一種提高脫水污泥腐熟度的生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置及其啟動運(yùn)行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及厭氧堆肥裝置及其啟動運(yùn)行方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，污水處理量迅速增加，污水處理過程中產(chǎn)生的污泥量不斷增加，未經(jīng)處理的污泥具有含水率高，有機(jī)物含量高，同時(shí)含有大量的生物化學(xué)有毒有害物質(zhì)，若直接排入環(huán)境會極大的危害，因此如何高效，迅速，經(jīng)濟(jì)的處理污泥已經(jīng)成為環(huán)境領(lǐng)域的難題。污水處理廠的剩余污泥經(jīng)過脫水間的脫水處理后產(chǎn)生的污泥即為脫水污泥。目前，脫水污泥的處理處置方法有焚燒、填埋、消化、堆肥等。其中脫水污泥的堆肥方法是將脫水污泥在不通氣的條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，得到的堆肥產(chǎn)物可用于作為土壤改良劑或肥料，是一種有利于污泥可持續(xù)利用的工藝。公開號為CN103172423A的中國專利公開了一種高效厭氧堆肥反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括反應(yīng)室系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)，反應(yīng)室系統(tǒng)中的反應(yīng)室為設(shè)有水夾套的密封容器，反應(yīng)室頂蓋中心設(shè)有取樣管和旋轉(zhuǎn)閥；反應(yīng)器外壁采用水夾套的結(jié)構(gòu)來維持反應(yīng)器的恒溫。但是該反應(yīng)器堆肥進(jìn)度緩慢、周期長，腐熟效果差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的厭氧堆肥法的堆肥進(jìn)度慢，周期長，腐熟效果差的技術(shù)問題，而提供一種提高脫水污泥腐熟度的生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置及其啟動運(yùn)行方法。
[0004]本發(fā)明的提高脫水污泥腐熟度的生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置，包括厭氧堆肥室、電化學(xué)極室和貯電或用電器，厭氧堆肥室位于反應(yīng)器中心，是由內(nèi)殼圍繞的空間形成，電化學(xué)極室是由反應(yīng)器的外殼與內(nèi)殼之間的空間形成；厭氧堆肥室的內(nèi)殼的側(cè)壁為質(zhì)子交換膜，在厭氧堆肥室中設(shè)置第一石墨刷電極作為輔助厭氧堆肥電極，第一石墨刷電極上附著電化學(xué)活性菌，厭氧堆肥室中還設(shè)置有參比電極和測溫探頭，在厭氧堆肥室的頂部設(shè)有集氣口 ；電化學(xué)極室內(nèi)設(shè)置至少一個(gè)第二石墨刷電極作為電化學(xué)電極，在電化學(xué)極室內(nèi)添加由K3[Fe(CN)6]與KH2POd^混合而成的電極液；厭氧堆肥室中的第一石墨刷電極與電化學(xué)極室內(nèi)的第二石墨刷電極用銅導(dǎo)線連接成閉合回路，該回路中設(shè)外接貯電或用電器。
[0005]本發(fā)明采用內(nèi)外室結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為厭氧堆肥室，其內(nèi)利用脫水污泥進(jìn)行厭氧堆肥，外部為電化學(xué)極室，厭氧堆肥室與電化學(xué)極室通過離子交換膜隔開，內(nèi)外室結(jié)構(gòu)有利于厭氧堆肥室內(nèi)的質(zhì)子快速傳導(dǎo)到電化學(xué)極室；厭氧堆肥室內(nèi)的脫水污泥中含有多種類有機(jī)物，復(fù)雜有機(jī)物在厭氧條件下經(jīng)水解酸化過程形成簡單可溶性有機(jī)物，簡單有機(jī)物被附著于第一石墨刷電極1-2上的電化學(xué)活性菌利用，在代謝過程中產(chǎn)生電子經(jīng)電極傳導(dǎo)于電化學(xué)極室內(nèi)的第二石墨刷電極2-2，在電化學(xué)極室內(nèi)被電極液2-3參加化學(xué)反應(yīng)，用銅導(dǎo)線將第一石墨刷電極與第二石墨刷電極及外接的貯電或用電器3接成閉合回路，將產(chǎn)生的電能加以利用。
[0006]本發(fā)明為生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥系統(tǒng)，引入電化學(xué)活性菌，借助電化學(xué)過程強(qiáng)化了脫水污泥厭氧堆肥的礦化作用，加快厭氧堆肥進(jìn)程，可在一定程度上縮短厭氧堆肥周期，提高脫水污泥厭氧堆肥腐熟度，同時(shí)本發(fā)明不僅不消耗能源，反而產(chǎn)生能源，可回收電能，與現(xiàn)有的通過厭氧消化等消耗能源的污泥處理方法相比較，是較大的進(jìn)步。
[0007]通過以脫水污泥為堆肥原料、鐵氰化鉀為電化學(xué)電極液的生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥系統(tǒng)，對比相同條件下的厭氧堆肥系統(tǒng)，35天后生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥系統(tǒng)中污泥TOC去除率可達(dá)到23.6%，高于普通厭氧堆肥系統(tǒng)中污泥TOC去除率(19.3% )，證明生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥系統(tǒng)加快了厭氧堆肥進(jìn)程；通過模糊評價(jià)方法，對比兩系統(tǒng)堆肥產(chǎn)物的附屬度，結(jié)果表明生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥系統(tǒng)的一級腐熟隸屬度(0.64)高于厭氧堆肥系統(tǒng)的一級腐熟隸屬度(0.46)，證明生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥系統(tǒng)可以提高脫水污泥的厭氧堆肥腐熟度。
【附圖說明】
[0008]圖1是提高脫水污泥腐熟度的生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖；其中I為厭氧堆肥室、1-1為內(nèi)殼、1-2為第一石墨刷電極、1-3為參比電極、1-4為測溫探頭；2為電化學(xué)極室、2-1為外殼、2-2為第二石墨刷電極、2-3為電極液、3為IC電或用電器。
