申请日2014.12.05
公开(公告)日2015.04.01
IPC分类号C02F11/04; C02F11/00
摘要
微生物电解两段式污泥厌氧消化装置及利用该装置产甲烷的方法，它涉及一种改进的两段式厌氧消化装置及污泥产甲烷的方法。本发明为了解决现有剩余污泥厌氧消化工艺中存在的发酵周期长、甲烷产率低、生物质降解利用困难的技术问题。微生物电解两段式污泥厌氧消化装置，由连续搅拌式产酸反应器和微生物电催化辅助的升流式产甲烷反应器组成，本方法如下：微生物催化电解单元的启动;剩余污泥发酵产酸;产甲烷;本发明剩余污泥的处理过程产酸阶段只需5～8天，产甲烷阶段采用连续流操作，水力停留时间可以降低到1天以下，采用本发明的装置和方法可以大大缩短污泥厌氧消化的操作周期。本发明属于污泥厌氧消化的领域。
摘要附图
权利要求书
1.微生物电解两段式污泥厌氧消化装置，由连续搅拌式产酸反应器(1)和微生物电 催化辅助的升流式产甲烷反应器(2)组成，微生物电催化辅助的升流式产甲烷反应器(2) 从上到下由出气口B(23)、三相分离器(22)、出液口B(24)、反应器主体(32)、微孔 布水板(28)、排渣口(30)、进液口B(18)、温控电阻丝(19)、温控温度探头(29)、和 底座(31)构成，温控电阻丝(19)缠绕于反应器主体(32)的外表面，其特征在于所述 反应器主体(32)侧面设有取样口1(20-1)、取样口2(20-2)和取样口3(20-3)，非生 物阴极(25)与外接电源(21)负极连接，微生物阳极(26)与外接电源(21)正极连接， 形成闭合回路，非生物阴极(25)、微生物阳极(26)和外接电源(21)构成微生物催化电 解单元(27)，温控电阻丝(19)及温控温度探头(29)分别与温控仪连接。
2.根据权利要求1所述微生物电解两段式污泥厌氧消化装置，其特征在于所述微生物 阳极(26)的材料为碳纤维刷、碳棒、板状石墨。
3.根据权利要求1所述微生物电解两段式污泥厌氧消化装置，其特征在于所述非生物 阴极(25)的材料为不锈钢网、碳纤维、碳纸、碳布。
4.根据权利要求1所述微生物电解两段式污泥厌氧消化装置，其特征在于距离反应器 主体(32)顶端1/2～1/3高度处设有非生物阴极(25)和微生物阳极(26)。
5.根据权利要求1所述微生物电解两段式污泥厌氧消化装置，其特征在于所述微生物 阳极(26)位于反应器主体(32)的中心线上，非生物阴极(25)环绕微生物阳极(26) 贴于反应器主体(32)的内壁上。
6.根据权利要求1所述微生物电解两段式污泥厌氧消化装置，其特征在于所述完全混 合式产酸反应器(1)与微生物电催化辅助的升流式产甲烷反应器(2)的容积比例为8～10:1。
7.利用权利要求1所述微生物电解两段式污泥厌氧消化装置产甲烷的方法，其特征在 于利用微生物电解两段式污泥厌氧消化装置产甲烷的方法如下：
一、微生物催化电解单元(27)的启动：
以阳极营养液为底物，然后将微生物电解电池反应器阳极出水加入至反应器主体(32) 体积的5%～8%，外加0.8V外电压，连续运行至微生物阳极(26)电势低于-300mV，完成 启动;
二、剩余污泥发酵产酸：
以剩余污泥作为连续搅拌式产酸反应器(1)进料，首次启动连续搅拌式产酸反应器(1) 时，充满剩余污泥后，静态发酵10天，作为发酵种泥的驯化过程，然后每天取出完全混合 式产酸反应器(1)有效容积1/8的发酵污泥，并泵入等量新鲜剩余污泥，将所取发酵污泥 经离心实现固液分离后，收集上清液，作为剩余污泥酸化发酵液;
