污泥干化产电及重金属富集的方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种污泥干化生物产电的方法及装置，其特征将污泥通过人工作用形成氧化还原分区，即利用污泥脱水形成空气接触氧化的正电位层和水封厌氧还原的负电位层，实现污泥中微生物电化学产电，氧化还原电位之差为两者间电势，向外部电路产生电流的同时驱动污泥内重金属向阴阳电极富集；在利用污泥发电的同时，利用燃煤炼钢企业含硫和氮氧化物的高温烟气进行湿污泥干化，实现污泥微生物对烟气脱氮脱硫；本发明除具有促进氧化还原反应降解污泥，干化污泥并收集污泥电能之外，还能提高钢铁厂和电厂的脱氮脱硫效果和尾气的热利用，本发明可以多层堆叠产电，连续自动化处理。
【专利说明】
污泥干化产电及重金属富集的方法及装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种污泥干化处理过程中产电的技术，尤其涉及利用污水处理运行后获得的污泥进行微生物产电收集能量并富集污泥中重金属的装置，装置同时可以与烟气脱硫脱硝和污泥干化技术结合，属于环保处理技术领域。
【背景技术】
[0002]随着我国城市化进程的快速发展，污水处理厂在我国大面建设，污水处理率逐步提高，导致产生的市政污泥量越来越多，目前对污泥处理都是采用干化脱水后焚烧或填埋工艺，但是由于污泥含水量高(一般脱水污泥含水率仍在80%以上)，污泥干化成本高昂，焚烧处置容易产生二噁英污染，污泥农田堆肥利用本身存在重金属污染风险，污泥直接填埋又会导致填埋场不稳定，因此，现阶段需要找到一种污泥减量化和资源化方式。目前实际应用的主要还是基于污泥厌氧消化产沼气燃烧发电，而其需要大型的厌氧发酵罐，沼气收集装置和沼气的脱硫净化提纯装置等，最后通过燃气轮机发电，施工组装运营成本高昂。由于污泥厌氧产生沼气发电装置运行控制复杂，投资成本巨大，目前在国内的应用效果并不好。
[0003]因此，现阶段寻找低成本的可以直接应用的污泥直接发电技术，提高污泥的减量化和资源化，降低污泥的重金属等环境风险和干化处理能耗，同时提高钢铁热电等的脱氮脱硝效果，本发明就是试图将污泥直接发电技术实现污泥处理和尾气生物脱硫脱硝过程中低能耗的方法和装置。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种生物电化学直接污泥干化产电的方法及装置，其方法特征为将市政污水厂等产生的污泥通过人工作用形成氧化还原电位的分区，即污泥层上下形成好氧氧化的正电位层和厌氧还原的负电位层，通过电极材料收集两区域之间电势差的电流，形成原电池反应池。
[0005]为实现污泥中的微生物电化学产电，本发明利用污泥脱水干化作用人工形成空气接触的好氧氧化区域和脱水水封的厌氧还原区域，本方法分别在好氧氧化区和厌氧还原区布设导电电极，通过导线收集微生物作用过程中产生的氧化还原电势电能，电极之间的电势差即为氧化还原电位之差，电流大小受到微生物产电量及污泥内部电阻值的影响。
[0006]本发明装置利用污泥阴阳电极之间的氧化还原电位差实现产电，将还原区阳极的电子通过外电路导体传输到好氧氧化区的阴极电极，同时污泥的阳极与阴极间上下对应放置，以在两电极之间形成内部电容和增强对电容容量，本发明可以在外电路产生电流的同时，内电路通过电泳驱动污泥内的重金属向阴阳电极处富集，实现电吸附强化去除污泥中重金属的效果。
[0007]本发明所述的直接污泥产电的方法，其特征还包括装置可以多层堆叠干化产电，每个污泥层的厚度为2-lOOcm，每一层分别形成上部空气接触阴极区和下部水封密闭还原区，污泥层本身经过压实，污泥上层通风，上部有多孔阴极电极，下部密闭水封，底部有阳极电极；污泥层上部采用通风在污泥顶部干化污泥，装置对含水率95% -85%的湿污泥流体特性可以通过伸缩管进行输送平铺，干化后含水率75 % -55 %的干污泥可以自动排出清理。
