申请日2018.07.19
公开(公告)日2018.12.18
IPC分类号C02F11/00; C02F11/02
摘要
本发明公开了一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，包括以下步骤：1)废碱渣预处理污泥：首先向废碱渣中加入表面活性剂，使其扩散均匀得到悬浊液;然后将悬浊液静置沉淀，取上层表液过滤得到预备液后，不断加入污泥中直至混合液pH大于12，静置;最后用酸溶液将污泥pH调节至7;2)将步骤1)废碱渣预处理后的污泥作为底物置于微生物燃料电池中反应处理。本发明将废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥，不仅提高了微生物燃料电池的产电性能，而且使废物资源化，实现了综合绿色发展。
权利要求书
1.一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)废碱渣预处理污泥：首先向废碱渣中加入表面活性剂，使其扩散均匀得到悬浊液;然后将悬浊液静置沉淀，取上层表液过滤得到预备液后，不断加入污泥中直至混合液pH大于12，静置;最后用酸溶液将污泥pH调节至7;
2)将步骤1)废碱渣预处理后的污泥作为底物置于微生物燃料电池反应器中反应处理。
2.根据权利要求1所述的一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，其特征在于，所述表面活性剂为油酸钠、油酸、聚氧乙烯月桂醚Brij30、十二烷基聚乙二醇醚Brij35、十二烷基苯磺酸钠C12E8中任意一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，其特征在于，所述表面活性剂的投加量为1-50g/kgTSS。
4.根据权利要求1所述的一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，其特征在于，所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，其特征在于，所述步骤2)的微生物燃料电池反应器采用双室构型，包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜，阳极室的碳毡阴极和阴极室内的碳毡阴极通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻。
6.根据权利要求5所述的一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，其特征在于，所述步骤2)是将废碱渣预处理后的污泥作为底物置于微生物燃料电池阳极反应器中反应处理。
7.根据权利要求5所述的一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，其特征在于，所述双室微生物燃料电池反应器构型的大小为12 cm×12 cm×18 cm，所述阴、阳极碳毡的尺寸大小为4 cm×5 cm×0.3 cm。
8.根据权利要求5所述的一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，其特征在于，所述质子交换膜的大小为10 cm2，所述外电阻大小为1000Ω。
9.根据权利要求5所述的一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，其特征在于，所述阴、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在320-350℃加热20-30 min。
10.根据权利要求1所述的一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，其特征在于，所述质子交换膜在使用前，先置于20-30℃质量百分浓度为0.5-1%的无水乙醇溶液中浸泡1-2 h，冲洗后放入70-80℃质量百分浓度为5-10%的双氧水溶液中浸泡2-3 h，最后用超纯水洗涤3-5次后备用。
说明书
一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法
技术领域
本发明涉及污泥的预处理方法，具体地涉及一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，进而提高微生物燃料电池的产电性能以及微生物燃料电池阳极厌氧降解有机物的效率。
