CN210825887U - 一种处理污泥重金属的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种处理污泥重金属的系统，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第一填料基质层、导电填料层、第二基质填料层、污泥层和水生植物，所述处理污泥重金属的系统还包括与导电填料层内的阳极圈层及污泥层内的阴极圈层外连电路形成闭合回路的微生物燃料电池。本实用新型将CW‑MFC系统用于污泥重金属的去除，在去除污泥重金属的同时，完成了污泥的减量化和稳定化，并具有产电效能。本实用新型在实现污泥重金属处理和污泥资源化上具有很重要理论和现实意义。

Description

一种处理污泥重金属的系统

技术领域

本实用新型属于污泥处理及其资源化利用技术领域，具体涉及一种处理污泥重金属的系统。

背景技术

随着我国城市进程化的加快，污水处理量日益增加，相应的污泥产量也大幅增多。城市污泥不仅有机质含量多，同时富集较多重金属元素，特别是Pb、Zn、Cu和Mn等常常超标，而且大多未进行无害化处理。污泥含有重金属严重影响了污泥的处理处置，还可能由于污泥重金属浸出造成对环境的二次污染。因此对城市污泥重金属的去除和资源化利用具有十分重要的现实意义。

有关污泥重金属的去除方法较多，其中常用的有物理、化学、生物去除法和植物修复技术。其中植物修复技术因其成本低、环境友好以及操作维护简单而越来越受到人们的重视。目前，植物修复技术多用于污水和土壤治理，对城市污泥重金属的研究甚少。近些年，国内外研究者尝试了多种方式去除污泥重金属和对污泥重金属修复，其中包括人工湿地系统和微生物燃料电池(MFC)系统，但CW-MFC的耦合系统却未用于污泥重金属修复和处理。

人工湿地(CW)由于自身的构造、基质以及植物的作用，使得CW内部系统的不同位置有着不同的氧化还原电位。人工湿地这种天然的氧化还原电势梯度，使得其可以改造成人工湿地微生物燃料电池系统(CW-MFC)，系统同时具有人工湿地和微生物燃料电池在污泥及其重金属处理方面的优势。可以预见，将人工湿地改造为人工湿地-微生物燃料电池系统后，保障了人工湿地处理污泥及其重金属功能外，增加了微生物燃料电池对重金属处理的作用，最终强化CW-MFC对污泥重金属的去除效果。将CW-MFC系统用于污泥重金属的去除，在去除污泥重金属的同时，也保证了污泥的资源化利用和系统的产电效能。

专利号CN201710422198，“一种去除铅、锌重金属的燃料电池型人工湿地”(孔明，张毅敏，孟瑞华等人)，选用铝制网作为阴极，可以置换出铅锌离子，且可以利用铅锌离子键断裂转化为电能，解决氢离子阴极氢离子浓度会降低的缺陷，使微生物燃料电池运行到后期可以产电。此发明应用于水处理领域，主要是为了处理含铅、锌重金属的酸液，所用污泥仅作为湿地基质填料使用，并不涉及处理。同时，该发明组成包括多级人工湿地，所占空间较大，腔室设置较为复杂。

实用新型内容

本实用新型旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本实用新型提供一种处理污泥重金属的系统，目的是利用人工湿地自身氧化还原电位的不同构成微生物燃料电池人工湿地，能同时实现去除污泥重金属、污泥有机污染物的目的。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种处理污泥重金属的系统，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第一填料基质层、导电填料层、第二基质填料层、污泥层和水生植物，所述处理污泥重金属的系统还包括与导电填料层内的阳极圈层及污泥层内的阴极圈层外连电路形成闭合回路的微生物燃料电池。

