專利名稱：生物產(chǎn)電加速脫水污泥厭氧堆肥的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脫水污泥厭氧堆肥的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在我國，城市污水大多采用活性污泥法進(jìn)行處理，其中產(chǎn)生的大量剩余污泥一般在廠內(nèi)經(jīng)濃縮、脫水處理后運(yùn)出廠外進(jìn)行填埋、焚燒、堆肥等處置。與其他方法相比，堆肥處理不但可以達(dá)到污泥穩(wěn)定化的目的，同時能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的資源化利用。根據(jù)微生物的生長環(huán)境，堆肥可分為好氧堆肥和厭氧堆肥。好氧堆肥需要嚴(yán)格控制鼓風(fēng)量，能耗和運(yùn)行成本較高、對機(jī)械化設(shè)備的要求較嚴(yán)格；而厭氧堆肥能耗低、操作簡單、易于控制，其應(yīng)用逐步受到重視，但其周期長的問題需得到有效解決。生物產(chǎn)電可以加速污泥的厭氧降解過程，并在處理污泥的同時回收電能。污泥在厭氧堆肥處理過程中有機(jī)物厭氧分解生成大量的簡單化合物，如糖類化合物、核蛋白、磷脂等，這些簡單化合物已被證實(shí)可以被產(chǎn)電菌直接利用?！?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生物產(chǎn)電加速脫水污泥厭氧堆肥的系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有污泥在厭氧堆肥處理過程中周期較長的問題。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是所述系統(tǒng)包括陽極室、陰極室、質(zhì)子交換膜、Ag/AgCl電極、橡膠塞、硅膠管、集氣瓶、酸性氣體吸收瓶、量筒和兩個石墨刷電極，陽極室為圓柱體形，陽極室的上端面開有排氣口，陽極室的側(cè)壁開有兩個取樣口，陰極室為長方體形，陰極室的上端面開有進(jìn)液口，陰極室的側(cè)壁上開有一個排液口，陽極室和陰極室由質(zhì)子交換膜分隔；陽極室和陰極室中心位置均設(shè)置石墨刷電極，兩個石墨刷電極之間用銅導(dǎo)線連接形成閉合電路，該電路外接電阻，Ag或AgCl電極通過橡膠塞插入至陽極室內(nèi)；陽極室內(nèi)裝有脫水污泥，陰極室內(nèi)裝有電解液，陽極室的排氣口通過硅膠管與集氣瓶連通，集氣瓶通過酸性氣體吸收瓶與量筒連通。本發(fā)明具有以下有益效果1.本發(fā)明無鼓風(fēng)、控溫等裝置，無需翻堆，能耗低、操作簡單易行、節(jié)約人力、易于管理，在經(jīng)濟(jì)上具有極大的優(yōu)越性。2.本發(fā)明能夠促進(jìn)堆肥腐熟、縮短堆肥周期，從而提高了脫水污泥的處理量。3.本發(fā)明同步實(shí)現(xiàn)了生物產(chǎn)電，將脫水污泥中部分生物質(zhì)能以清潔電能形式回收。4.本發(fā)明處理對象為脫水污泥，是一種城市污泥的干法處理工藝，與處理剩余污泥相比，處理對象中TS由2 %提高到20 %，反應(yīng)器容積相應(yīng)減小90 %，節(jié)省設(shè)備投資和土地占用。5.本發(fā)明提供的微生物燃料電池型厭氧堆肥系統(tǒng)適合于多種不同物料，應(yīng)用廣泛。6.本發(fā)明提供的微生物燃料電池型厭氧堆肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能完善，易于實(shí)現(xiàn)。