三、由进料泵将步骤二中所得的剩余污泥酸化发酵液由进液口B(18)泵入微生物电 催化辅助的升流式产甲烷反应器(2)，控制微生物电催化辅助的升流式产甲烷反应器(2) 温度为35～37℃，微生物催化电解单元(27)的两端施加0.6～0.9V外电压，水利停留时间 24h，得到甲烷;
步骤一中所述阳极营养液由乙酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化铵、氯化钾、wolfe 微量元素液和wolfe矿质元素液组成，阳极营养液中乙酸钠浓度为1g/L，磷酸二氢钠浓度 为5.618g/L，磷酸氢二钠浓度为6.155g/L，氯化铵浓度为0.31g/L，氯化钾浓度为0.13g/L， wolfe微量元素液浓度为1ml/L，wolfe矿质元素液浓度为1ml/L。
8.根据权利要求7所述利用微生物电解两段式污泥厌氧消化装置产甲烷的方法，其特 征在于步骤二中所述经过浓缩过筛的剩余污泥有机固体浓度为10g/L～16g/L，pH值为 9.5～10.5。
9.根据权利要求7或8所述利用微生物电解两段式污泥厌氧消化装置产甲烷的方法， 其特征在于步骤三中微生物催化电解单元(27)的两端施加0.8V外电压。
10.根据权利要求7或8所述利用微生物电解两段式污泥厌氧消化装置产甲烷的方法， 其特征在于步骤三中控制微生物电催化辅助的升流式产甲烷反应器(2)温度为36℃。
说明书
微生物电解两段式污泥厌氧消化装置及利用该装置产甲烷的方法
技术领域
本发明涉及一种改进的两段式厌氧消化装置及污泥产甲烷的方法。
背景技术
随着城市污水处理厂建设力度的逐步加大，作为污水处理伴生产物的剩余污泥产量也 在迅速增加，然而我国目前污泥处理处置设施建设严重落后，剩余污泥引起的环境问题日 渐突出，因而如何实现剩余污泥的减量化和资源化成为环境领域广受关注的问题。厌氧消 化工艺是目前最为可行的污泥处理方法之一，厌氧消化工艺具有处理效果好、消化污泥脱 水性能好、可伴随产生高能沼气、工艺整体能耗低等优点，但由于污泥的特殊性质，现有 污泥厌氧发酵工艺普遍存在着污泥絮体破壁困难、水解速率慢、污泥有机质利用率和甲烷 回收率低，工艺周期长的问题。
两相厌氧发酵技术在高浓度有机废水和牲畜粪便领域得到了较为广泛的应用，因其将 发酵过程生物相分离，使得复杂的厌氧过程更易于生理、生态调控，可有效提高原料转化 效率和产气率，特别是以UASB、EGSB为代表的新型高速厌氧消化反应器可以大大提高 产气效果，缩短运行周期。但由于剩余污泥固体物限制及所含各种抑制物质干扰，目前两 相厌氧技术在污泥处理领域还鲜有应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有剩余污泥厌氧消化工艺中存在的发酵周期长、甲烷产率 低、生物质降解利用困难的技术问题，提供了一种微生物电解两段式污泥厌氧消化装置及 利用该装置产甲烷的方法。
生物电解两段式污泥厌氧消化装置，由连续搅拌式产酸反应器和微生物电催化辅助的 升流式产甲烷反应器组成，微生物电催化辅助的升流式产甲烷反应器从上到下由出气口 B、三相分离器、出液口B、反应器主体、微孔布水板、排渣口、进液口B、温控电阻丝、 温控温度探头、和底座构成，温控电阻丝缠绕于反应器主体的外表面，所述反应器主体侧 面设有取样口1、取样口2和取样口3，非生物阴极与外接电源负极连接，微生物阳极与 外接电源正极连接，形成闭合回路，非生物阴极、微生物阳极和外接电源构成微生物催化 电解单元，温控电阻丝及温控温度探头分别与温控仪连接。
