一种利用双极膜电渗析装置电解盐产酸产碱提高污泥可消化性的方法与流程

本发明属于工业厌氧污泥消化技术领域。更具体地，涉及一种利用双极膜电渗析装置电解盐产酸产碱提高污泥可消化性的方法。

背景技术：

在污水处理的课题中，废弃污泥的处理已成为最大的难题。废弃的污泥含有大量的有机物质和丰富的氮磷等营养物质，如不加稳定处理而任意排放到水体中造成水体的营养化。同时污泥中还含有致病菌、寄生虫卵等危害人类健康的因素，处理不当，会造成疾病的传播。因此污泥必须在进行最终处置之前进行处理，达到减量化、稳定化、无害化、资源化的目的。

目前处理废弃污泥有以下处理方式：污泥厌氧消化、污泥脱水、污泥焚烧、卫生填埋等。其中，污泥厌氧消化作为污泥减量化、稳定化的常用手段已广泛应用在废弃污泥处理。在厌氧消化的过程中，污泥中的非水溶性高分子有机物，如碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维素等在微生物水解酶的作用下水解成溶解性的物质。水解后的物质在兼性菌和厌氧菌的作用下，转化成短链脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等。

然而，污泥厌氧消化的水解过程中，由于厌氧微生物所需要的营养物质大部分存在于污泥絮体以及微生物的细胞膜(壁)内部原生质中，胞外分泌酶无法与营养基质充分有效地接触，严重限制了厌氧消化的速率。厌氧消化过程中污泥的可消化性决定厌氧消化以及产甲烷气的好坏程度。因此，要对污泥进行预处理，即破碎污泥絮体和污泥细胞膜(壁)，使营养基质得以释放，加快整个厌氧消化过程。

目前，热、化学、热-碱、超声波等多种预处理方法，都可促进污泥可消化性，从而提高污泥的消化效率。其中，利用投加酸或碱预处理的方式可提高复杂废物厌氧消化效率，在污泥中加酸或碱能将污泥固体物质分解为可溶性物质，将碳水化合物和蛋白质水解成较小分子量的物质。但是，已有的投酸或碱的方式还需要再额外调节ph值至合适的范围，存在成本较高，效率不高、操作复杂等问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种产酸产碱用于污泥预处理的方法，通过引入双极膜电渗析装置可持续性的产得酸碱提高复杂废物厌氧消化效率。该方法简单、高效、成本低、效果好。

本发明的目的是提供一种利用双极膜电渗析装置电解盐产酸产碱提高污泥可消化性的方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种利用双极膜电渗析装置电解盐产酸产碱提高污泥可消化性的方法，包括如下步骤：

s1.以盐类为原料，利用双极膜电渗析装置产生等摩尔浓度的酸和碱；

s2.将步骤s1的酸和碱分别投入到污泥中反应4～20小时，达到细胞破壁最大值，从而显著提高了污泥的可消化性；

s3.将步骤s2中酸和碱处理的两份污泥等体积混合均匀，即完成了污泥的预处理，可作为进料投入到厌氧消化反应器中进行下一步的消化处理，达到最大化甲烷产率。

该方法通过盐溶液在双极膜系统中产得的酸、碱作用于废弃污泥的预处理，可以显著提高污泥的可消化性。

其中，步骤s1所述双极膜电渗析装置（如附图1所示）内部由正极、阳膜、双极膜、阴膜、阳膜和负极依次排列组成，并形成五个极室。该双极膜电渗析装置以及利用该装置双极膜电渗析产酸产碱的原理如图1所示。

其中，所述双极膜是一种复合离子交换膜，由阴离子交换层和阳离子交换层复合而成。在外加直流电场的作用下，双极膜能将氯化钠和硫酸钠电渗析产生盐酸和氢氧化钠。将双极膜与阴阳离子交换膜以一定方式相组合，即构成双极膜电渗析（bmed）过程，可以在不引入新组分的情况下利用盐制备相应的酸碱。

优选地，步骤s1所述盐类为氯化钠和硫酸钠。

优选地，步骤s1所述酸为盐酸或硫酸，所述碱为氢氧化钠。

优选地，步骤s2中酸或碱的用量均为：每千克污泥中加入10～20mol酸或碱。

最优选地，步骤s2中酸或碱的用量均为：每千克污泥中加入16mol酸或碱。

更优选地，步骤s2所述反应的时间为5～12小时。

最优选地，步骤s2所述反应的时间为12小时。

本发明使用氯化钠和硫酸钠利用双极膜电渗析装置产得盐酸和氢氧化钠，然后等量的酸/碱被用于处理等量污泥并混合即可得到适中的酸碱度，无需额外调节ph值，废弃污泥的可消化性也得到显著的加强，最终加强甲烷产量。