背景技术
随着能源需求的日益增长，化石燃料不断枯竭、环境问题加速凸显成为阻碍经济发展的一大难题，因此，越来越多的目光转向了清洁能源以及可持续能源的开发与生产上。最近，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)成为了具有很大前景的可持续发展技术，因为其在降解有机物的同时，还伴随着电力的输出，为废水中有机底物的直接转化电能提供了新的途径。
张源凯等指出，剩余污泥中含有大量的污染物，这些污染物如果得不到妥善处理，会对环境造成严重的二次污染。为了使有机物更易于微生物的降解，因此，需要对污泥进行一定的预处理，破坏细胞壁使有机质融出，改变有机物的可利用性，增强生物可降解性，减少污泥量的积累。现行的预处理方法中，如热处理、碱处理、微波消解等均可改善微生物燃料电池中污泥的水解性能，提高产电效率。
XIAO等研究发现，通过碱处理可以提高污泥的发电量，电压可从0.28～0.31V增至0.41～0.43V;后XIAO等研究表明，以碱处理污泥作为阳极底物，微生物燃料电池最大输出电压可达0.52V，电功率密度可达55.88mW/m2。此外，碱处理还可以促进阳极室中大部分可溶性有机物(蛋白质和碳水化合物)的降解，降低污泥浓度、减少污泥质量。而碱渣作为化工生产工艺的废弃材料，含水率在60%～70%，且由于其粒度小、比表面大、粒子带负电荷，具有溶胶等性质，可以在一定程度上提高反应的活性。于是在微生物燃料电池中，利用碱渣预处理污泥，不仅降低了资源能耗，而且增强了生物可溶性，提高了污泥的产电性能，实现了综合绿色发展。
公开号为CN 104671627A的中国专利提供了一种利用碱处理促进污泥中雌激素壬基酚厌氧降解的方法，该方法包括以下步骤：向厌氧反应器中加入含有雌激素壬基酚的污泥，调节污泥厌氧发酵pH值为碱性，通过加入表面活性剂，控制发酵温度，搅拌使反应体系混合均匀。该方法只说明pH值为8.0-10.0，并未指出用何种碱性溶液调节，而本发明提出使用废碱渣调节pH，节约试剂能耗的同时，提高了剩余污泥的水解性能。公开号为CN104724896 A的中国专利提供了一种利用碱处理促进污泥中雌激素壬基酚厌氧降解的方法，该方法同样是向厌氧反应器中加入含有雌激素壬基酚的污泥，调节污泥厌氧发酵pH值为碱性，控制发酵温度。该方法碱处理污泥时，并未加入表面活性剂，没有使得污泥的混合溶液分散均匀，而本发明通过加入表面活性剂，使得废碱渣和污泥混合后扩散均匀，一定程度上提高了碱渣处理的效率。公开号为CN 104099374 A的中国专利提出了一种稻草秸秆碱处理与剩余污泥混合消化产沼气的方法，该方法是将经氢氧化钠溶液预处理后的秸秆和剩余污泥混合作为混合底物，再接种产甲烷污泥，在厌氧环境中混合消化产沼气，所使用的碱为氢氧化钠，相比于本发明，材料耗费较为昂贵，效率较低。
发明内容
发明目的：为克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，提高了微生物燃料电池的产电性能以及微生物燃料电池阳极厌氧降解有机物的效率。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，包括以下步骤：
1)废碱渣预处理污泥：首先向废碱渣中加入表面活性剂，使其扩散均匀得到悬浊液;然后将悬浊液静置沉淀，取上层表液过滤得到预备液后，不断加入污泥中直至混合液pH大于12，静置;最后用酸溶液将污泥pH调节至7;
2)将步骤1)废碱渣预处理后的污泥作为底物置于微生物燃料电池反应器中反应处理。
其中，所述表面活性剂为油酸钠、油酸、聚氧乙烯月桂醚Brij30、十二烷基聚乙二醇醚Brij35、十二烷基苯磺酸钠C12E8中任意一种或几种的混合物。
其中，优选地，所述表面活性剂的投加量为1-50g/kgTSS。
其中，优选地，所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的任意一种。
其中，所述步骤2)的微生物燃料电池反应器采用双室构型，包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜，阳极室的碳毡阴极和阴极室内的碳毡阴极通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻。
其中，所述步骤2)是将废碱渣预处理后的污泥作为底物置于微生物燃料电池阳极反应器中反应处理。
