专利名称：生物产电加速脱水污泥厌氧堆肥的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脱水污泥厌氧堆肥的系统。
背景技术：
在我国，城市污水大多采用活性污泥法进行处理，其中产生的大量剩余污泥一般在厂内经浓缩、脱水处理后运出厂外进行填埋、焚烧、堆肥等处置。与其他方法相比，堆肥处理不但可以达到污泥稳定化的目的，同时能够实现污泥的资源化利用。根据微生物的生长环境，堆肥可分为好氧堆肥和厌氧堆肥。好氧堆肥需要严格控制鼓风量，能耗和运行成本较高、对机械化设备的要求较严格；而厌氧堆肥能耗低、操作简单、易于控制，其应用逐步受到重视，但其周期长的问题需得到有效解决。生物产电可以加速污泥的厌氧降解过程，并在处理污泥的同时回收电能。污泥在厌氧堆肥处理过程中有机物厌氧分解生成大量的简单化合物，如糖类化合物、核蛋白、磷脂等，这些简单化合物已被证实可以被产电菌直接利用。·
发明内容
本发明的目的是提供一种生物产电加速脱水污泥厌氧堆肥的系统，以解决现有污泥在厌氧堆肥处理过程中周期较长的问题。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是所述系统包括阳极室、阴极室、质子交换膜、Ag/AgCl电极、橡胶塞、硅胶管、集气瓶、酸性气体吸收瓶、量筒和两个石墨刷电极，阳极室为圆柱体形，阳极室的上端面开有排气口，阳极室的侧壁开有两个取样口，阴极室为长方体形，阴极室的上端面开有进液口，阴极室的侧壁上开有一个排液口，阳极室和阴极室由质子交换膜分隔；阳极室和阴极室中心位置均设置石墨刷电极，两个石墨刷电极之间用铜导线连接形成闭合电路，该电路外接电阻，Ag或AgCl电极通过橡胶塞插入至阳极室内；阳极室内装有脱水污泥，阴极室内装有电解液，阳极室的排气口通过硅胶管与集气瓶连通，集气瓶通过酸性气体吸收瓶与量筒连通。本发明具有以下有益效果1.本发明无鼓风、控温等装置，无需翻堆，能耗低、操作简单易行、节约人力、易于管理，在经济上具有极大的优越性。2.本发明能够促进堆肥腐熟、缩短堆肥周期，从而提高了脱水污泥的处理量。3.本发明同步实现了生物产电，将脱水污泥中部分生物质能以清洁电能形式回收。4.本发明处理对象为脱水污泥，是一种城市污泥的干法处理工艺，与处理剩余污泥相比，处理对象中TS由2 %提高到20 %，反应器容积相应减小90 %，节省设备投资和土地占用。5.本发明提供的微生物燃料电池型厌氧堆肥系统适合于多种不同物料，应用广泛。6.本发明提供的微生物燃料电池型厌氧堆肥系统结构简单、功能完善，易于实现。
图I是本发明厌氧堆肥系统中阳极室和阴极室的纵剖图，图2是图I的俯视图，图3是图I的左视图，图4是本发明的厌氧堆肥系统整体结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图I-图4说明本实施方式，本实施方式的系统包括阳极室15、阴极室16、质子交换膜17、Ag/AgCl电极2、橡胶塞7、硅胶管10、集气瓶11、酸性气体吸收瓶12、量筒13和两个石墨刷电极1，阳极室15为圆柱体形，阳极室15的上端面开有排气口 4，阳极室15的侧壁开有两个取样口 3，阴极室16为长方体形，阴极室16的上端面开有进液口 5，阴极室16的侧壁上开有一个排液口 6，阳极室15和阴极室16由质子交换膜17分隔；阳极室15和阴极室16中心位置均设置石墨刷电极1，两个石墨刷电极I之间用铜导线连接形成闭合电路，该电路外接电阻，Ag或AgCl电极2通过橡胶塞7插入至阳极室·15内；阳极室15内装有脱水污泥，阴极室16内装有电解液，阳极室15的排气口 14通过硅胶管10与集气瓶11连通，集气瓶11通过酸性气体吸收瓶12与量筒13连通。阳极室15内设有数据采集器9，阴极室16内装有电解液为K3[Fe (CN)6]与KH2PO4的混合液，此混合液的优点是使用普通碳材料作为电极时，铁氰化物具有较好的稳定性，过电位较低，阴极工作电压接近其开路电压，对系统产电性能影响较小，可以保证系统性能的改变主要源自阳极底物特性的变化。