圖I是本發(fā)明厭氧堆肥系統(tǒng)中陽極室和陰極室的縱剖圖，圖2是圖I的俯視圖，圖3是圖I的左視圖，圖4是本發(fā)明的厭氧堆肥系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖I-圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的系統(tǒng)包括陽極室15、陰極室16、質(zhì)子交換膜17、Ag/AgCl電極2、橡膠塞7、硅膠管10、集氣瓶11、酸性氣體吸收瓶12、量筒13和兩個石墨刷電極1，陽極室15為圓柱體形，陽極室15的上端面開有排氣口 4，陽極室15的側(cè)壁開有兩個取樣口 3，陰極室16為長方體形，陰極室16的上端面開有進(jìn)液口 5，陰極室16的側(cè)壁上開有一個排液口 6，陽極室15和陰極室16由質(zhì)子交換膜17分隔；陽極室15和陰極室16中心位置均設(shè)置石墨刷電極1，兩個石墨刷電極I之間用銅導(dǎo)線連接形成閉合電路，該電路外接電阻，Ag或AgCl電極2通過橡膠塞7插入至陽極室·15內(nèi)；陽極室15內(nèi)裝有脫水污泥，陰極室16內(nèi)裝有電解液，陽極室15的排氣口 14通過硅膠管10與集氣瓶11連通，集氣瓶11通過酸性氣體吸收瓶12與量筒13連通。陽極室15內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)采集器9，陰極室16內(nèi)裝有電解液為K3[Fe (CN)6]與KH2PO4的混合液，此混合液的優(yōu)點(diǎn)是使用普通碳材料作為電極時，鐵氰化物具有較好的穩(wěn)定性，過電位較低，陰極工作電壓接近其開路電壓，對系統(tǒng)產(chǎn)電性能影響較小，可以保證系統(tǒng)性能的改變主要源自陽極底物特性的變化。本發(fā)明基于微生物燃料電池(Microbial fuel cell, MFC)和污泥厭氧堆肥(Anaerobic composting, AnC)系統(tǒng)特性,在AnC中設(shè)置電極引入生物產(chǎn)電技術(shù)構(gòu)建了微生物燃料電池型厭氧堆肥系統(tǒng)(MFC-AnC)，加速污泥厭氧降解同時實(shí)現(xiàn)電能回收。以脫水污泥為堆肥底物、鐵氰化鉀為陰極電解液的MFC-AnC堆肥21d后污泥中TOC去除率達(dá)20. 6 %，這與文獻(xiàn)中所報道的好氧堆肥去除率相當(dāng)；MFC-AnC可直接利用脫水污泥為燃料產(chǎn)電，其開路電壓可達(dá)0. 84V，最大功率密度為5. 3ff/m3,反應(yīng)器內(nèi)阻為98 Q ;增大污泥含水率可以顯著降低MFC-AnC內(nèi)阻，提高系統(tǒng)產(chǎn)電性能，因此利用MFC-AnC系統(tǒng)對脫水污泥進(jìn)行厭氧堆肥可以放寬污泥脫水后含水率須降至80%以下的限制，從而節(jié)省脫水過程的能耗；餐廚垃圾的添加可以改善脫水污泥降解特性，促進(jìn)厭氧堆肥順利進(jìn)行，因此MFC-AnC系統(tǒng)可以接受混有一定量餐廚垃圾的脫水污泥為原料。本發(fā)明首次將生物產(chǎn)電技術(shù)引入污泥堆肥系統(tǒng)，這大大提高了厭氧堆肥系統(tǒng)的處理能力，縮短堆肥周期，由于本發(fā)明無鼓風(fēng)、控溫等裝置，無需翻堆，能耗低、易于管理，在經(jīng)濟(jì)上具有極大的優(yōu)越性，使之更適合于脫水污泥處理的實(shí)際應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的所述系統(tǒng)還包括玻璃棉層14,陽極室15和陰極室16外部設(shè)有玻璃棉層14,此結(jié)構(gòu)維持堆體溫度。其它實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三構(gòu)建了由有機(jī)玻璃制成的MFC-AnC反應(yīng)器。反應(yīng)器主要由陽極室、陰極室和質(zhì)子交換膜構(gòu)成。陽極室15呈圓柱體型,規(guī)模為80mmX 80mm,有效容積380mL,在距反應(yīng)器上、下表面26mm處各設(shè)I個①12mm的取樣口 ；陰極室16為長方體型，尺寸為40mmX50mmX80mm,有效容積150mL ;兩室由質(zhì)子交換膜(Nafion 117CS, Dupont公司生產(chǎn)的)分隔。