如下：
(1)污泥的碱处理：通过碱处理池污泥投放口加入剩余污泥，不断搅拌的同时，将碱性溶液添加到碱处理池中，调节pH值为7-12后静置；
(2)单室微生物电池的构建：取污水处理厂二沉池中的原始污泥(含有成熟生长的菌株)，接种到单室微生物电池腔体中，从物料口泵入乙酸钠溶液搅拌反应9-12小时后，便可以完成反应器的启动，并正常运行一周时间，每两天通过泵取出所有上清液，并加入等量的乙酸钠溶液补充并搅拌30分钟，实现持续的污水降解和产电；
(3)碱处理和微生物电化学处理耦合系统的构建：利用泵将步骤(1)中经过碱处理的剩余污泥导入调节池中，将pH值调节为中性；再利用泵将中性的剩余污泥导入步骤(2)的单室微生物电池的腔体内搅拌混匀，并监测单室微生物电池活性炭空气阴极和阳极之间外部电阻两端的电压，当电压低于50mV时，利用泵将单室微生物电池的腔体内的污泥泵出，加入新的二沉池污泥，重复步骤(1)-(3)，进入下一个污泥处理周期。
步骤(1)碱性溶液为浓度为1-2mol/L的NaOH溶液。
步骤(1)静置14-17小时。
步骤(2)乙酸钠溶液的浓度为1-2g/L，原始污泥与乙酸钠溶液的质量体积比mg:mL为 9-11:1。
步骤(2)单室微生物电池包括腔体、阳极、外部电阻、活性炭空气阴极，依次用钛丝连接阳极、外部电阻、活性炭空气阴极；活性炭空气阴极的催化层和阳极浸没在单室微生物电池腔体内部污泥中；所述阳极是石墨电刷，固定在腔体的顶部；活性炭空气阴极采用辊压法制备，制备过程如下：将活性炭与聚四氟乙烯(PTFE)以质量比6:1的比例混合于酒精中，在超声中混匀，辊压于不锈钢网表面层厚0.4-0.6mm，制得催化层；将炭黑与聚四氟乙烯(PTFE)以质量比3:7的比例混合于酒精中，在超声中混匀，辊压于不锈钢网表面层厚0.4-0.6mm，制得气体扩散层，活性炭空气阴极的气体扩散层放置在单室微生物电池腔体外的空气侧，催化层放置在单室微生物电池腔体内侧，催化层和气体扩散层组成得活性炭空气阴极；单室微生物电池腔体顶部设有菌株接种口、物料口，内部设置搅拌器，底部设有污泥排放口。
步骤(3)中性剩余污泥与步骤(2)污水处理厂二沉池中的原始污泥的质量比为9-11:1。
所述碱处理池、调节池、单室微生物电池依次用泵连接；碱处理池顶部还设有污泥投放口、碱处理池酸碱调节口，内部设置搅拌器、pH计；调节池顶部设有调节池酸碱调节口，内部设置搅拌器、pH计。
本发明的优点在于：
1、本发明利用碱预处理，改变了剩余污泥的物理结构，增加了溶液中的有机物浓度，有利于微生物的进一步降解。
2、本发明通过碱预处理和微生物电化学系统的耦合，提高了剩余污泥的降解效率。
附图说明
图1为剩余污泥碱处理和微生物电化学处理耦合系统的结构示意图；
图2为实施例1-3和对比例中总化学需氧量去除率(A)和可溶性化学需氧量去除率(B)；
图3为实施例1-3步骤(1)碱处理后剩余污泥的扫描电镜图(其中A为实施案例1污泥，B 为实施案例2污泥，C为实施案例3污泥)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明实施例中所用到的装置，图1所示，包括碱处理池、调节池、单室微生物电池、pH 