一种基于阳极促进污泥厌氧消化和阴极二氧化碳还原的厌氧微生物电化学处理工艺的制作方法

背景技术：
随着我国经济和城市化的发展，城市污水的产生及其数量在不断的增加。截至2012年，全国已建有城镇污水处理厂2163座，日处理能力达1426万吨，该数目在未来的二十年还会有较大的增长，如此高的污水处理量，必然导致剩余污泥量的增加，据估计，目前全国湿污泥年产量约为6000万吨左右。目前全国对于剩余污泥的处理和处置技术尚未成熟，仅有不到1/3的污水厂有剩余污泥稳定处理设施，90％以上的城市污泥未得到妥善处理，污泥二次污染现象非常普遍。剩余污泥的处理投资和运行费用巨大，大约占整个污水处理厂投资和运行费用的30％—70％，给城市污水处理厂带来沉重的负担。

厌氧发酵是目前污泥处理最流行的方法之一，但是厌氧发酵具有发酵周期长，池体容积大，污泥降解程度低，甲烷产量低并伴随着二氧化碳温室气体的产生等缺点。微生物电解池(microbialelectrolysiscells)可以通过很小的电压供应利用电活性微生物能提高污染物的处理效率。目前对于沼气二氧化碳的还原及提高厌氧发酵过程中产酸产甲烷过程的研究较少。

技术实现要素：
1、为解决现有厌氧发酵技术中存在的污泥降解程度低，甲烷产量低及二氧化碳排放量高等不足，本发明的目的是提供一种在反应器阳极促进剩余污泥的厌氧发酵效率，进而促进污泥的减量和甲烷生成，而在阴极室内通过电势的控制及电极材料的选择还原沼气中二氧化碳的技术。本发明提出以下技术方案：一种基于阳极促进污泥厌氧消化和阴极二氧化碳还原的厌氧微生物电化学处理工艺，其特征在于：阳极污泥池及阴极反应池分别由水浴层i和水浴层ii包裹。阳极污泥池及阴极反应池用质子交换膜分隔开。铁电极置于阳极污泥池中并与电化学工作站的对电极接口连接。ag/agcl电极置于阴极反应池左侧并与电化学工作站的参比电极接口连接。碳电极置于阴极反应池右侧并与电化学工作站的工作电极接口连接。水浴装置下方通过泵ii、水浴管i与水浴层i连接。水浴层i经由水浴管ii与水浴层ii连接。水浴层ii由水浴管iii与水浴装置上方连接。初始污泥池通过泵iii、进泥管经由进泥口与阳极污泥池相连。阳极污泥池由出泥口通过汲泥管、泵iv与污泥储存池连接。电解液进水池通过泵i、进液管经由进水口与阴极反应池连接。阴极反应池由出水口通过汲液管、泵v与阴极出水池连接。阳极污泥池顶部经气体导管与阴极反应池连接，该气体导管插入阴极反应池池体底部。阴极反应池顶部通过出气导管与气体储存室相连。

2、一种使用权利要求1所述的装置对城市污泥的厌氧生物电化学处理工艺包括以下工序：

1)取污水处理厂产生的污泥或经过预处理后的污泥，在室温下静止沉淀12-48h，最佳沉淀为24h，弃去上清液，留下沉降的污泥作为阳极污泥池待发酵的污泥置于初始污泥池；

2)取铁片剪成2×5cm的长方形，用0.1mol/l的naoh溶液浸泡15-25h，最佳浸泡时间为20h；用水冲洗后再用10％的hcl溶液浸泡15-25h后烘干，最佳浸泡时间为20h，用水冲洗去除表面的油垢、锈迹，真空干燥5-8h后作为铁电极备用，最佳干燥时间为8h；

3)取直径为0.5-2.0cm长4.5-5.5cm的碳棒，作为优选，采用的碳棒直径为1cm，长度为5cm，用此材料作为碳电极；碳棒冲去粉尘后，用4mol/l的hcl溶液浸泡15-25h，最佳浸泡时间为20h；用水冲洗后再用4mol/l的naoh溶液浸泡15-25h后烘干备用，最佳浸泡时间为20h；

