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高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫方法

發布時間:2020-1-3 11:55:49  中國污水處理工程網

  申請日2019.08.21

  公開(公告)日2019.11.29

  IPC分類號C12P3/00; C02F11/06; C02F11/02

  摘要

  本發明公開了一種高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,包括啟動微生物電解池,以污水處理廠剩余污泥為接種物,運行單室微生物電解池,富集陽極產電菌;使用堿溶液調理剩余污泥24h后,利用高級氧化技術處理調理污泥,得到預處理污泥;在常溫環境下,以預處理污泥為底物,運行單室微生物電解池,實現產氫等步驟。本發明利用新型高級氧化技術(PM/BS技術),通過高錳酸鉀與亞硫酸氫鈉在水中反應生成具有強氧化性的Mn(III)離子,調理剩余污泥,將污泥大分子有機物轉化為易于生物利用的可溶性小分子有機物,以提高剩余污泥的可生化性,促進微生物電解產氫效率。

  權利要求書

  1.高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,其特征在于,包括以下步驟:

  (1)、啟動微生物電解池,以污水處理廠剩余污泥為接種物,運行單室微生物電解池,富集陽極產電菌;

  (2)、使用堿溶液調理剩余污泥24h后,利用高級氧化技術處理調理污泥,得到預處理污泥;

  (3)、在常溫環境下,以預處理污泥為底物,運行單室微生物電解池,實現產氫。

  2.根據權利要求1所述的高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,其特征在于,所述步驟(1)中利用單室微生物電解池富集陽極產電菌,包括以下步驟:

  步驟一、將污水處理廠剩余污泥與溶液A按一定比例混合制得混合液B;

  步驟二、將上述混合液B加入單室微生物電解池;

  步驟三、常溫下,啟動單室微生物電解池,當單室微生物電解池電壓值不再升高時,更換溶液B;

  步驟四、重復上述步驟一到三,當單室微生物電解池最大電壓值重現2個周期時,反應器完成陽極產電菌的富集。

  3.根據權利要求1所述的高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,其特征在于:所述步驟(2)中堿溶液為NaOH溶液,濃度為4mol/L,加入NaOH溶液至剩余污泥pH值為11,在此條件下堿解24h。

  4.根據權利要求1所述的高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,其特征在于:所述步驟(2)中采用作為高級氧化技術的高錳酸鉀/亞硫酸氫鈉技術,操作步驟為:向堿解污泥中先投加亞硫酸氫鈉溶液,再投加高錳酸鉀溶液。

  5.根據權利要求4所述的高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,其特征在于:高錳酸鉀/亞硫酸氫鈉技術中采用的高錳酸鉀溶液濃度為0.5mol/L,亞硫酸氫鈉溶液濃度為2.5mol/L,高錳酸鉀和亞硫酸氫鈉液體體積比為1∶1,投加量為每升剩余污泥投加20mL高錳酸鉀和亞硫酸氫鈉溶液,常溫下反應10min,得到預處理污泥。

  6.根據權利要求1所述的一種高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,其特征在于:所述步驟(3)中實現剩余污泥產氫,包括以下步驟:取適量預處理污泥為底物,加入2.41gKH2PO4、7.35g KH2PO4·3H2O、0.31g NH4Cl、0.13g KCl、12.5mL混合液C和5mL混合液D,定容至1L,得混合液E;將混合液E投入步驟(1)完成陽極產電菌富集的單室微生物電解池中;在單室微生物電解池的兩極間串聯10Ω電阻,外加電壓0.5V,運行7-12d,完成產氫。

  7.根據權利要求1所述的高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,其特征在于:所采用的單室微生物電解池陽極材料為石墨纖維刷電極,陰極材料為碳布電極,石墨纖維刷電極和碳布電極在使用之前依次在丙酮、乙醇和純水中超聲清洗10min,之后在450℃下高溫熱處理30min。

  8.根據權利要求5所述的高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,其特征在于:所述步驟一中污水處理廠剩余污泥與溶液A的體積比為1∶2。