计若干、泵若干，碱处理池、调节池、单室微生物电池间通过泵连接，碱处理池顶部还设有污泥投放口、碱处理池酸碱调节口，内部设置搅拌器、pH计；调节池顶部设有调节池酸碱调节口，内部设置搅拌器、pH计；单室微生物电池包括腔体、阳极、外部电阻、活性炭空气阴极，单室微生物电池腔体顶部设有菌株接种口、物料口，内部设置搅拌器，底部设有污泥排放口；使用塑料腔(4cm×4cm×4cm)构建单室微生物电池的腔体，用钛丝依次连接阳极、外部电阻、活性炭空气阴极，外部电阻两侧连接电压计；活性炭空气阴极的催化层和阳极浸没在单室微生物电池腔体内部污泥中；阳极是石墨电刷，长3cm，直径3cm，固定在腔体的顶部；活性炭空气阴极采用辊压法制备，催化层和气体扩散层等大，截面为矩形，长3cm，宽2cm，制备过程如下：将活性炭与聚四氟乙烯(PTFE)以质量比6:1的比例混合于酒精中，在超声中混匀，辊压于不锈钢网表面层厚0.4-0.6mm，制得催化层；将炭黑与聚四氟乙烯(PTFE)以质量比 3:7的比例混合于酒精中，在超声中混匀，辊压于不锈钢网表面层厚0.4-0.6mm，制得气体扩散层，活性炭空气阴极的气体扩散层放置在单室微生物电池腔体外的空气侧，催化层放置在单室微生物电池腔体内侧浸没在单室微生物电池腔体内部污泥中，催化层和气体扩散层组成得活性炭空气阴极。
实施例1
一种碱处理耦合单室微生物电化学系统的污泥处理方法，具体步骤如下：
(1)污泥的碱处理：采集污水处理厂的剩余污泥样品，将1000mg剩余污泥由碱处理池污泥投放口导入碱处理池，通过pH计测定pH值，原始剩余污泥的pH值约为6.5，在搅拌器不断搅拌的同时，通过碱处理池酸碱调节口加入NaOH(2mol/L)将剩余污泥的pH值调整为12，静置在室温下保存14小时；
(2)单室微生物电池的构建：取100mg污水处理厂二沉池中的原始污泥(含有成熟生长的菌株)，从菌株接种口接种到单室微生物电池中，按照原始污泥与乙酸钠溶液的质量体积比mg:mL为9:1的比例，从物料口泵入浓度为2g/L的乙酸钠溶液搅拌反应9小时，便可以完成反应器的启动，并正常运行一周时间，每两天通过泵取出所有上清液，并加入等量的浓度为2g/L的乙酸钠溶液补充并搅拌30分钟，实现持续的污水降解和产电；
(3)碱处理和微生物电化学处理耦合系统的构建：由泵将碱处理池中静置后的剩余污泥全部泵入调节池，通过调节池酸碱调节口加入适量HCl(2mol/L)将处理后的剩余污泥的pH 值调节至约7；
将调节池中中性剩余污泥导入步骤(2)已正常运行的单室微生物电池的腔体内，搅拌30 分钟混匀，实现持续的污水降解和产电，添加剩余污泥后，监测外部电阻两端的电压，可以在大约0.5天内检测到最高稳定值为400mV左右的电压，pH值为12的污泥的电流密度为 500mA/cm2，当电压低于50mV时，再利用泵将单室微生物电池反应器腔体内的污泥从污泥排放口泵出，重复步骤(1)-(3)，进入下一个污泥处理周期。
实施例2
一种碱处理耦合单室微生物电化学系统的污泥处理方法，具体步骤如下：
(1)污泥的碱处理：采集污水处理厂的剩余污泥样品，将1000mg剩余污泥由碱处理池污泥投放口导入碱处理池，通过pH计测定pH值，原始剩余污泥的pH值约为6.5，在搅拌器不断搅拌的同时，通过碱处理池酸碱调节口加入NaOH(1.5mol/L)将剩余污泥的pH值调整为10，静置在室温下保存15小时；
(2)单室微生物电池的构建：取90mg污水处理厂二沉池中的原始污泥(含有成熟生长的菌株)，从菌株接种口接种到单室微生物电池中，按照原始污泥与乙酸钠溶液的质量体积比mg:mL为11:1的比例，从物料口泵入浓度为1.5g/L的乙酸钠溶液搅拌反应10小时后，便可以完成反应器的启动，并正常运行一周时间，每两天通过泵取出所有上清液，并加入等量的浓度为1.5g/L的乙酸钠溶液补充并搅拌30分钟，实现持续的污水降解和产电；
(3)碱处理和微生物电化学处理耦合系统的构建：由泵将碱处理池中静置后的剩余污泥全部泵入调节池，通过调节池酸碱调节口加入适量HCl(2mol/L)将处理后的剩余污泥的pH 值调节至约7；