[0008]本发明所述装置为多层剪叉式升降台置于密封空间内，每层有污泥盛装盒，污泥可以多层叠加并连续自动化进行污泥装料、压实脱水和卸料处理，装置压实脱水过程可以恒定压力或恒定位移模式进行，装置驱动力可以是气动，液压，链条或齿轮的机械传动，密封空间强制气体流动干化。
[0009]本发明所述装置的电极模块的导电层厚度为0.5-20_，导电材料包括碳纤维毡，碳毡，碳粉，石墨烯，氧化石墨烯，焦炭，半焦炭，导电沥青，导电橡胶，导电布，不锈钢网，石墨板，活性炭包被，活性炭胶结板，泡沫金属及合金等导电材料，导电材料形状可以为板状，为增强阴极电极透气性，阴极内部可以有矩形，菱形，圆形，三角形等透气孔阵列。
[0010]本发明所述装置的导电层有保护支撑层上下包裹导电材料同时引出连接导线，其材料包括透水性的塑料网，橡胶网，涤纶化纤网金属丝网等包覆支撑固定连接，所述导线为即插即通式防水结构设计，连接之后通过聚氨酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯硫醚，硅酮，丁基，环氧树脂，有机硅等材料进行绝缘防水密封。
[0011]本发明所述装置的特征还包括污泥上部除自然通风或引入热废气外，还可以通入燃煤电厂炼钢等含有二氧化硫和氮氧化物的高温烟气，实现污泥干化的同时以二氧化硫和氮氧化物为电子受体的生物脱硫脱硝，从而对烟气实现净化和余热利用，即利用污泥本身发电和对湿污泥进行干化处理。
[0012]本发明提出的污泥干化处理产电的方法及装置，其特征包括阳极电极固定于污泥水封液面以下位置，水封四周通过惰性材料绝缘密封，所述惰性材料包括:玻璃钢，塑料，水泥，竹板，木质，玻璃，陶瓷，橡胶等。
[0013]优选地，为了增强污泥压缩过程中水分的析出，提高污泥压缩过程中脱水效果，空气阴极还可以通过透水材料包裹，包括无纺布，气凝胶，丝绸，涤纶，PET,尼龙透水毡，透水石，透水海绵，微滤平板膜等透水材料。
[0014]本发明提出的污泥干化处理产电的方法及装置，与现有市政污泥厌氧发酵产甲烷和通过提纯净化后热气轮机发电技术相比，其优点是本发明的方法及装置成本较低，工艺简单，不需要建立大型的厌氧装置和燃气轮机发电设备，其工艺复杂度和成本显著降低。生产过程不额外增加能量输入，便于现有装置改造，设备易操作，能耗低。本发明除具有促进氧化还原反应降解污泥，分离富集污泥中重金属，干化污泥并收集污泥电能，此外，还能提高钢铁厂和电厂的脱氮脱硫效果和尾气的热利用。
【附图说明】
[0015]图1示出了根据本发明的污泥干化发电的方法原理性结构示意图；
[0016]图2示出了根据本发明的第一实施方式的污泥干化发电装料时的装置结构示意图；
[0017]图3示出了根据本发明的第一实施方式的污水干化发电卸料时的装置结构示意图；
[0018]图4示出了根据本发明的第一实施方式的污泥干化发电运行过程中构筑物结构示意图；
[0019]图例说明:1-处理污泥本身，2-污泥密封支撑板及底部阳极，3-污泥压缩密封板及上部阴极，4-污泥压缩脱水升降装置(剪叉式)，5-污泥排泥侧活动支撑板，6-污泥输料滑动板(含电磁阀门)，7-污泥进料伸缩管，8-污泥高压注射管，9-干化污泥排泥口，10-烘干反应气体出气口，11-烘干气体进气口，12-净化后尾气，13-需净化的入口尾气。
【具体实施方式】
[0020]为充分了解本发明的发明目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