所述第一填料基质层包括鹅卵石层和设于鹅卵石层上的陶粒层。

所述导电填料层为活性炭层。

所述活性炭层中部设有第一承托网，所述阳极圈层为设于第一承托网上的阳极碳布，所述污泥层的中部设有第二承托网，所述阴极圈层为设于第二承托网上的阴极碳布。

所述第二基质填料层包括设于导电填料层上的细沙层。

所述鹅卵石层、陶粒层、活性炭层、细沙层和污泥层的厚度比为3：7:5:5:15-18。

所述人工湿地主体底部对应设置鹅卵石层的侧壁设有进样口，所述陶粒层的上侧壁设有营养液输入口。

所述污泥层的上侧壁及下侧壁均设有取样口，且两个取样口为异侧设置。

所述水生植物为黄菖蒲、凤眼莲、睡莲、芦苇、美人蕉中的一种或多种植物组合。

工作原理：以阳极微生物为催化剂，催化氧化阳极区域的有机物(如葡萄糖、乙酸钠等)产生质子和电子。其中部分电子被传递到阳极表面，后由阳极经外电路传递到阴极形成电流，质子由阳极区域直接经湿地基质传递到阴极区域。在阴极室内，氧化剂(O₂、重金属离子等)与质子发生反应得到还原产物。在此过程中，污泥中的重金属离子被还原为稳定的单质或更低价态的金属离子并富集于阴极，达到污泥无害化且便于资源化利用目标。此外，通过系统的植物吸收，基质吸附，物理沉淀等过程都会使污泥中重金属得到进一步去除。难降解的有机物在阳极室作为电子供体而被去除，电子在回路中不断产生、传递和消耗的过程中产生电能。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的处理污泥重金属的CW-MFC系统结构简单，处理重金属效果明显。利用人工湿地天然氧化还原电位梯度构建的微生物燃料电池系统与人工湿地系统功能耦合，经一个周期运行后，城市污泥重金属Pb、Zn和Cu的去除率分别达到76.58％，67.46％和73.28％，达到了很好的去除重金属的目的。

2、本实用新型采用下行式垂直流CW-MFC系统，利用污水处理厂厌氧池污泥进行接种，对污泥进行厌氧菌种驯化，保证阴极污泥重金属的去除效果和产电效能，也有利于污泥的资源化利用，达到以废治废的效果。

3、本实用新型系统维护简单，运行成本低，无需提供电能，处理后的污泥产物可以直接排放和资源化利用，环境友好，真正实现了社会、经济和环境效益的统一。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本实用新型的结构示意图。

图中标记为：

1、鹅卵石层，2、陶粒层，3、活性炭层，4、细沙层，5、污泥层，6、水生植物，7、阳极圈层，8、阴极圈层，9、电阻箱，10、进样口，11、营养液输入口，12、取样口。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本实用新型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实用新型的构思、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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对实用新型的限制。在下述的实施方式中，所述的“第一”、“第二”和“第三”并不代表结构和/或功能上的绝对区分关系，也不代表先后的执行顺序，而仅仅是为了描述的方便。

如图1所示，一种处理污泥重金属的系统，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第一填料基质层、导电填料层、第二基质填料层、污泥层5和水生植物6，该处理污泥重金属的系统还包括与导电填料层内的阳极圈层7及污泥层5内的阴极圈层8外连电路形成闭合回路的微生物燃料电池。电路包括铜导线和电阻箱9，阳极圈层和阴极圈层分别由铜导线接出并通过外电阻连接形成闭合回路。水生植物可为黄菖蒲、凤眼莲、睡莲、芦苇、美人蕉中的一种或多种植物组合。该处理污泥重金属的系统基于人工湿地系统天然的氧化还原梯度，同时在湿地厌氧区埋置阳极和在湿地好氧区埋置阴极，通过外接电路将阳极和阴极连接，并由厌氧区产电微生物催化氧化有机物的产电效应进行工作。

优选的，第一填料基质层包括鹅卵石层1和设于鹅卵石层1上的陶粒层2。导电填料层为活性炭层3。活性炭层3中部设有第一承托网，阳极圈层7为设于第一承托网上的阳极碳布，污泥层5的中部设有第二承托网，阴极圈层为设于第二承托网上的阴极碳布。阳极碳布与阴极碳布均为导电碳布。第二基质填料层包括设于活性炭层上的细沙层4。鹅卵石层、陶粒层、活性炭层、细沙层和污泥层的厚度比为3：7:5:5:15-18。通过此厚度配比的设置，能够保证系统稳定运行，且运行效果较好。

在人工湿地主体底部对应设置鹅卵石层的侧壁设有进样口10，便于加入厌氧污泥，陶粒层的上侧壁设有营养液输入口11，便于加入营养液，以便于加快系统的运行。污泥层的上侧壁及下侧壁均设有取样口12，且两个取样口为异侧设置，便于取样检测。

本实用新型提供的上述处理污泥重金属的CW-MFC系统，拟下行式垂直流人工湿地，从人工湿地主体底部进产电菌接种物、营养液，上部进含重金属污泥。

具体设置时，在CW-MFC系统中，在距底部2cm处设置MFC接种物，在距底部8cm处设置营养液输入口，营养液输入口、进样口均采用单向截止阀，阳极和阴极区域设置取样口，相邻取样口采用异侧设置，阳极和阴极分别由铜导线接出并通过外电阻连接形成闭合回路。第一填料基质层采用粒径为30-50mm的鹅卵石和粒径为3-10mm的陶粒填充，导电填料层采用粒径为1-3mm的活性炭颗粒，第二基质层采用粒径为0.5-1mm的细沙填充。鹅卵石层、陶粒层、活性炭层和细沙层的厚度分别为3cm、7cm、5cm和5cm。不锈钢网分别置于活性炭层的中间和污泥层的中间位置，用于放置导电碳布，以便于更好的富集有机污染物，固定阳极微生物，获得更大的电能输出。待处理的含重金属城市剩余污泥位于CW的污泥层，即超高层中。其中，污泥pH在6～8之间，高度范围为15-18cm。污泥层(超高层)置于植物的根系区，通过植物根部泌氧系统，使阴极区溶解氧增加，获得更明显的氧化还原电位。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。