将调节池中中性剩余污泥导入步骤(2)已正常运行的单室微生物电池的腔体内，搅拌30 分钟混匀，实现持续的污水降解和产电，添加剩余污泥后，监测外部电阻两端的电压，可以在大约0.5天内检测到最高稳定值为350mV左右的电压，pH值为10的污泥的电流密度为 400mA/cm2，当电压低于50mV时，再利用泵将单室微生物电池反应器腔体内的污泥从污泥排放口泵出，重复步骤(1)-(3)，进入下一个污泥处理周期。
实施例3
一种碱处理耦合单室微生物电化学系统的污泥处理方法，具体步骤如下：
(1)污泥的碱处理：采集污水处理厂的剩余污泥样品，将1000mg剩余污泥由碱处理池污泥投放口导入碱处理池，通过pH计测定pH值，原始剩余污泥的pH值约为6.5，在搅拌器不断搅拌的同时，通过碱处理池酸碱调节口加入NaOH(1mol/L)将剩余污泥的pH值调整为7，静置在室温下保存16小时；
(2)单室微生物电池的构建：取110mg污水处理厂二沉池中的原始污泥(含有成熟生长的菌株)，从菌株接种口接种到单室微生物电池中，按照原始污泥与乙酸钠溶液的质量体积比mg:mL为10:1的比例，从物料口泵入浓度为1g/L的乙酸钠溶液搅拌反应11小时后，便可以完成反应器的启动，并正常运行一周时间，每两天通过泵取出所有上清液，并加入等量的浓度为1g/L的乙酸钠溶液补充并搅拌30分钟，实现持续的污水降解和产电；
(3)碱处理和微生物电化学处理耦合系统的构建：由泵将碱处理池中静置后的剩余污泥全部泵入调节池，通过调节池酸碱调节口加入适量HCl(2mol/L)将处理后的剩余污泥的pH 值调节至约7；
将调节池中中性剩余污泥导入步骤(2)已正常运行的单室微生物电池的腔体内，搅拌30 分钟混匀，实现持续的污水降解和产电，添加剩余污泥后，监测外部电阻两端的电压，可以在大约0.5天内检测到最高稳定值为160mV左右的电压，pH值为7的污泥的电流密度为 200mA/cm2，当电压低于50mV时，再利用泵将单室微生物电池反应器腔体内的污泥从污泥排放口泵出，重复步骤(1)-(3)，进入下一个污泥处理周期。
对比例
一种碱处理耦合单室微生物电化学系统的污泥处理方法，具体步骤如下：
(1)污泥的碱处理：采集污水处理厂的剩余污泥样品，将1000mg剩余污泥由碱处理池污泥投放口导入碱处理池，通过pH计测定pH，原始剩余污泥的pH值约为6.5，静置在室温下保存14小时；
(2)单室微生物电池的构建：取100mg污水处理厂二沉池中的原始污泥(含有成熟生长的菌株)，接种到单室微生物电池中，按照原始污泥与乙酸钠溶液的质量体积比mg:mL为9:1 的比例，从物料口泵入浓度为2g/L的乙酸钠溶液反应12小时后，便可以完成反应器的启动，并正常运行一周时间，每两天通过泵取出所有上清液，并加入等量的浓度为2g/L的乙酸钠溶液补充并搅拌30分钟，实现持续的污水降解和产电；
(3)碱处理和微生物电化学处理耦合系统的构建：由泵将碱处理池中未经碱处理静置后的剩余污泥全部泵入调节池，通过调节池酸碱调节口加入适量NaOH(2mol/L)将处理后的剩余污泥的pH值调节至约7；
将调节池中中性剩余污泥导入步骤(2)已正常运行的单室微生物电池的腔体内，搅拌30 分钟混匀，实现持续的污水降解和产电，添加剩余污泥后，监测外部电阻两端的电压，可以在大约0.5天内检测到最高稳定值为105mV左右的电压，pH值为6.5的未经碱处理污泥的电流密度为100mA/cm2，当电压低于50mV时，再利用泵将单室微生物电池反应器腔体内的污泥从污泥排放口泵出，重复步骤(1)-(3)，进入下一个污泥处理周期。
对比实施例1、2、3和对比例，可以看出，对比例没有经过碱处理的剩余污泥的产电量低于实施例1、2、3经过碱处理的。