本发明基于微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)和污泥厌氧堆肥(Anaerobic composting, AnC)系统特性,在AnC中设置电极引入生物产电技术构建了微生物燃料电池型厌氧堆肥系统(MFC-AnC)，加速污泥厌氧降解同时实现电能回收。以脱水污泥为堆肥底物、铁氰化钾为阴极电解液的MFC-AnC堆肥21d后污泥中TOC去除率达20. 6 %，这与文献中所报道的好氧堆肥去除率相当；MFC-AnC可直接利用脱水污泥为燃料产电，其开路电压可达0. 84V，最大功率密度为5. 3ff/m3,反应器内阻为98 Q ;增大污泥含水率可以显著降低MFC-AnC内阻，提高系统产电性能，因此利用MFC-AnC系统对脱水污泥进行厌氧堆肥可以放宽污泥脱水后含水率须降至80%以下的限制，从而节省脱水过程的能耗；餐厨垃圾的添加可以改善脱水污泥降解特性，促进厌氧堆肥顺利进行，因此MFC-AnC系统可以接受混有一定量餐厨垃圾的脱水污泥为原料。本发明首次将生物产电技术引入污泥堆肥系统，这大大提高了厌氧堆肥系统的处理能力，缩短堆肥周期，由于本发明无鼓风、控温等装置，无需翻堆，能耗低、易于管理，在经济上具有极大的优越性，使之更适合于脱水污泥处理的实际应用。
具体实施方式
二 结合图4说明本实施方式，本实施方式的所述系统还包括玻璃棉层14,阳极室15和阴极室16外部设有玻璃棉层14,此结构维持堆体温度。其它实施方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三构建了由有机玻璃制成的MFC-AnC反应器。反应器主要由阳极室、阴极室和质子交换膜构成。阳极室15呈圆柱体型,规模为80mmX 80mm,有效容积380mL,在距反应器上、下表面26mm处各设I个①12mm的取样口 ；阴极室16为长方体型，尺寸为40mmX50mmX80mm,有效容积150mL ;两室由质子交换膜(Nafion 117CS, Dupont公司生产的)分隔。阳极室15和阴极室16中心位置设有钛金属丝和石墨纤维制成的石墨刷电极I。阳极室15内插入Ag/AgCl电极2(+0. 195V vs.标准氢电极，SHE)作为参比电极，阴极选用K3[Fe (CN)6](电子受体，32. 9g/L)与KH2PO4 (27. 2g/L)的混合液作为电解液。外电路负载为1000 Q。为保障厌氧堆肥反应的顺利进行，反应器外部包裹玻璃棉层以维持堆体温度。实验所用污泥取自某污水处理厂带式压滤机的脱水污泥。在启动阶段，向阳极室15投入脱水污泥和剩余污泥的混合液，并加入适量营养液和金属元素以培养电子传递细菌，MFC-AnC的接种通过定期更换阳极接种物和阴极电解液来完成，每7d更换一次阴极电解液，3d更换一次阳极底物并逐步加大脱水污泥的比例，至最后一次培养时只投加脱水污泥。实验所用餐厨垃圾取自学校教工食堂，主要成分为蔬菜、面食、肉类等，滗去水分后用食物粉碎机粉碎至l_2mm。实验和分析检测均在室温(24±3°C )和标准大气压(I. 013X IO5Pa)下进行。
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阳极室15中堆肥过程产生的气体经硅胶管10导入装有3% NaOH溶液的集气瓶11和内部填充Ca(OH)2和工业硅胶的酸性气体吸收瓶12，同时等体积的水被压入到量筒13。MFC-AnC的电压通过多通道电压采集器(12bit A/D conversion chips,US)每隔Imin在线记录输出电压及阳极电势，同时使用电流表(量程0-2mA)对电压值进行校正。功率密度P (ff ^nT3) = UI/Va，其中U是电压(V)，I是电流(A)，Va为阳极有效容积(m3)。