陽極室15和陰極室16中心位置設(shè)有鈦金屬絲和石墨纖維制成的石墨刷電極I。陽極室15內(nèi)插入Ag/AgCl電極2(+0. 195V vs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極，SHE)作為參比電極，陰極選用K3[Fe (CN)6](電子受體，32. 9g/L)與KH2PO4 (27. 2g/L)的混合液作為電解液。外電路負(fù)載為1000 Q。為保障厭氧堆肥反應(yīng)的順利進(jìn)行，反應(yīng)器外部包裹玻璃棉層以維持堆體溫度。實(shí)驗(yàn)所用污泥取自某污水處理廠帶式壓濾機(jī)的脫水污泥。在啟動階段，向陽極室15投入脫水污泥和剩余污泥的混合液，并加入適量營養(yǎng)液和金屬元素以培養(yǎng)電子傳遞細(xì)菌，MFC-AnC的接種通過定期更換陽極接種物和陰極電解液來完成，每7d更換一次陰極電解液，3d更換一次陽極底物并逐步加大脫水污泥的比例，至最后一次培養(yǎng)時只投加脫水污泥。實(shí)驗(yàn)所用餐廚垃圾取自學(xué)校教工食堂，主要成分為蔬菜、面食、肉類等，潷去水分后用食物粉碎機(jī)粉碎至l_2mm。實(shí)驗(yàn)和分析檢測均在室溫(24±3°C )和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(I. 013X IO5Pa)下進(jìn)行。
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陽極室15中堆肥過程產(chǎn)生的氣體經(jīng)硅膠管10導(dǎo)入裝有3% NaOH溶液的集氣瓶11和內(nèi)部填充Ca(OH)2和工業(yè)硅膠的酸性氣體吸收瓶12，同時等體積的水被壓入到量筒13。MFC-AnC的電壓通過多通道電壓采集器(12bit A/D conversion chips,US)每隔Imin在線記錄輸出電壓及陽極電勢，同時使用電流表(量程0-2mA)對電壓值進(jìn)行校正。功率密度P (ff ^nT3) = UI/Va，其中U是電壓(V)，I是電流(A)，Va為陽極有效容積(m3)。陰極電勢利用全電壓減去陽極電勢的絕對值獲得。待系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定時，通過變化外電路電阻，分別對輸出電壓和陽極電勢進(jìn)行測量，獲得極化曲線。MFC-AnC的內(nèi)阻由電池極化曲線獲得U = E-IRint，其中E是電動勢(V)，Rint是電池內(nèi)阻(Q)。本實(shí)驗(yàn)將陽極電勢大于-0. 2V時視為產(chǎn)電周期結(jié)束。MFC-AnC經(jīng)3周培養(yǎng)后電壓升至0. 6V以上，且運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)志系統(tǒng)啟動成，隨后向MFC-AnC陽極堆肥室投入新鮮脫水污泥，連續(xù)運(yùn)行21d，實(shí)驗(yàn)過程中每隔一定時間從上下兩個取樣口取出等量樣品，混合均勻后，測定相關(guān)理化參數(shù)。實(shí)施結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)泥有機(jī)質(zhì)為53. 6%時，厭氧堆肥21d后MFC-AnC中脫水污泥TOC去除率達(dá)20.6%，這與文獻(xiàn)中所報道的好氧堆肥去除率相當(dāng)，將生物產(chǎn)電技術(shù)引入污泥厭氧堆肥系統(tǒng)能夠加速污泥有機(jī)物的降解；MFC-AnC可直接利用脫水污泥為燃料產(chǎn)電，以KJFe(CN)6]為陰極電解液的MFC-AnC開路電壓可達(dá)0. 