化学需氧量的减少是反映污泥减少效果的特征之一，图2为实施例1-3和对比例中总化学需氧量去除率(A)和可溶性化学需氧量去除率(B)，实施例1(pH＝12)污泥总化学需氧量去除率和可溶性化学需氧量去除率分别为46％和81％，实施例2(pH＝10)污泥总化学需氧量去除率和可溶性化学需氧量去除率分别为35％和74％，实施例3(pH＝7)污泥总化学需氧量去除率和可溶性化学需氧量去除率分别为7％和45％；对比例(pH＝6.5，原始污泥未做处理) 污泥总化学需氧量去除率和可溶性化学需氧量去除率分别为3％和28％，可见未经过碱处理的体系总化学需氧量去除率和可溶性化学需氧量去除率均低于前三个实施例碱处理的体系。
图3为实施例1-3中步骤(1)碱处理后剩余污泥的扫描电镜图(其中A为实施案例1中污泥，B为实施案例2中污泥，C为实施案例3中污泥，实施例1碱预处理后的剩余污泥的扫描电镜图(图3A)中几乎没有发现完整细胞，表明碱处理可以破坏细菌细胞，改变剩余污泥的物理结构；实施例2碱预处理后的剩余污泥的扫描电镜图(图3B)中几乎没有发现完整细胞，表明碱处理可以破坏细菌细胞，改变剩余污泥的物理结构，但是改变没有实施例1明显；实施例3碱预处理后的污泥的扫描电镜图(图3C)中发现部分完整细胞，表明pH值为7碱处理只破坏了部分细菌细胞，改变了部分污泥的物理结构；通过比较可知随着污泥碱处理pH 值的增大，污泥中细菌细胞破坏程度加剧，同时微生物电池污泥反应堆的最大电压明显增高，污泥的产电流密度也显著提高，在这项研究中经过碱处理的系统获得的稳定电压远高于未经过碱处理的系统，表明该碱处理耦合单室微生物电化学系统具有更高的能量回收效率。

Claims (1)

1.一种碱处理耦合单室微生物电化学系统的污泥处理方法，具体步骤如下：
（1）污泥的碱处理：采集污水处理厂的剩余污泥样品，将1000mg剩余污泥由碱处理池污泥投放口导入碱处理池，通过pH计测定pH值，原始剩余污泥的pH值为6.5，在搅拌器不断搅拌的同时，通过碱处理池酸碱调节口加入浓度为2mol/L 的NaOH溶液，将剩余污泥的pH值调整为12，静置在室温下保存14小时；
（2）单室微生物电池的构建：取100mg污水处理厂二沉池中的原始污泥，从菌株接种口接种到单室微生物电池中，按照原始污泥与乙酸钠溶液的质量体积比mg:mL为9:1的比例，从物料口泵入浓度为2g/L的乙酸钠溶液搅拌反应9小时，完成反应器的启动，并正常运行一周时间，每两天通过泵取出所有上清液，加入等量的浓度为2g/L的乙酸钠溶液补充并搅拌30分钟，实现持续的污水降解和产电；
（3）碱处理和微生物电化学处理耦合系统的构建：由泵将碱处理池中静置后的剩余污泥全部泵入调节池，通过调节池酸碱调节口加入浓度为2mol/L 的HCl，将处理后的剩余污泥的pH值调节至7；
将调节池中中性剩余污泥导入步骤（2）已正常运行的单室微生物电池的腔体内，搅拌30分钟混匀，实现持续的污水降解和产电，添加剩余污泥后，监测外部电阻两端的电压，在0.5天内检测到最高稳定值为400mV的电压，pH值为12的污泥的电流密度为500mA/cm2，当电压低于50mV时，再利用泵将单室微生物电池反应器腔体内的污泥从污泥排放口泵出，重复步骤（1）-（3），进入下一个污泥处理周期。
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碱处理污泥为底物的微生物燃料电池产电特性;王慧勇等;《中国给水排水》;20120401;第28卷(第7期);第6页第1.1-1.5节 *

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