阴极电势利用全电压减去阳极电势的绝对值获得。待系统输出电压稳定时，通过变化外电路电阻，分别对输出电压和阳极电势进行测量，获得极化曲线。MFC-AnC的内阻由电池极化曲线获得U = E-IRint，其中E是电动势(V)，Rint是电池内阻(Q)。本实验将阳极电势大于-0. 2V时视为产电周期结束。MFC-AnC经3周培养后电压升至0. 6V以上，且运行稳定，标志系统启动成，随后向MFC-AnC阳极堆肥室投入新鲜脱水污泥，连续运行21d，实验过程中每隔一定时间从上下两个取样口取出等量样品，混合均匀后，测定相关理化参数。实施结果表明，当进泥有机质为53. 6%时，厌氧堆肥21d后MFC-AnC中脱水污泥TOC去除率达20.6%，这与文献中所报道的好氧堆肥去除率相当，将生物产电技术引入污泥厌氧堆肥系统能够加速污泥有机物的降解；MFC-AnC可直接利用脱水污泥为燃料产电，以KJFe(CN)6]为阴极电解液的MFC-AnC开路电压可达0. 84V，最大功率密度为5. 3W/m3，反应器内阻为98 Q ;增大污泥含水率可以显著降低MFC-AnC内阻，提高系统产电性能，因此利用MFC-AnC系统对脱水污泥进行厌氧堆肥可以放宽污泥脱水后含水率须降至80%以下的限制，从而节省脱水过程中的能耗；餐厨垃圾的添加可以改善脱水污泥降解特性，促进厌氧堆肥顺利进行，提高污泥的降解速率，缩短整个堆肥周期，因此MFC-AnC系统可以接受混有一定量餐厨垃圾的脱水污泥为原料。本发明的最大创新性在于将生物产电技术首次引入污泥堆肥系统，这大大提高了厌氧堆肥系统的处理能力，缩短堆肥周期，使之更适合于脱水污泥处理的实际应用。
权利要求
1.一种生物产电加速脱水污泥厌氧堆肥的系统，其特征在于所述系统包括阳极室(15)、阴极室(16)、质子交换膜(17)、Ag/AgCl电极(2)、橡胶塞(7)、硅胶管(10)、集气瓶(11)、酸性气体吸收瓶(12)、量筒(13)和两个石墨刷电极(1)，阳极室(15)为圆柱体形，阳极室(15)的上端面开有排气口(4)，阳极室(15)的侧壁开有两个取样口(3)，阴极室(16)为长方体形，阴极室(16)的上端面开有进液口(5)，阴极室(16)的侧壁上开有一个排液口(6)，阳极室(15)和阴极室(16)由质子交换膜(17)分隔； 阳极室(15)和阴极室(16)中心位置均设置石墨刷电极(I)，两个石墨刷电极(I)之间用铜导线连接形成闭合电路，该电路外接电阻，Ag或AgCl电极⑵通过橡胶塞(7)插入至阳极室(15)内； 阳极室(15)内装有脱水污泥，阴极室(16)内装有电解液，阳极室(15)的排气口(4)通过硅胶管(10)与集气瓶(11)连通，集气瓶(11)通过酸性气体吸收瓶(12)与量筒(13)连通。
2.根据权利要求I所述生物产电加速脱水污泥厌氧堆肥的系统，其特征在于所述系统还包括玻璃棉层(14)，阳极室(15)和阴极室(16)外部设有玻璃棉层(14)。
全文摘要
生物产电加速脱水污泥厌氧堆肥的系统，它涉及一种脱水污泥厌氧堆肥的系统。该系统解决现有污泥在厌氧堆肥处理过程中周期较长的问题。阳极室为圆柱体形，阳极室的上端面开有排气口，阳极室的侧壁开有两个取样口，阴极室为长方体形，阴极室的上端面开有进液口，阴极室的侧壁上开有一个排液口，阳极室和阴极室由质子交换膜分隔；阳极室和阴极室中心位置均设置石墨刷电极，两个石墨刷电极之间用铜导线连接形成闭合电路，该电路外接电阻，Ag或AgCl电极通过橡胶塞插入至阳极室内；阳极室内装有脱水污泥，阴极室内装有电解液，阳极室的排气口通过硅胶管与集气瓶连通，集气瓶通过酸性气体吸收瓶与量筒连通。本发明用于加速脱水污泥的厌氧堆肥，并实现同步产电。
文档编号H01M8/16GK102786330SQ201210305240
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者姜珺秋, 王琨, 赵庆良, 黄更 申请人:哈尔滨工业大学