所述微生物阳极的材料为碳纤维刷、碳棒、板状石墨。
所述非生物阴极的材料为不锈钢网、碳纤维、碳纸、碳布。
距离反应器主体顶端1/2～1/3高度处设有非生物阴极和微生物阳极。
所述微生物阳极位于反应器主体的中心线上，非生物阴极环绕微生物阳极贴于反应器 主体的内壁上。
所述连续搅拌式产酸反应器与微生物电催化辅助的-升流式产甲烷反应器的容积比例 为8～10:1。
利用微生物电解两段式污泥厌氧消化装置产甲烷的方法如下：
一、微生物催化电解单元的启动：
以阳极营养液为底物，然后将微生物电解电池反应器阳极出水加入至反应器主体体积 的5%～8%，外加0.8V外电压，连续运行至微生物阳极电势低于-300mV，完成启动;
二、剩余污泥发酵产酸：
以经过浓缩过筛的剩余污泥作为连续搅拌式产酸反应器进料，首次启动连续搅拌式产 酸反应器时，充满经过浓缩过筛的剩余污泥后，静态发酵10天，作为发酵种泥的驯化过 程，然后每天取出连续搅拌式产酸反应器有效容积1/8的发酵污泥，并泵入等量新鲜污泥， 将所取发酵污泥经离心实现固液分离后，收集上清液，作为剩余污泥酸化发酵液;
三、由进料泵将步骤二中所得的剩余污泥酸化发酵液由进液口B泵入微生物电催化 辅助的升流式产甲烷反应器，控制微生物电催化辅助的升流式产甲烷反应器温度为 35～37℃，微生物催化电解单元的两端施加0.6～0.9V外电压，水利停留时间24h，得到甲 烷;
步骤一中所述阳极营养液由乙酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化铵、氯化钾、 wolfe微量元素液和wolfe矿质元素液组成，阳极营养液中乙酸钠浓度为1g/L，磷酸二氢 钠浓度为5.618g/L，磷酸氢二钠浓度为6.155g/L，氯化铵浓度为0.31g/L，氯化钾浓度为 0.13g/L，wolfe微量元素液浓度为1ml/L，wolfe矿质元素液浓度为1ml/L。
步骤二中所述经过浓缩过筛的剩余污泥有机固体浓度为10g/L～16g/L，pH值为 9.5～10.5。
本发明针对剩余污泥性质开发了剩余污泥两段式厌氧消化产甲烷的新型装置，并提出 了利用该装置进行产甲烷的方法，本发明装置将剩余污泥产酸和产甲烷过程进行了生物相 分离，从而可以分别针对两个阶段的功能菌群提供相应的最适条件，特别是污泥产酸阶段， 可以施加较为强烈的处理条件(如强碱性环境)，从而提高污泥微生物的破壁效果，释放 更多有机质，提高污泥发酵的挥发酸产量，在产甲烷反应器中添加微生物电催化单元辅助 厌氧消化过程，微生物阳极可以进一步利用污泥发酵液中的有机底物回收电子，提高有机 污染物的利用去除率，同时电子在外电压作用下输送到阴极，与氢离子结合，释放氢气， 为体系中嗜氢型产甲烷菌提供了底物，有助于提高反应器的产甲烷速率，并且由于微生物 电催化单元阴极具有还原作用，可以辅助还原去除污泥发酵液中可能存在的金属离子、难 降解有机物等多种抑制物，提高反应体系的稳定性，另外，本发明所述采用该装置进行污 泥厌氧消化产甲烷的方法剩余污泥的处理过程产酸阶段只需5～8天，产甲烷阶段采用连 续流操作，水力停留时间可以降低到1天以下，而传统剩余污泥厌氧消化过程往往需要 20～30天，因而采用本发明的装置和方法可以大大缩短污泥厌氧消化的操作周期，有助于 实现剩余污泥的快速高效资源化。