一种基于生物能自驱动的原位污泥脱水一体化装置和方法

本发明属于污泥脱水以及高级氧化，具体涉及一种基于生物能自驱动的原位污泥脱水一体化装置和方法。

背景技术：

1、随着人口快速增长、城镇化进程加快、污水处理设施逐步完善，城镇污水处理规模也随之增大。过量污泥在污水处理过程中浓缩汇集了30％～50％的污染物及有机物，因此作为过程产物已经成为急需解决的关键问题。污泥的高含水率增加了总体积，使其在运输、储存和处理过程中变得不便。污泥脱水作为污泥处理和处置中的重要步骤，可以有效降低污泥体积，减轻后续运输及处理带来的运营成本和环境负担。然而污泥絮状物具有凝胶状结构，范德华力、静电作用力、亲水和疏水性等多种相互作用力的存在阻碍了液体和污泥固体分离，传统的混凝或机械脱水只能使泥饼含水率降低至80％左右。因此能够实现污泥深度脱水的污泥减量化技术已发展成为关键因素。同时，污泥中由于含有较多有机物，在经过处理后可以进一步资源化利用成为替代传统能源的绿色生物质能，有利于碳中和的实现。

2、近年来，在化学、物理和生物领域的不同处理方法被用来改善污泥性质，以实现污泥减量、风险缓解和循环利用。其中高级氧化工艺作为后续机械脱水的预处理技术在污泥脱水过程中受到了越来越多的青睐，过氧化氢(h2o2)、过硫酸盐、高铁酸盐、高锰酸盐和臭氧(o3)等氧化剂已被用于污泥处理。高级氧化技术可产生强氧化性自由基(如·oh、·so4-、·o2-等)能够破坏污泥絮体和胞外聚合物(eps)，将截留在污泥絮体内部的间隙水和与胞外聚合物结合的水从污泥中释放出来；能够提高细胞膜的渗透性，打破细胞壁的均匀性，从而将细胞内的水分释放出来，利于后续污泥脱水。芬顿反应作为最常用的高级氧化工艺之一，由于能够产生均匀的·oh被应用于污泥脱水与污染物的去除。如tao等人2019年在《化学工程杂志》(chemical engineering journal)第372期966～977页上发表的文章《富铁生物炭引发均相和非均相芬顿反应强化污泥脱水》(enhanced sludge dewatering viahomogeneous and heterogeneous fenton reactions initiated by fe-rich biocharderived from sludge)，其中利用富铁非均相催化剂作为铁源和催化剂完成芬顿反应，改善了结合水的释放和污泥的脱水性。然而这种传统芬顿法仍然具有成本高、能耗大、需要额外的不稳定试剂的缺点，需要构建低成本、高效率的芬顿体系作为预处理技术并与后续机械脱水过程结合，最终实现污泥的深度脱水。

技术实现思路

1、本发明是要解决现有的污泥减量化技术的传统脱水法的泥饼含水率高、芬顿法的成本高、能耗大、试剂多的技术问题，而提供一种基于生物能自驱动的原位污泥脱水一体化装置和方法。

2、本发明的基于生物能自驱动的原位污泥脱水一体化装置包括电能供应腔室1、混合反应腔室2、质子交换膜3、碳纤维刷4、外电阻5、参比电极6、锥形抽滤筒7、镂空板8、滤布9、可旋转分隔板10、抽滤机11和曝气泵12；其中质子交换膜3设置在电能供应腔室1与混合反应腔室2之间，利用质子交换膜3分隔保证质子顺利转移并防止氧气的扩散；在电能供应腔室1内设置碳纤维刷4做初始阴极，在混合反应腔室2设置碳纤维刷4做初始阳极，以ag/agcl(+0.195v vs.标准氢电极，she)作为参比电极，参比电极6设置在电能供应腔室1内；阴极经外电阻5与阳极相连接，利用多通路采集器记录该系统的电化学数据；混合反应腔室2下方通过镂空板8与锥形抽滤筒7固定连接；镂空板8分隔起到原位抽滤脱水的作用；在镂空板8上方置有滤布9和旋转分隔板10；抽滤机11与锥形抽滤筒7连接；曝气泵12的曝气头设置在混合反应腔室2的碳纤维刷4下面。