其中，所述双室微生物燃料电池反应器构型的大小为12cm×12cm×18cm，所述阴、阳极碳毡的尺寸大小为4cm×5cm×0.3cm。
其中，所述质子交换膜的大小为10cm2，所述外电阻大小为1000Ω。
其中，所述阴、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在320-350℃加热20-30min。
其中，所述质子交换膜在使用前，先置于20-30℃质量百分浓度为0.5-1%的无水乙醇溶液中浸泡1-2h，冲洗后放入70-80℃质量百分浓度为5-10%的双氧水溶液中浸泡2-3h，最后用超纯水洗涤3-5次后备用。
有益效果：相对于现有技术，本发明具备如下优点：
(1)本发明选用废弃的碱渣作为预处理剩余污泥的原材料，实现了废弃物的资源化，体现了“绿色发展”的理念，节约能耗的同时，提升了污泥的生化水解性能。
(2)本发明中加入了表面活性剂，使碱渣与剩余污泥混合均匀，易于上层预备液的过滤提取，提高了使用效率，提升了碱渣的利用效果。
(3)本发明将废碱渣预处理污泥与微生物燃料电池技术创新性的结合，提高了微生物燃料电池的产电性能，做到了产能和节能的双重统一。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
试验仪器与方法：电压采用电压表(UT890D/C+，沈阳子尊科技有限公司)测定、当电压稳定时，外接电阻箱(J2361，泓发)改变电路内阻(10～9999Ω)测定电功率密度(P=UI/S，式中：P为电功率密度，W/m2;U为电压，V;I为电流，A;S为电极面，m2)、CODCr(重铬酸钾法)采用COD测定仪(HACHD2800，美国哈希)测定、总悬浮物(TSS)以及挥发性悬浮物(VSS)采用称重法测定、多糖采用蒽酮试剂法测定、蛋白质和腐殖酸采用改进的Lowry法测定。
在启动阶段，向微生物燃料电池中加入污泥与营养液的混合液以培养电子传递细菌。营养液包含(每升去离子水)：NaHCO3(3.13g)、KCl(0.13g)、NaH2PO4(4.22g)、Na2HPO4(2.75g)、(NH4)2SO4(0.56g)、MgSO4·7H2O(0.2g)。此外，为了维持微生物的代谢和生长，还需在溶液中加入微量元素，包括(每升去离子水)：H3BO3(2mg)、FeCl2·4H2O(2mg)、EDTA(2mg)、ZnCl2·4H2O(0.4mg)、MnCl2·4H2O(0.8mg)、CuCl2·2H2O(0.2mg)、(NH4)6MO7·4H2O(1.1mg)、NiCl2·6H2O(1mg)。本发明所有试验试剂均从南京荣华科学器材有限公司购置，所有试验和检测均在室温和标准大气压下进行。
本发明的试验污泥为南京市某污水处理厂A2/O工艺的剩余污泥和某河流底泥的混合物，主要特性如下：pH为7.0～8.5;SCOD(溶解性化学需氧量)的浓度为150～300mg/L;TCOD(总化学需氧量)的浓度为30000～42000mg/L;总悬浮物的浓度为6～8.5g/L;挥发性悬浮物的浓度为4～5.5g/L;蛋白质的浓度为50～65mg/L;多糖的浓度为30～40mg/L;腐殖酸的浓度为40～55mg/L。
碱渣取自南京市某碱厂废弃碱渣，主要特性如下：pH为9.2～10.8;Ca2+的含量为0.04～0.055g/g;Mg2+的含量为0.008～0.022g/g;Na+的含量为0.015～0.034g/g;K+的含量为0.001～0.005g/g;CO32-的含量为0.002～0.004g/g;SO42-的含量为0.002～0.005g/g。
实施例1：
一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，包括如下步骤：
1、废碱渣预处理步骤：
(1)用蒸馏水浸泡碱渣，并加入25g/kgTSS的表面活性剂聚氧乙烯月桂醚Brij30，使悬浊液扩散均匀。
(2)静置沉淀悬浊液24小时，取上层表液，过滤得到预备液。
(3)向污泥中不断加入预备液，直至混合液pH大于12。
(4)静置12小时，后用盐酸溶液将污泥pH调节至7。
2、将废碱渣预处理后的污泥作为底物置于微生物燃料电池阳极反应器中，反应器采用微生物燃料电池双室构型(12cm×12cm×18cm)，包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜(膜面积10cm2)，阳极室的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)和阴极室内的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻(1000Ω)。其中：