84V，最大功率密度為5. 3W/m3，反應(yīng)器內(nèi)阻為98 Q ;增大污泥含水率可以顯著降低MFC-AnC內(nèi)阻，提高系統(tǒng)產(chǎn)電性能，因此利用MFC-AnC系統(tǒng)對脫水污泥進(jìn)行厭氧堆肥可以放寬污泥脫水后含水率須降至80%以下的限制，從而節(jié)省脫水過程中的能耗；餐廚垃圾的添加可以改善脫水污泥降解特性，促進(jìn)厭氧堆肥順利進(jìn)行，提高污泥的降解速率，縮短整個堆肥周期，因此MFC-AnC系統(tǒng)可以接受混有一定量餐廚垃圾的脫水污泥為原料。本發(fā)明的最大創(chuàng)新性在于將生物產(chǎn)電技術(shù)首次引入污泥堆肥系統(tǒng)，這大大提高了厭氧堆肥系統(tǒng)的處理能力，縮短堆肥周期，使之更適合于脫水污泥處理的實(shí)際應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種生物產(chǎn)電加速脫水污泥厭氧堆肥的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括陽極室(15)、陰極室(16)、質(zhì)子交換膜(17)、Ag/AgCl電極(2)、橡膠塞(7)、硅膠管(10)、集氣瓶(11)、酸性氣體吸收瓶(12)、量筒(13)和兩個石墨刷電極(1)，陽極室(15)為圓柱體形，陽極室(15)的上端面開有排氣口(4)，陽極室(15)的側(cè)壁開有兩個取樣口(3)，陰極室(16)為長方體形，陰極室(16)的上端面開有進(jìn)液口(5)，陰極室(16)的側(cè)壁上開有一個排液口(6)，陽極室(15)和陰極室(16)由質(zhì)子交換膜(17)分隔； 陽極室(15)和陰極室(16)中心位置均設(shè)置石墨刷電極(I)，兩個石墨刷電極(I)之間用銅導(dǎo)線連接形成閉合電路，該電路外接電阻，Ag或AgCl電極⑵通過橡膠塞(7)插入至陽極室(15)內(nèi)； 陽極室(15)內(nèi)裝有脫水污泥，陰極室(16)內(nèi)裝有電解液，陽極室(15)的排氣口(4)通過硅膠管(10)與集氣瓶(11)連通，集氣瓶(11)通過酸性氣體吸收瓶(12)與量筒(13)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述生物產(chǎn)電加速脫水污泥厭氧堆肥的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括玻璃棉層(14)，陽極室(15)和陰極室(16)外部設(shè)有玻璃棉層(14)。
全文摘要
生物產(chǎn)電加速脫水污泥厭氧堆肥的系統(tǒng)，它涉及一種脫水污泥厭氧堆肥的系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決現(xiàn)有污泥在厭氧堆肥處理過程中周期較長的問題。陽極室為圓柱體形，陽極室的上端面開有排氣口，陽極室的側(cè)壁開有兩個取樣口，陰極室為長方體形，陰極室的上端面開有進(jìn)液口，陰極室的側(cè)壁上開有一個排液口，陽極室和陰極室由質(zhì)子交換膜分隔；陽極室和陰極室中心位置均設(shè)置石墨刷電極，兩個石墨刷電極之間用銅導(dǎo)線連接形成閉合電路，該電路外接電阻，Ag或AgCl電極通過橡膠塞插入至陽極室內(nèi)；陽極室內(nèi)裝有脫水污泥，陰極室內(nèi)裝有電解液，陽極室的排氣口通過硅膠管與集氣瓶連通，集氣瓶通過酸性氣體吸收瓶與量筒連通。本發(fā)明用于加速脫水污泥的厭氧堆肥，并實(shí)現(xiàn)同步產(chǎn)電。
文檔編號H01M8/16GK102786330SQ201210305240
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者姜珺秋, 王琨, 趙慶良, 黃更 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)