  9.根據權利要求2所述的高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,其特征在于:所述溶液A的成分為每升去離子水中包含:1.5g NaAc、2.4145g KH2PO4、7.3539g KH2PO4·3H2O、0.31g NH4Cl和0.13g KCl。

  10.根據權利要求6所述的高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,其特征在于:混合液C的成分為每升溶液中包含:1.5g三乙酸、3.0g MgSO4·7H2O、0.5gMnSO4·2H2O、1.0g NaCl、0.1g FeSO4·7H2O、0.1g CoCl2、0.1g CoCl2·2H2O、0.1g ZnSO4、0.01g CuSO4·5H2O、0.01g AlK(SO4)2、0.01g H3BO3、0.025g Na2MoO4和0.024g NiCl·6H2O;

  混合液D的成分為每升溶液中包含:2mg生物素、2mg葉酸、10mg維生素B6、5mg維生素B1、5mg維生素B2、5mg煙酸、5mg泛酸鈣、0.1mg維生素B12、5mg 4-氨基苯甲酸和5mg硫辛酸。

  說明書

  高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法

  技術領域

  本發明涉及剩余污泥處理技術領域,具體涉及一種高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法。

  背景技術

  隨著我國水環境治理和水污染防治力度加大,城鎮污水處理量日益增加,作為污水處理副產物的剩余污泥量越來越多。剩余污泥含水率高(99%左右),包含泥砂、纖維、膠體、有機質、微生物和金屬元素等。未經處理的剩余污泥對環境造成二次污染,成為環境保護的熱點問題。

  厭氧消化是現有剩余污泥處理技術,技術原理為厭氧菌在厭氧環境下利用污泥有機質,產生甲烷和氫氣等氣體。厭氧消化的工藝效率受到污泥有機物組成和含量等因素的影響,效率不高。微生物電解池(microbial electrolysis cell,MEC)是一項新型的生物電化學技術,利用產電微生物降解有機物,施加微小電壓即可實現產氫。

  污泥有機物被絮體包圍,常溫條件下剩余污泥的水解速率很慢,難以被微生物電解池中的產電菌利用。為改善微生物電解池處理污泥的性能和提高產氣效率,需要調理污泥泥質,通過破解、氧化剩余污泥,釋放胞內有機質,提高可生物降解的底物濃度。

  高級氧化技術通過化學反應生成具有強氧化性的活性自由基,氧化有機物。高錳酸鉀與亞硫酸氫鈉在水中反應生成Mn(III)離子,其對難以氧化的有機物具有較好的氧化效果。

  發明內容

  本發明的目的是解決現有微生物產氫技術存在的不足,提供一種高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,通過提高剩余污泥可生化性、增強產電菌對有機物的利用率,進而提高氫氣的產率。

  為了解決上述技術問題,本發明通過以下技術方案實現:

  高級氧化法和生物電化學法聯用促進剩余污泥產氫的方法,包括以下步驟:

  (1)、啟動微生物電解池,以污水處理廠剩余污泥為接種物,運行單室微生物電解池,富集陽極產電菌;

  (2)、使用堿溶液調理剩余污泥24h后,利用高級氧化技術處理調理污泥,得到預處理污泥;

  (3)、在常溫環境下,以預處理污泥為底物,運行單室微生物電解池,實現產氫。

  進一步地,所述步驟(1)中利用單室微生物電解池富集陽極產電菌,包括以下步驟:

  步驟一、將污水處理廠剩余污泥與溶液A按一定比例混合制得混合液B;

  步驟二、將上述混合液B加入單室微生物電解池;

  步驟三、常溫下,啟動單室微生物電解池,當單室微生物電解池電壓值不再升高時,更換溶液B;

  步驟四、重復上述步驟一到三,當單室微生物電解池最大電壓值重現2個周期時,反應器完成陽極產電菌的富集。

  進一步地,所述步驟(2)中堿溶液為Na0H溶液,濃度為4mol/L,加入Na0H溶液至剩余污泥pH值為11,在此條件下堿解24h。

  優選地,所述步驟(2)中采用作為高級氧化技術的高錳酸鉀/亞硫酸氫鈉技術,操作步驟為:向堿解污泥中先投加亞硫酸氫鈉溶液,再投加高錳酸鉀溶液。

  具體地,高錳酸鉀/亞硫酸氫鈉技術中采用的高錳酸鉀溶液濃度為0.5mol/L,亞硫酸氫鈉溶液濃度為2.5mol/L,高錳酸鉀和亞硫酸氫鈉液體體積比為1∶1,投加量為每升剩余污泥投加20mL高錳酸鉀和亞硫酸氫鈉溶液,常溫下反應10min,得到預處理污泥。