(1)阴、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在320℃加热20min，以增强碳毡的亲水性。
(2)质子交换膜在使用前，先置于20℃质量百分浓度为1%的无水乙醇溶液中浸泡1h，冲洗后放入70℃质量百分浓度为5%的双氧水溶液中浸泡3h，最后用超纯水洗涤5次后备用。
结果表明：将上述废碱渣预处理污泥加入微生物燃料电池中后，废碱渣预处理污泥的最大电压可达0.34V，废碱渣预处理污泥的最大输出功率为70.1mW/m2，总悬浮物的去除率降低了30.1%，挥发性悬浮物的去除率降低了26.5%，初始废碱渣预处理污泥的SCOD为20253.95mg/L，TCOD为32403.48mg/L;经过35天的厌氧消化，废碱渣预处理污泥的SCOD为5002.73mg/L，去除了75%，TCOD为26441.24mg/L，去除了18%;初始废碱渣预处理污泥中蛋白质、腐殖酸、多糖成分别为208.84mg/L、136.36mg/L、40.81mg/L，经过35天的厌氧降解，废碱渣预处理污泥中EPS总量下降了27%，废碱渣预处理污泥中蛋白质、腐殖酸和多糖含量在整个过程中分别降低了25%、35%和10%。
实施例2：
一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，
1、废碱渣预处理步骤：
(1)用蒸馏水浸泡碱渣，并加入5g/kgTSS的表面活性剂十二烷基聚乙二醇醚Brij35，使悬浊液扩散均匀。
(2)静置沉淀悬浊液20小时，取上层表液，过滤得到预备液。
(3)向污泥中不断加入预备液，直至混合液pH大于12。
(4)静置10小时，后用盐酸溶液将污泥pH调节至7。
2、将废碱渣预处理后的污泥作为底物置于微生物燃料电池阳极反应器中，反应器采用微生物燃料电池双室构型(12cm×12cm×18cm)，包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜(膜面积10cm2)，阳极室的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)和阴极室内的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻(1000Ω)。其中：
(1)阴、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在330℃加热25min，以增强碳毡的亲水性。
(2)质子交换膜在使用前，先置于30℃质量百分浓度为0.5%的无水乙醇溶液中浸泡2h，冲洗后放入80℃质量百分浓度为8%的双氧水溶液中浸泡3h，最后用超纯水洗涤3次后备用。
结果表明：将上述废碱渣预处理污泥加入微生物燃料电池中后，废碱渣预处理污泥的最大电压可达0.33V，废碱渣预处理污泥的最大输出功率为68.2mW/m2，总悬浮物的去除率降低了29.4%，挥发性悬浮物的去除率降低了24.3%，初始废碱渣预处理污泥的SCOD为20183.77mg/L，TCOD为32335.52mg/L;经过35天的厌氧消化，废碱渣预处理污泥的SCOD为5038.42mg/L，去除了75%，TCOD为25864.51mg/L，去除了20%;初始废碱渣预处理污泥中蛋白质、腐殖酸、多糖成分别为197.25mg/L、128.33mg/L、35.94mg/L，经过35天的厌氧降解，废碱渣预处理污泥中EPS总量下降了26%，废碱渣预处理污泥中蛋白质、腐殖酸和多糖含量在整个过程中分别降低了25%、35%和11%。
实施例3：
一种利用废碱渣与微生物燃料电池联合处理污泥的方法，
1、废碱渣预处理步骤包括：
(1)用蒸馏水浸泡碱渣，并加入10g/kgTSS的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠C12E8，使悬浊液扩散均匀。
(2)静置沉淀悬浊液18小时，取上层表液，过滤得到预备液。
(3)向污泥中不断加入预备液，直至混合液pH大于12。
(4)静置8小时，后用稀硫酸溶液将污泥pH调节至7。