采用上述处理污泥重金属的系统的工艺，包括以下步骤：

步骤一：CW-MFC系统构建：以下行式垂直流人工湿地结构为基础，在人工湿地主体内设置有鹅卵石层、陶粒层、活性炭层、阳极圈、细沙层、阴极圈、污泥层和植物。系统的营养液输入口、进样口均采用单向截止阀，防止进样过程中空气的进入和系统回流现象。取样口由橡胶管连接，用夹子固定保证良好的密封状态。阳极圈和阴极圈为导电碳布，接头处用环氧导电胶连接，分别由铜导线接出，并通过外电阻连接形成闭合回路。

步骤二：CW-MFC系统运行：以城镇污水处理厂的厌氧消化污泥为阳极产电菌接种物，恒温富集驯化产电菌以启动CW-MFC系统。从阳极营养液输入口定期注入定量的营养液，用于提高阳极的有机物含量，实现其稳定运行。同时保证水生植物的根系位于污泥层中，阴极碳布完全浸在污泥中。

步骤三：CW-MFC系统运行效果监测。运行正式启动后，定期从取样口取样，测定重金属含量、ORP、COD、TN、TP等指标，同时实时监控输出电压的情况，以此判定系统的运行状况和产电效能。

下面通过具体的实例进行说明：

实施例1

本实施例的一种处理污泥重金属的CW-MFC系统，系统的腔体由内径15cm，高40cm的有机玻璃制成，实验过程中第一基质层起承托作用，其中最底部的鹅卵石层可以防止进样口的堵塞和填料的流失。反应器距底部2cm处设置进样口，方便定时注入驯化培养的厌氧污泥，使反应尽快稳定运行，距柱口10cm处有取样口，定期对污泥取样，测定重金属浓度。

该A系统处理的重金属污泥采用模拟的适量浓度金属离子的城市污泥，采用的营养液(阳极有机物)为500mg/L的醋酸钠溶液，设置阴阳极间距为13cm，外接电阻为1000Ω，水生植物为水葫芦。在运行过程中，每天定时注入厌氧污泥，以3天为一周期对出水水质和污泥进行监测。人工湿地微生物燃料电池系统处理后的监测数据见表1。

表1 A系统的重金属去除率

如表1所示，经连续一个月的运行实验表明，该系统可以有效去除污泥中的重金属。同时还起到了去除阳极有机物的目的，COD去除率达到了83％，并且达到了很高的产电效果，系统的稳定输出电压大约为400mV。

实施例2

本实施例与实施例1的不同点在于，采用的营养液不同，该B系统将营养液(阳极有机物)替换为乙醇溶液，其他同实施例1，相同浓度的重金属离子，监测数据如表2所示，同时运行之后测定COD的去除率达80％，系统的稳定输出电压大约为360mV。

表2 B系统的总金属去除率

以上结合附图对本实用新型进行了示例性描述。显然，本实用新型具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本实用新型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，将本实用新型的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种处理污泥重金属的系统，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第一填料基质层、导电填料层、第二基质填料层、污泥层和水生植物，所述处理污泥重金属的系统还包括与导电填料层内的阳极圈层及污泥层内的阴极圈层外连电路形成闭合回路的微生物燃料电池。

2.根据权利要求1所述处理污泥重金属的系统，其特征在于，所述第一填料基质层包括鹅卵石层和设于鹅卵石层上的陶粒层。

3.根据权利要求2所述处理污泥重金属的系统，其特征在于，所述导电填料层为活性炭层。

4.根据权利要求3所述处理污泥重金属的系统，其特征在于，所述活性炭层中部设有第一承托网，所述阳极圈层为设于第一承托网上的阳极碳布，所述污泥层的中部设有第二承托网，所述阴极圈层为设于第二承托网上的阴极碳布。

5.根据权利要求3所述处理污泥重金属的系统，其特征在于，所述第二基质填料层包括设于导电填料层上的细沙层。

6.根据权利要求5所述处理污泥重金属的系统，其特征在于，所述鹅卵石层、陶粒层、活性炭层、细沙层和污泥层的厚度比为3：7:5:5:15-18。

7.根据权利要求2所述处理污泥重金属的系统，其特征在于，所述人工湿地主体底部对应设置鹅卵石层的侧壁设有进样口，所述陶粒层的上侧壁设有营养液输入口。

8.根据权利要求1所述处理污泥重金属的系统，其特征在于，所述污泥层的上侧壁及下侧壁均设有取样口，且两个取样口为异侧设置。

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