  進一步地,所述步驟(3)中實現剩余污泥產氫,包括以下步驟:取適量預處理污泥為底物,加入2.41gKH2PO4、7.35g KH2PO4·3H2O、0.31g NH4Cl、0.13g KCl、12.5mL混合液C和5mL混合液D,定容至1L,得混合液E;將混合液E投入步驟(1)完成陽極產電菌富集的單室微生物電解池中;在單室微生物電解池的兩極間串聯10Ω電阻,外加電壓0.5V,運行7-12d,完成產氫。

  優選地,所采用的單室微生物電解池陽極材料為石墨纖維刷電極,陰極材料為碳布電極,石墨纖維刷電極和碳布電極在使用之前依次在丙酮、乙醇和純水中超聲清洗10min,之后在450℃下高溫熱處理30min。

  優選地,所述步驟一中污水處理廠剩余污泥與溶液A的體積比為1∶2。

  優選地,所述溶液A的成分為每升去離子水中包含:1.5gNaAc、2.4145g KH2PO4、7.3539g KH2PO4·3H2O、0.31gNH4Cl和0.13g KCl。

  優選地,混合液C的成分為每升溶液中包含:1.5g三乙酸、3.0g MgSO4·7H2O、0.5gMnSO4·2H2O、1.0g NaCl、0.1g FeSO4·7H2O、0.1g CoCl2、0.1g CoCl2·2H2O、0.1g ZnSO4、0.01g CuSO4·5H2O、0.01g AlK(SO4)2、0.01g H3BO3、0.025g Na2MoO4和0.024g NiCl·6H2O;

  混合液D的成分為每升溶液中包含:2mg生物素、2mg葉酸、10mg維生素B6、5mg維生素B1、5mg維生素B2、5mg煙酸、5mg泛酸鈣、0.1mg維生素B12、5mg 4-氨基苯甲酸和5mg硫辛酸。

  與現有技術相比,本發明的有益效果是:

  與傳統氧化技術相比,本發明利用新型高級氧化技術(PM/BS技術),通過高錳酸鉀與亞硫酸氫鈉在水中反應生成具有強氧化性的Mn(III)離子,調理剩余污泥,將污泥大分子有機物轉化為易于生物利用的可溶性小分子有機物,以提高剩余污泥的可生化性,促進微生物電解產氫效率。

  本發明通過堿液破解剩余污泥,釋放污泥胞內、胞外生物有機質,提高污泥液相有機物濃度,促進后續產電微生物對有機物的降解及產氫。

  本發明采用單室微生物電解池直接啟動,即微生物電解池的啟動與運行均在同一個微生物電解池反應器中進行,操作簡便。

  PM/BS氧化技術與堿解聯合使用,促進了剩余污泥大分子有機物轉化為小分子揮發酸;與原泥(污水處理廠剩余污泥)相比,預處理污泥(即微生物電解池進泥)液相乙酸濃度增加39.47%、丙酸濃度增加71.29%。本發明實現了剩余污泥的穩定化、無害化和資源化。污泥液相Uv254指標去除率為74.10%,胞外生物有機質UV254指標去除率為49.50%,剩余污泥中腐殖質類大分子有機物以及含C=C雙鍵和C=0雙鍵的芳香族化合物得到有效降解。與污泥單獨微生物電解技術相比,本技術對于剩余污泥乙酸去除率從20.18%增加至60.45%,丙酸去除率從15.05%增加至85.77%;污泥的可生化性得到提高,微生物電解池產氫效率得到提升,氫氣產率為0.033-0.050m3H2/(m3·d),實現了污水廠剩余污泥的資源化。(發明人丁豪;胡凱;孫杏;許航;陳衛)

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