申请日2015.12.08
公开(公告)日2017.10.24
IPC分类号C02F11/00; C02F11/04; C02F11/02; C02F9/14
摘要
本发明的目的是为了处理剩余污泥，以污泥减量化、无害化、资源化为目标，提供一种预处理‑EGSB‑微生物电化学联合的剩余污泥降解装置及方法，属于剩余污泥资源化与减量化技术领域。该装置包括破碎‑厌氧联合预处理器、EGSB厌氧处理器、微生物电化学反应器和气体收集器。该方法将污泥在厌氧污泥中进行厌氧消化和破碎，使污泥悬浊液中的固体颗粒物破碎并部分溶于水相，形成含有一定污泥固体颗粒的高浓度有机废水;预处理的污泥再被EGSB厌氧处理器的厌氧颗粒污泥降解，最后经微生物电化学进一步降解。本发明使污泥中的水分符合排放标准，有机物则以CO2、CH4、H2等气体形式释放，有效提高剩余污泥减量化、资源化效率，同时达到无害化的目的。
摘要附图
权利要求书
1.一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置，其特征在于，包括破碎-厌氧联合预处理器、EGSB厌氧处理器、微生物电化学反应器和气体收集器;
所述破碎-厌氧联合预处理器由厌氧反应器和破碎设备组成;
破碎-厌氧联合预处理器与EGSB厌氧处理器连接，微生物电化学反应器位于EGSB厌氧处理器内部，EGSB厌氧处理器与气体收集器连接;
利用上述的装置的预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解方法，包括如下步骤：
(1)破碎-厌氧联合预处理
剩余污泥输入破碎-厌氧联合预处理器，利用厌氧反应器内的厌氧污泥对剩余污泥进行短时间厌氧消化，杀死剩余污泥中的大量好氧微生物，改变污泥的性质，降低污泥的破解难度;同时利用破碎设备的破碎作用分散污泥菌胶团，打破细菌细胞，分解大分子物质;最终使污泥悬浊液一部分固体颗粒物溶于水相，形成含有污泥固体颗粒的高浓度有机废水;
(2)EGSB厌氧处理
将预处理后的剩余污泥由底部通入EGSB厌氧处理器中，使处理器器内部形成上升的液流;处理器中的厌氧颗粒污泥使预处理后的污泥中的固体颗粒不断降解，液相中的高浓度有机物在厌氧颗粒污泥中产气菌的作用下，转变为CO2、CH4、H2气体;未被降解的污泥固体颗粒被回流至步骤(1)的破碎-厌氧联合预处理器进行厌氧消化和破碎;
(3)微生物电化学处理
经EGSB厌氧处理后形成的有机废水仍然含有一定浓度的有机物，再通过微生物电化学反应器进行处理：
a.当有机废水和消化产生的气体随上升的液流上升通过MEC反应器的阳极和阴极碳刷构成的三相分离器时，未被降解的污泥固体颗粒无法通过而下沉;液体中的有机物被MEC快速降解产生氢气，同时增加了厌氧降解速率，降低了出水有机物含量;气体成分穿过碳刷逸出，由气体收集器收集;
或者，
b.当有机废水和消化产生的气体随上升的液流上升通过MFC反应器的阳极和阴极碳刷构成的三相分离器时，未被降解的污泥固体颗粒无法通过而下沉;液体中的有机物被MFC快速降解转化为电能，同时增加了厌氧降解速率，降低了出水有机物含量;气体成分穿过碳刷逸出，由气体收集器收集;
经过微生物电化学处理后的水从出水口外排，部分外排的水通过回水口由EGSB厌氧处理器底部进入处理器，为处理器内部提供上升的液流。
2.根据权利要求1所述的一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置，其特征在于，所述破碎设备为超声波设备、机械匀浆设备或高压喷射设备。
3.根据权利要求1所述的一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置，其特征在于，所述厌氧反应器上设有进料口、出料口和回料口;EGSB厌氧处理器设有进浆口、出浆口、出泥口、出水口、回水口和排气口;回水口通过三通管道与出水口连接;破碎-厌氧联合预处理器的出料口和回料口分别与EGSB厌氧处理器的进浆口和出浆口通过管道连接，形成两路管道;排气口为EGSB厌氧处理器与气体收集器的连接口。
4.根据权利要求1所述的一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置，其特征在于，所述微生物电化学反应器为MEC反应器或MFC反应器。
5.根据权利要求1所述的一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置，其特征在于，所述厌氧反应器与EGSB厌氧处理器的体积比为1：1.5-3;微生物电化学反应器的阴阳两极位于EGSB厌氧处理器高度的1/2-4/5处，反应器的电极碳纤维充满所在位置的EGSB厌氧处理器内腔，形成三相分离器。