2、将废碱渣预处理后的污泥作为底物置于微生物燃料电池阳极反应器中，反应器采用微生物燃料电池双室构型(12cm×12cm×18cm)，包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜(膜面积10cm2)，阳极室的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)和阴极室内的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻(1000Ω)。其中：
(1)阴、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在350℃加热30min，以增强碳毡的亲水性。
(2)质子交换膜在使用前，先置于25℃质量百分浓度为0.8%的无水乙醇溶液中浸泡1.5h，冲洗后放入75℃质量百分浓度为10%的双氧水溶液中浸泡2.5h，最后用超纯水洗涤3次后备用。
结果表明：将上述废碱渣预处理剩余污泥加入微生物燃料电池中后，废碱渣预处理污泥的最大电压可达0.32V，废碱渣预处理污泥的最大输出功率为66.9mW/m2，总悬浮物的去除率降低了30.4%，挥发性悬浮物的去除率降低了24.9%，初始废碱渣预处理污泥的SCOD为20084.12mg/L，TCOD为31993.38mg/L;经过35天的厌氧消化，废碱渣预处理污泥的SCOD为5019.84mg/L，去除了75%，TCOD为24893.84mg/L，去除了22%;初始废碱渣预处理污泥中蛋白质、腐殖酸、多糖成分别为192.99mg/L、125.90mg/L、33.83mg/L，经过35天的厌氧降解，废碱渣预处理污泥中EPS总量下降了23%，废碱渣预处理污泥中蛋白质、腐殖酸和多糖含量在整个过程中分别降低了25%、33%和9%。
对比例1(单独微生物燃料电池作用)
将未处理污泥作为底物置于微生物燃料电池阳极反应器中，反应器采用微生物燃料电池双室构型(12cm×12cm×18cm)，包括密闭的厌氧阳极室和曝气的阴极室，阳极室和阴极室通过连通管道连接，连通管道内设置有质子交换膜(膜面积10cm2)，阳极室的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)和阴极室内的碳毡阴极(4cm×5cm×0.3cm)通过鳄鱼夹导线连接，阳极和阴极之间设置有外电阻(1000Ω)。其中：
(1)阴、阳极碳毡使用前需经过马弗炉在350℃加热30min，以增强碳毡的亲水性。
(2)质子交换膜在使用前，先置于25℃质量百分浓度为0.8%的无水乙醇溶液中浸泡1.5h，冲洗后放入75℃质量百分浓度为10%的双氧水溶液中浸泡2.5h，最后用超纯水洗涤3次后备用。
结果表明，未处理污泥的最大输出功率为49.8mW/m2，总悬浮物的去除率降低了20.7%，挥发性悬浮物的去除率降低了16.8%，未处理污泥的SCOD为156.45mg/L，TCOD为33500mg/L;经过35天的厌氧消化，SCOD和TCOD均增加。未处理污泥中蛋白质、腐殖酸、多糖成分别为59.67mg/L、54.54mg/L、34.41mg/L，经过35天的厌氧降解，未处理污泥中EPS总量下降32%，处理污泥中蛋白质、腐殖酸和多糖含量在整个过程中分别降低了30%，47%和11%。
对比例2(单独废碱渣预处理作用)
设置静态试验污泥，即在微生物燃料电池开路状态下，加入废碱渣预处理污泥，其中废碱渣预处理步骤包括：
(1)用蒸馏水浸泡碱渣，并加入10g/kgTSS的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠C12E8，使悬浊液扩散均匀。
(2)静置沉淀悬浊液18小时，取上层表液，过滤得到预备液。
(3)向污泥中不断加入预备液，直至混合液pH大于12。
(4)静置8小时，后用稀硫酸溶液将污泥pH调节至7。
将上述废碱渣预处理污泥加入微生物燃料电池反应器中(开路状态)，发现静态试验组污泥总悬浮物的去除率降低了15.2%，挥发性悬浮物的去除率降低了11.8%，静态试验组污泥的SCOD为20084.12mg/L，TCOD为31993.38mg/L;经过35天的厌氧消化，SCOD和TCOD均增加。静态试验组污泥中蛋白质、腐殖酸、多糖成分别为192.99mg/L、125.90mg/L、33.83mg/L，经过35天的厌氧降解，静态试验组污泥中EPS总量下降了30%，静态试验组污泥中蛋白质、腐殖酸、多糖成分别降低了45%，65%和23%。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。