经过实验研究证实，经过本发明的方法处理后的污泥更容易被消化，其可溶性化学需氧量较无处理的污泥显著提高，最后得到的甲烷产量显著高于未处理的污泥，约提高30%以上。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明以盐类（如氯化钠和硫酸钠等）为原料，利用双极膜电渗析装置可简单、高效的得到等摩尔的酸和碱（盐酸和氢氧化钠等），其成本远低于现有其他的产酸/碱方法，成本也远低于直接购买酸/碱的成本。

3、本发明的方法可高效的处理废弃污泥，显著提高其可消化性，从而显著提高甲烷的产量。

4、本发明的方法利用上述产生的等摩尔的酸和碱分别处理污泥后，再等量混合后，用于厌氧消化，无需额外调节ph值，且酸和碱两者的使用量刚刚好，不会产生任何一个的浪费，更加节省时间和原料；双极膜电渗析装置源源不断的产生等量的酸和碱，源源不断的输入到污泥中进行处理，整个流程不会浪费任何一种原料及酸/碱；污泥前处理操作简单、易于掌握，装置简易易实现，可大幅降低污泥处理成本，具有很大的经济意义，适合于大面积推广。

附图说明

图1为双极膜电渗析产酸产碱原理图。

图2为本发明利用双极膜电渗析装置产酸产碱预处理污泥的流程图。

图3为本发明方法预处理和未处理污泥的细胞破壁率。

图4为本发明方法预处理和未处理污泥的甲烷产率。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。

实施例1

1、一种利用双极膜电渗析装置电解盐产酸产碱提高污泥可消化性的方法，包括如下步骤：

（1）以氯化钠和硫酸钠为原料，利用双极膜电渗析装置产生等摩尔浓度的盐酸和氢氧化钠；所述双极膜电渗析装置内部由正极、阳膜、双极膜、阴膜、阳膜和负极依次排列组成，并形成五个极室；双极膜电渗析装置以及利用该装置双极膜电渗析产酸产碱的原理如图1所示。

（2）按照每千克污泥中加入16mol酸或碱的比例，将步骤（1）的盐酸和氢氧化钠分别投入到污泥中反应12小时（盐酸加入到一份污泥中反应12小时，碱加入到另一份污泥中反应12小时；两份污泥等体积），达到细胞破壁最大值，从而显著提高了污泥的可消化性。

（3）将步骤（2）中酸和碱处理12小时后的两份污泥等体积混合均匀，即完成了污泥的预处理，可用于下一步的消化处理。

具体操作流程如附图2所示。

2、上述预处理后的污泥作为进料投入到厌氧消化反应器中进行下一步的消化处理。

3、结果测试

上述步骤（2）中处理12小时后的污泥，用流式细胞仪数菌后得到结果如图3所示，细胞破壁率高达80%以上。

经过上述酸和碱处理后的两份污泥等体积混合均匀后，投入厌氧消化反应器进行厌氧消化，结果如图4所示，经过预处理的污泥产甲烷率显著高于未处理的污泥（对照组）甲烷产率，约高出30%以上。

实施例2酸/碱与污泥用量比例的优化

1、方法同实施例1，不同之处在于以步骤（2）中酸或碱的用量为变量，筛选优化酸/碱与污泥的用量比例。

2、实验结果显示，在每千克污泥中加入10～20mol酸或碱的比例下，细胞破壁率和最终甲烷产率均得到有效提升，最佳用量比为：每千克污泥中加入16mol酸或碱。

实施例3酸/碱处理污泥时间的优化

1、方法同实施例1，不同之处在于以步骤（2）中反应时间为变量，筛选优化酸/碱处理污泥的时间。

2、实验结果显示，当反应的时间为4～20小时，细胞破壁率和最终甲烷产率均得到有效提升，反应的时间至12小时时，污泥的可消化性提高效果已十分显著，细胞破壁率和最终甲烷产率基本达到最大值，时间再增加，提升的幅度不明显，因此，考虑时间和成本等综合因素，以反应时间为12小时最佳。