6.根据权利要求1所述的一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置，其特征在于，所述步骤(1)中，剩余污泥的浓度为8-20g/L;剩余污泥与厌氧污泥质量之比为2-3:1;污泥停留时间为5~7d。
7.根据权利要求1所述的一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置，其特征在于，所述产气菌为甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌。
8.根据权利要求1所述的一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置，其特征在于，厌氧罐至EGSB厌氧处理器流速与EGSB厌氧处理器至厌氧罐流速之比为5:3~4.5;EGSB厌氧处理器中微生物电化学处理阶段上升的液流流速为厌氧罐至EGSB厌氧处理器流速的10%~30%。
9.根据权利要求1所述的一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置，其特征在于，所述EGSB厌氧处理器中液体pH为6.5~7.5;EGSB厌氧处理器中膨胀后的厌氧颗粒污泥为处理器体积的1/3~1/2。
说明书
预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置及方法
技术领域
本发明属于剩余污泥资源化与减量化技术领域，特别涉及一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置及方法。
背景技术
随着城镇污水处理事业的不断发展，剩余污泥总量迅速增加;由于剩余污泥中含有大量微生物、悬浮物等有机物，若得不到妥善的处理与处置，会对环境产生二次污染。据不完全统计，我国污泥年产生量3000多万吨，并以每年15%的速度递增，污泥处理形势十分严峻。因此，剩余污泥的有效处理已成为了急需解决的一大难题，开发出高效的有工程推广价值的污泥处理技术具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题，并以污泥减量化、无害化、资源化为目标，提供一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置及方法。本发明有机组合现有物理及生物技术实现剩余污泥的高效处理，即采用破碎-厌氧联合的预处理技术，膨胀颗粒污泥床(EGSB)技术，微生物电解池(MEC)或生物燃料电池(MFC)等技术，组成一套针对剩余污泥的高效处理装置及方法。该方法首先将剩余污泥在厌氧污泥中进行厌氧消化和破碎，使污泥悬浊液中的固体颗粒物破碎并部分的溶于水相，形成含有污泥固体颗粒的高浓度有机废水;高浓度有机废水被EGSB的厌氧颗粒污泥降解，未降解的污泥固体颗粒被回流至超声-厌氧反应区;EGSB降解后的高浓度有机废水经微生物电化学进一步降解。本发明使污泥中的水分符合排放标准，部分有机物则以CO2、CH4、H2等气体形式释放，较大程度的提高剩余污泥减量化、资源化效率，同时达到无害化的目的。
一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置，包括破碎-厌氧联合预处理器、EGSB厌氧处理器、微生物电化学反应器和气体收集器;
破碎-厌氧联合预处理器与EGSB厌氧处理器连接，微生物电化学反应器位于EGSB厌氧处理器内部，EGSB厌氧处理器与气体收集器连接;并且，破碎-厌氧联合预处理器与EGSB厌氧处理器间有两路管道连接;
其中，破碎-厌氧联合预处理器由厌氧反应器和破碎设备组成，破碎设备可以为超声波设备、机械匀浆设备、高压喷射设备等;破碎设备可以根据需要设置在厌氧反应器内部或外部;
厌氧反应器上设有进料口、出料口和回料口;EGSB厌氧处理器上设有进浆口、出浆口、出泥口、出水口、回水口和排气口，进浆口和出浆口分别与厌氧反应器的出料口和回料口通过管道连接，可以实现处理物料的双向流通;回水口通过三通管道与出水口连接;排气口为EGSB厌氧处理器与气体收集器的连接口;
微生物电化学反应器为MEC反应器或MFC反应器;
厌氧反应器与EGSB厌氧处理器的体积比为1：1.5～3;微生物电化学反应器的阴阳两极分布于EGSB厌氧处理器高度的1/2-4/5处，反应器电极碳纤维充满所在位置的处理器内腔，同时兼作三相分离器，起到三相分离器的功能。
一种预处理-EGSB-微生物电化学联合的剩余污泥降解方法，利用了上述的装置，包括如下步骤：
(1)破碎-厌氧联合预处理