4)铁电极置于阳极污泥池中并与电化学工作站的对电极接口连接；ag/agcl电极置于阴极反应池左侧并与电化学工作站的参比电极接口连接；碳电极置于阴极反应池右侧并与电化学工作站的工作电极接口连接；

5)阳极污泥池与阴极反应池由质子交换膜分隔；打开进泥口，设置调整泵iii速至污泥停留时间16-30天，作为优选，污泥停留时间为20天，使沉降后的污泥通过进泥管、进泥口进入到阳极污泥池；

6)打开进水泵i，使电解液进水池中浓度为0.3-0.8mol/l的nahco3溶液通过泵i、进液管、进水口进入到阴极反应室，通过泵i的泵速使得水力停留时间调整为16-30天，作为优选nahco3浓度为0.5mol/l，水力停留时间为20天；

7)打开水浴装置，使得恒温进水依次通过泵ii、水浴管i、水浴层i、水浴管ii、水浴层ii、出水管ii，并回流至水浴装置；

8)打开电化学工作站，工作电势设置范围为-0.4v--1.6v，作为优选，采用工作电极电势为-1.2v；

9)在阳极污泥池的气体通过气体导管通入阴极反应池电解液底部，阴极反应池的气体通过出气导管进入气体储存室；

10)阳极污泥池的污泥经出泥口通过汲泥管、泵iv进入污泥储存池，阴极反应池的阴极电解液经出水口通过汲液管、泵v进入阴极出水池。

这种基于阳极促进污泥厌氧消化和阴极二氧化碳还原的厌氧微生物电化学处理工艺具有的特点是：铁片加至阳极污泥内，可以作为导体材料可以富集电活性微生物，并提高厌氧系统的的稳定性。电活性微生物可以促进厌氧系统对于有机物的分解，并将产生的电子给铁片阳极，进而传递至阴极提供阴极还原所需的电子。因此，阳极室内底物的降解过程得到增强。电子到达阴极后，通过施加的特定电极电势传递至二氧化碳并将其还原为c1和c2等有机物。零价铁在阳极的加入能促进厌氧过程中的产酸阶段的乙酸生成量，产生的酸进一步加快零价铁的溶出，溶出的二价铁作为厌氧微生物代谢中的重要物质对厌氧系统微生物活性及丰度的提高起着重要的促进作用。

本发明在阳极污泥池顶部收集的气体直接经由导管导入阴极反应池的底部并通过控制阴极电势来进行二氧化碳的电化学还原以实现气体纯化与有机化合物的生产。

附图说明：图1为一种基于阳极促进污泥厌氧消化和阴极二氧化碳还原的厌氧微生物电化学处理工艺示意图。

图中：1、进泥口，2、水浴层i，3、水浴管ii，4、气体导管，5、铁电极，6、出泥口，7、出水口，8、ag/agcl电极，9、碳电极，10、水浴管iii，11、水浴层ii，12、进水口，13、阴极反应池，14、进液管，15、质子交换膜，16、水浴管i，17、阳极污泥池，18、初始污泥池，19、污泥储存池，20、电化学工作站，21、阴极出水池，22、出气导管，23、气体储存室，24、电解液进水池，25、水浴装置，26、泵i，27、泵ii，28、泵iii，29、泵iv，30、泵v，31、对电极接口，32、参比电极接口，33、工作电极接口，34、汲液管、35、汲泥管36、进泥管。

具体实施方式：下面结合附图1对本发明做进一步说明。这种基于阳极促进污泥厌氧消化和阴极二氧化碳还原的厌氧微生物电化学处理工艺，其特征在于：阳极污泥池17及阴极反应池13分别由水浴层i-2和水浴层ii-11包裹。阳极污泥池17及阴极反应池13用质子交换膜15分隔开。铁电极5置于阳极污泥池17中并与电化学工作站20的对电极接口31连接。ag/agcl电极8置于阴极反应池13左侧并与电化学工作站20的参比电极接口32连接。碳电极9置于阴极反应池13右侧并与电化学工作站20的工作电极接口33连接。水浴装置25下方通过泵ii-27、水浴管i-16与水浴层i-2连接。水浴层i-2经由水浴管ii-3与水浴层ii-11连接。水浴层ii-11由水浴管iii-10与水浴装置25上方连接。初始污泥池18通过泵iii-28、进泥管36经由进泥口1与阳极污泥池17相连。阳极污泥池17由出泥口6通过汲泥管35、泵iv-29与污泥储存池19连接。电解液进水池24通过泵i-26、进液管14经由进水口12与阴极反应池13连接。阴极反应池13由出水口7通过汲液管34、泵v-30与阴极出水池21连接。阳极污泥池17顶部经气体导管4与阴极反应池13连接，该气体导管4并插入阴极反应池13池体底部。阴极反应池13顶部通过出气导管22与气体储存室23相连。