[0021]本发明提出的用于污泥干化过程中的微生物氧化还原产电反应装置为多层叠加式剪叉升降装置，其运行结构如图2所示，构筑物整体为密封装置，内部为多层污泥盒体，污泥层由支撑盒体铺装，盒体底部四周防水密封，还原阳极2的导电电极层位于污泥盒体内底部，在其上方有铺装的处理污泥I覆盖，盒体固定于剪叉式升降装置4上，盒体彼此叠加，盒体底部外接的下方污泥层支撑盒体的透水压力板和空气阴极电极3，当污泥注入之后，剪叉式升降装置收缩，污泥被顶部阴极板压缩，脱水由于重力作用积存在在支撑盒体中下部，形成对于底部阳极的水封。
[0022]污泥盒体侧面为污泥注入具有污泥注料功能的输料滑动板(含电磁阀门)6，其通过连接污泥进料伸缩管7与污泥高压注射管8连接，含水率85% -95%的湿污泥从高压注射管8经伸缩管7后通过输料滑动板(电磁阀门状态为开)6注入后污泥盒体中。装置如图3所示，空气阴极3通过刚性透水板固定于盒体的外侧下部，与下部的盒体组成密闭空间，注入的各个污泥盒体的密封空间大小可以通过调节剪叉式升降台调节，空气阴极3与下层盒体中的污泥接触形成阴极，刚性透水板将剪叉式升降装置4收缩时产生的压力传导到污泥之上，从而使得上部盒体的空气阴极底部污泥微生物产生的电子经过阳极与阴极之间导线连接的外电路传输到空气阴极3产生电流，干化气体通过烘干进气口 11从下部进入，经过污泥上方蒸发水分之后从烘干排气口 10排出，排出尾气可以进行活性炭吸附脱臭处理。随着污泥干化脱水后孔隙度增大，剪叉式升降装置持续压缩污泥，提高污泥本身密度，减少污泥内裂缝和孔隙度，从而维持污泥氧化还原电位分区。干化气体可以采用电厂或钢铁厂含硫含氮氧化物尾气，一方面尾气温度高，提高干化效率，同时利用污泥本身所含有大量的微生物进行生物吸附和生物化学作用去除二氧化硫和氮氧化物。
[0023]随着污泥上部的干化进行，污泥进一步压缩，保持的底部水封不断降低。当上下电极间的氧化还原电位之差逐步减小，内阻不断增大，说明污泥干化达到一定程度可以排泥。本实施例之中当污泥产电电压降低到小于0.2-0.05V或内阻大于I兆欧时，污泥停止干化，剪叉式升降装置4提升，被压缩干化的污泥排出被污泥进料伸缩管7连接的输料滑动板(电磁阀门状态为关)6推出，滑动板驱动力可以是气动，液压或机械传动，另一侧的挡板下部打开，滑动板刮干化后污泥被推出并从排泥口 9排出。
[0024]本实施例中污泥从高压注射管8经伸缩管7后通过输料滑动板(电磁阀门状态为开)6注入后污泥盒体中，每层湿污泥厚度为30cm，剪叉式升降装置压缩污泥，压力强度为100Pa?300000Pa之间，随着干化过程压力增大，装置中阴极和阳极的尺寸均为与盒体尺寸比略小，每层污泥盒体为lm2，每层初始高度为30cm，每个电极模块对(阴极/阳极)组成的污水产电装置的污水产电电压为0.9-0.6V，电流为350-0.8mAο污泥经过干化脱水，在该过程中污泥体积不断缩小，经该装置处理后，污泥含水率从95% -85%降低到75-55%，体积缩减为原来1/2-1/3。
[0025]可选地，本实施例上述的污泥处理发电装置采用的干化气体为钢铁厂含尘尾气，经过初级布袋除尘和电除尘后，通入本发明装置中，高温除尘后的钢铁厂尾气在加热干化湿污泥的同时，含有的二氧化硫和氮氧化物被污泥和其上覆的空气阴极吸附吸收，通过污泥内的微生物电化学作用还原成单质硫和脱氮反硝化作用，降低了除尘尾气的氮硫含量，提高污泥干化和发电效果。
[0026]尽管已经结合特定的实施例描述了本发明，但是并不是限定于此处描述的特定形式。而是，本发明的范围仅仅由后附的权利要求限制。在权利要求中，术语“包括”不排除存在其它部件或步骤。此外，尽管各个特征可以包括在不同的权利要求中，但是这些特征可以被有利地组合，且在不同权利要求中包含的内容不意味着特征的组合是不可行和/或不利的。此外，单个的含义不排除多个。此外，权利要求中的附图标记不应被解释为对范围的限制。
[0027]以上所述仅是本发明的【具体实施方式】，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明精神的前提下，可以作出若干改进、修改、和变形，这些改进、修改、和变形都应视为落在本申请的保护范围内。