[0009]圖2是實(shí)施例1中提高脫水污泥腐熟度的生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖；其中4為加熱電纜，5為保溫箱。
【具體實(shí)施方式】
[0010]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的提高脫水污泥腐熟度的生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置，包括厭氧堆肥室1、電化學(xué)極室2和貯電或用電器3，厭氧堆肥室I位于中心，是由內(nèi)殼1-1圍繞的空間形成，電化學(xué)極室2是由外殼2-1與內(nèi)殼1-1之間的空間形成；厭氧堆肥室I的內(nèi)殼1-1的側(cè)壁為質(zhì)子交換膜，在厭氧堆肥室I中設(shè)置第一石墨刷電極1-2作為輔助厭氧堆肥電極，第一石墨刷電極1-2上附著電化學(xué)活性菌，在厭氧堆肥室I中還設(shè)置有參比電極1-3和測溫探頭1-4，在厭氧堆肥室I的頂部設(shè)有集氣口 1-5 ;電化學(xué)極室2內(nèi)設(shè)置至少一個(gè)第二石墨刷電極2-2作為電化學(xué)電極，在電化學(xué)極室2內(nèi)添加由K3 [Fe (CN)6]與KH2POd^混合而成的電極液2-3 ;厭氧堆肥室中的第一石墨刷電極1-2與電化學(xué)極室內(nèi)的第二石墨刷電極2-2用銅導(dǎo)線連接成閉合回路，該回路中設(shè)外接貯電或用電器3。
[0011]本實(shí)施方式中參比電極同反應(yīng)器的陽極和陰極共同連接至電壓采集器中，用來監(jiān)視電化學(xué)產(chǎn)能情況。
[0012]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是所述的第二石墨刷電極2-2可設(shè)置2?5支，并聯(lián)使用。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0013]并聯(lián)電極的設(shè)置，有利于提高環(huán)形電化學(xué)極室2的電子傳遞效率，提升生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置的產(chǎn)電能力。
[0014]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是在外殼2-1外部圍繞固定加熱電纜4、并放置在保溫箱5中。其他與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0015]根據(jù)系統(tǒng)的溫度控制需要，利用加熱電纜4及保溫箱5，便于對系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制。
[0016]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是電化學(xué)極室內(nèi)K3[Fe (CN)6]的濃度為100?1000mM/L，KH2PO4濃度200?2000mM/L。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0017]【具體實(shí)施方式】五:【具體實(shí)施方式】一所述的提高脫水污泥腐熟度的生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置的啟動過程(即電化學(xué)活性菌的富集過程)如下:
[0018]脫水污泥作為堆肥原料使用，原料中含有輔助堆肥需要的電化學(xué)活性菌，要先通過馴化使電化學(xué)活性菌生長于厭氧堆肥室內(nèi)的第一石墨刷電極上，形成穩(wěn)定的生物膜，即電化學(xué)活性菌(Proteobacteria, Chloroflexi, Chlorobi, Planctomycetes, Deferribacteres等)的富集過程；電化學(xué)極室和厭氧堆肥室經(jīng)過若干周期的運(yùn)行，均形成穩(wěn)定的電勢，該過程即為生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置的啟動過程。具體步驟是:將剩余污泥、脫水污泥置于自然條件下升至室溫后，將剩余污泥、脫水污泥一起投入?yún)捬醵逊适襂中進(jìn)行接種，剩余污泥與脫水污泥的體積比為1:1，再將厭氧堆肥室I排除空氣后密封，以確保厭氧環(huán)境；向電化學(xué)極室內(nèi)加入鐵氰化鉀化學(xué)電極液，鐵氰化鉀化學(xué)電極液是按濃度為100?1000mmol/L的K3 [Fe (CN)6]和濃度為200?2000mmol/L的KH2PO4配制而成的；每培養(yǎng)3?5天，用新的電極液更換電化學(xué)極室內(nèi)的電極液，用新的剩余污泥與脫水污泥的混合物更換厭氧堆肥室I中的底物，每次更換時(shí)逐漸提高電極液的濃度及混合物中脫水污泥的比例，培養(yǎng)至電壓采集器的電勢變化量小于5%，即電勢穩(wěn)定，此時(shí)完成電化學(xué)活性菌的富集過程，視為生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置啟動成功。
[0019]【具體實(shí)施方式】六:【具體實(shí)施方式】一所述的提高脫水污泥腐熟度的生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置的運(yùn)行過程如下:
[0020]將脫水污泥投入啟動好的厭氧堆肥裝置中，將厭氧堆肥室I排除空氣后密封；電化學(xué)極室2內(nèi)投加鐵氰化鉀化學(xué)電極液，該鐵氰化鉀化學(xué)電極液是按K3 [Fe (CN)6]濃度為100?1000mmol/L、KH2P04濃度為200?2000mmol/L配制而成的；培養(yǎng)35?40天后，完成厭氧堆肥過程。
[0021]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】六不同的是培養(yǎng)時(shí)保持厭氧堆肥裝置的溫度為30?45°C，其他與【具體實(shí)施方式】六相同。
[0022]用以下試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
[0023]實(shí)施例1
[0024]本實(shí)施例的提高脫水污泥腐熟度的生物電化學(xué)輔助厭氧堆肥裝置，包括厭氧堆肥室1、電化學(xué)極室2和貯電或