一种使用权利要求1所述的设备对厌氧污泥进行处理的工艺，包括以下步骤：

取污水处理厂产生的污泥或经过预处理后的污泥，在室温下静止沉淀12-48h，最佳沉淀为24h，弃去上清液，留下沉降的污泥作为阳极污泥池17待发酵的污泥，也可以直接采用污水处理场内未处理的生活污水作为阳极室内的底物置于初始污泥池18。

取铁片剪成2×5cm的长方形，用0.1mol/l的naoh溶液浸泡15-25h，最佳浸泡时间为20h。用水冲洗后再用10％的hcl溶液浸泡15-25h后烘干，最佳浸泡时间为20h，用水冲洗去除表面的油垢、锈迹，真空干燥5-8h后作为铁电极5备用，最佳干燥时间为8h。

取直径为0.5-2.0cm长4.5-5.5cm的碳棒，作为优选，采用的碳棒直径为1cm，长度为5cm，以此作为碳电极9。碳棒冲去粉尘后，用4mol/l的hcl溶液浸泡15-25h，最佳浸泡时间为20h。用水冲洗后再用4mol/l的naoh溶液浸泡15-25h后烘干备用，最佳浸泡时间为20h。

铁电极5置于阳极污泥池17中并与电化学工作站20的对电极接口31连接。ag/agcl电极8置于阴极反应池13左侧并与电化学工作站20的参比电极接口32连接。碳电极9置于阴极反应池13右侧并与电化学工作站20的工作电极接口33连接。

阳极污泥池17与阴极反应池13由质子交换膜15分隔。打开进泥口1，设置调整泵iii-28速至污泥停留时间16-30天，作为优选，污泥停留时间为20天，使沉降后的污泥或生活污水通过进泥管36、进泥口1进入到阳极污泥池17。

打开进水泵i-26，使电解液进水池24中浓度为0.3-0.8mol/l的nahco3溶液通过泵i-26、进液管14、进水口12进入到阴极反应室13，通过泵i-26的泵速使得水力停留时间调整为16-30天，作为优选nahco3浓度为0.5mol/l，水力停留时间为20天。

打开水浴装置25，使得恒温进水依次通过泵ii-27、水浴管i-16、水浴层i-2、水浴管ii-3、水浴层ii-11、出水管ii-10，并回流至水浴装置25。

打开电化学工作站20，工作电势设置范围为-0.4v--1.6v，作为优选，采用工作电极电势为-1.2v。

在阳极污泥池17的气体通过气体导管4通入阴极反应池13电解液底部，阴极反应池13的气体通过出气导管22进入气体储存室23。

阳极污泥池17的污泥经出泥口6通过汲泥管35、泵iv-29进入污泥储存池19，阴极反应池13的阴极电解液经出水口7通过汲液管34、泵v-30进入阴极出水池21。

本发明的应用机理：在阳极污泥池中：

(1)零价铁的加入强化厌氧系统的处理能力及稳定性。

(2)零价铁能促进厌氧过程中的产酸阶段的乙酸生成量。

(3)产生的酸进一步加快零价铁的溶出。

(4)溶出的二价铁对厌氧微生物的生长起积极作用。

阴极反应池中：通过电化学工作站对工作施加-0.4v到-1.6v的电势co2可以被还原成c1和c2等有机物。

通过采用上述方法，本发明可以达到如下效果：阳极污泥池中促进污泥经过厌氧发酵后的减量化，同时提高了发酵过程中甲烷生成量。阴极反应池中通过对co2的还原不仅避免了沼气中co2的排放，获得清洁的能源，而且co2还原生成的产物可以作为化学原料。