【主权项】
1.一种污泥干化处理产电的方法及装置，其特征包括:将污泥通过人工作用形成氧化还原电位的分区，即污泥上下层分别形成好氧氧化的正电位层和厌氧还原的负电位层，通过空气接触的好氧氧化阴极和脱水水封的厌氧还原阳极，实现污泥中的微生物电化学产电，将还原区阳极的电子通过外电路导体传输到好氧氧化区的阴极电极，两者间的电势差取决于微生物作用过程的氧化还原电位之差。2.根据权利要求1所述的污泥干化处理产电的方法及装置，其特征包括装置利用污泥阴阳电极之间的氧化还原电位差实现产电，同时污泥的阳极与阴极间上下对应放置，以在两电极之间形成内部电容和增强对电容容量，可以在外电路产生电流的同时，内电路通过电泳驱动污泥内的重金属向阴阳电极处富集，实现电吸附强化去除污泥中重金属的效果。3.根据权利要求1-2所述的污泥干化处理产电的方法及装置，其特征还包括污泥上部除自然通风或引入热废气外，还可以通入燃煤电厂炼钢厂含二氧化硫和氮氧化物高温烟气，在利用污泥发电和对湿污泥进行干化的同时，实现污泥干化的同时以二氧化硫和氮氧化物为电子受体的污泥微生物脱硫脱硝，从而对烟气实现净化和余热利用，即利用污泥本身发电和对湿污泥进行干化处理。4.根据权利要求1-3所述的污泥干化处理产电的方法及装置，其特征还包括装置可以多层堆叠污泥干化产电，每个污泥层的厚度为2-lOOcm，每一层分别形成上部空气接触阴极区和下部水封密闭还原区，污泥层本身可以恒定压力或恒定位移模式压实，污泥上层通风干化污泥，上部有多孔阴极电极，下部密闭水封，底部固定有阳极电极，置于密闭空间内，强化气体流动干化。5.根据权利要求1-4所述的污泥干化产电装置，其特征还包括:装置为剪叉式升降装置，可以连续自动化进行污泥装料，压实脱水和卸料处理，装置驱动力可以是气动，液压，链条或齿轮的机械传动，利用含水率95% -85%湿污泥流体可以通过伸缩管进行输送平铺，装置可以连续自动化进行污泥压缩脱水，干化后含水率75 % -55 %的干污泥可以自动排出清理。6.根据权利要求1-5所述的污泥干化产电装置，其特征还包括:所述电极模块的导电层厚度为0.5-20mm,电极材料包括碳纤维毡，碳毡，碳粉，石墨烯，氧化石墨烯，焦炭，半焦炭，导电沥青，导电橡胶，导电布，不锈钢网，石墨板，活性炭包被，活性炭胶结板，泡沫金属及合金等导电材料，导电材料形状可以为板状，为增强阴极电极透气性，阴极内部可以有矩形，菱形，圆形，三角形等透气孔阵列。7.根据权利要求1-5所述的污泥干化产电装置，其特征还包括:导电层有保护支撑层上下包裹导电材料同时引出连接导线，其材料包括透水性的塑料网，橡胶网，涤纶化纤网金属丝网等包覆支撑固定连接，所述导线为即插即通式防水结构设计，连接之后通过聚氨酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯硫醚，硅酮，丁基，环氧树脂，有机硅等材料进行绝缘防水密封。8.根据权利要求1-5所述的污泥干化产电装置，其特征还包括:其特征阳极电极固定于污泥水封液面以下位置，水封四周通过惰性材料绝缘密封，所述惰性材料包括:玻璃钢，塑料，水泥，竹板，木质，玻璃，陶瓷，橡胶等。9.根据权利要求1-5所述的污泥干化产电装置，其特征还包括:为了增强污泥压缩过程中的水份析出，提高污泥压缩过程中脱水效果，空气阴极还可以通过透水材料包裹，包括无纺布，气凝胶，丝绸，涤纶，PET,尼龙透水毡，透水石，透水海绵，微滤平板膜等透水材料。
【文档编号】B01D53/84GK105985001SQ201510070724
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月11日
【发明人】李泽唐
【申请人】李泽唐