剩余污泥由厌氧反应器上的进料口输入破碎-厌氧联合预处理器，利用厌氧反应器内的厌氧污泥对剩余污泥进行短时间厌氧消化，杀死活性污泥中的大量好氧微生物，改变污泥的性质，降低污泥的破解难度;同时利用破碎设备的超声波、机械匀浆、高压喷射的作用分散污泥菌胶团，打破细菌细胞，分解大分子物质;最终使污泥悬浊液一部分固体颗粒物溶于水相，形成含有污泥固体颗粒的高浓度有机废水;
(2)EGSB厌氧处理
将预处理后的剩余污泥由底部通入EGSB厌氧处理器中，使处理器器内部形成上升的液流;处理器中的厌氧颗粒污泥使预处理后的污泥中的固体颗粒不断降解，液相中的高浓度有机物在厌氧颗粒污泥中甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌的作用下，转变为CO2、CH4、H2等气体;未被降解的污泥固体颗粒被回流至步骤(1)的破碎-厌氧联合预处理器进行厌氧消化和破碎;
由于EGSB厌氧处理器中的厌氧颗粒污泥在处理过程中会逐渐生长变大，因此，需要定期对处理器进行排泥处理，排出的厌氧颗粒污泥中有机物含量为20%-35%，以无机污泥及颗粒污泥为主;
(3)微生物电化学处理
EGSB厌氧处理后形成的有机废水仍然含有一定浓度的有机物，再通过微生物电化学反应器进行处理：
a.当有机废水和消化产生的气体随上升的液流上升通过MEC反应器的阳极和阴极碳刷构成的三相分离器时，未被降解的污泥固体颗粒无法通过而下沉，液体中的有机物被MEC快速降解，MEC阳极上的生物膜降解有机物并将电子从细胞内转移到了细胞外，在外电路电势差作用下到达阴极与质子结合产生氢气，从而增加了厌氧降解速率，降低了出水有机物含量，气体成分穿过碳刷逸出，由气体收集器收集;
b.当有机废水和消化产生的气体随上升的液流上升通过MFC反应器的阳极和阴极碳刷构成的三相分离器时，未被降解的污泥固体颗粒无法通过而下沉，液体中的有机物被MFC快速降解，MFC反应器是借助微生物的催化作用，将有机物中的化学能转化为电能，该装置在产生电能的同时增加了厌氧降解速率，降低了出水有机物含量，气体成分穿过碳刷逸出，由气体收集器收集;
经过微生物电化学处理后的水从出水口外排，经检测，出水COD≤50mg/L;部分外排的水通过回水口由EGSB厌氧处理器底部进入处理器，为处理器内部提供上升的液流;
在上述方法的步骤(2)和步骤(3)中，预处理后的剩余污泥由EGSB厌氧处理器底部进入处理器，会在处理器中形成上升的液流;同时，部分经装置处理后外排的水可以通过回水口由EGSB厌氧处理器底部进入处理器，也会在处理器中形成上升的液流;通过控制上升液流在微生物电化学处理阶段的流速，能够实现EGSB厌氧处理器下端进行厌氧颗粒污泥降解，上端进行微生物电化学降解，中间未被降解的污泥固体颗粒回流至破碎-厌氧联合预处理器的平衡;
上述方法是一个持续动态的过程，即装置运行后，剩余污泥不断的输入装置中，经过处理后，不断的输出CO2、CH4、H2等气体、达标的水以及电能。
上述方法中，剩余污泥的浓度为8-20g/L;剩余污泥与厌氧污泥质量之比为2-3:1;污泥停留时间为5～7d;
超声波频率为20-28KHZ，每次超声时间为0.5～1h，两次超声的时间间隔为1～8h;
匀浆的搅拌速度为8000～12000rpm，每次匀浆时间为10～30min，两次匀浆的时间间隔为1～8h;
高压喷射压力为10～50MPa，每次循环2～5次，两次喷射的时间间隔为1～8h;
厌氧罐至EGSB厌氧处理器流速与EGSB厌氧处理器至厌氧罐流速之比为5:3～4.5;厌氧罐与EGSB厌氧处理器的体积比为1:1.5～3;
EGSB厌氧处理器中，膨胀后的厌氧颗粒污泥为处理器体积的1/3～1/2，处理器中pH为6.5～7.5;EGSB厌氧处理器中微生物电化学处理阶段的上升流流速为厌氧罐至EGSB厌氧处理器流速的10%～30%。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)相对于传统污泥预处理方法，该方法通过厌氧消化，可以有效改变污泥的性质，降低污泥的破解难度，提升超声空化的效能，提高污泥的破解效率;较少的使用化学药剂，调节后续厌氧反应的pH，较大的促进了厌氧反应的进行。
(2)相对于EGSB处理高浓度废水，该方法可以高效的降解剩余污泥等固体物质，出水水质较好，效率更高。
(3)相对于MEC处理高浓度废水，该方法可以高效的降解剩余污泥等固体物质，处理成本更低，出水水质较好，效率更高。
(4)该工艺具有各种单一方法的共同优点且协同作用较好，可以产生H2和CH4等可以作为化工原料或燃料的气体，较大程度的减少污泥中有害微生物等有机物的含量，是一种针对剩余污泥的资源化、无害化、减量化高效处理工艺。