3、更进一步地，基于生物能自驱动的原位污泥脱水一体化装置还包括支架13；电能供应腔室1、混合反应腔室2位于支架13上方。

4、更进一步地，滤布9的过滤孔径为40～50μm。

5、本发明的基于生物能自驱动的原位污泥脱水一体化方法，按以下步骤进行：

6、一、准备阶段：将电子受体溶液注入基于生物能自驱动的原位污泥脱水一体化装置的混合反应腔室2中，将剩余污泥注入电能供应腔室1中，保持电能供应腔室1的厌氧状态并定期更换混合反应腔室2中的培养溶液至整个系统的电压不再上升并保持稳定；

7、二、混合催化运行阶段：在混合反应腔室2放置用无机酸和碱溶液预调理的剩余污泥14，并加入负载尖晶石铁氧体的生物炭颗粒催化剂15，在混合反应腔室2中构建三维非均相氧化体系；开启曝气泵12，通过置于碳纤维刷4电极下方的曝气头对混合反应腔室2进行曝气处理2～3h，利用电能供应腔室1产生的电能驱动电芬顿反应的发生，完成剩余污泥14脱水前的预处理；

8、三、真空脱水阶段：曝气预处理结束后，将混合反应腔室2底部的旋转分隔板10旋转为竖直状态，启动抽滤机11进行抽滤，完成剩余污泥脱水。

9、更进一步地，步骤一中所述的电子受体溶液是用铁氰化钾和磷酸二氢钾配制的混合水溶液；其中铁氰化钾的浓度为16～17g/l，磷酸二氢钾的浓度为13～14g/l；

10、更进一步地，步骤一中所述的定期更换是指每2～3天更换一次。

11、更进一步地，步骤一中所述的培养溶液至整个系统的电压不再上升并保持稳定，是指整个系统的输出电压为0.68～0.75v且在之后的3～5天内保持输出电压在0.68～0.72v之间，即为达到稳定状态。

12、更进一步地，步骤二中所述的无机酸和碱溶液预调理的剩余污泥是将剩余污泥的初始ph调节至3～5。

13、更进一步地，步骤二中所述的负载尖晶石铁氧体的生物炭颗粒催化剂，其制备方法如下：

14、(1)将生物炭超声分散于去离子水中，生物炭的浓度为0.2～0.5g/l，再加入mgcl2·6h2o和fecl3·6h2o，使mgcl2的浓度为0.1～0.2m，fecl3的浓度为0.2～0.4m，再用浓度为2m的naoh溶液将ph调节至9.5～10.5，得到前驱液；

15、(2)将前驱液在80～85℃下连续搅拌3～3.5h后，离心分离，弃去上清液，将固相物用超纯水洗涤干净，干燥后放在温度为500～530℃的高温炉中煅烧2～2.5h，得到负载尖晶石铁氧体的生物炭颗粒催化剂。

16、更进一步地，步骤二中所述的曝气速率为100～300ml/min。

17、更进一步地，步骤二中所述的外电阻5的阻值为10～200欧姆。

18、本发明针对现有污泥减量化技术的不足进行改进，应用新型三维颗粒催化材料，即负载尖晶石铁氧体的生物炭颗粒催化剂(mgfe2o4/bc)在同一腔室内实现生物电芬顿与机械抽滤过程的连续进行，颗粒催化材料既充当芬顿反应的非均相催化剂又可以作为原位抽滤脱水的骨架结构，最终实现污泥的深度脱水，具体详述如下：

19、(1)本发明采用颗粒催化材料mgfe2o4/bc构建三维反应体系，实现了多重机制的耦合从而完成污泥原位连续反应。三维颗粒mgfe2o4/bc具有特殊的尖晶石结构，能够促进铁离子的循环再生，有效改善fe(ⅲ)/fe(ⅱ)这一反应传统的限速步骤；且由于尖晶石负载于生物炭上，有效改善颗粒团聚性从而拥有更大比表面积，暴露出更充分的活性位点，能够更快催化氧气还原为过氧化氢；同时生物炭表面含有的持久性自由基也可作为催化h2o2的位点，最终导致大量羟基自由基的产生。强氧化性·oh破坏污泥细胞和胞外聚合物结构，从而释放内部结合水为自由水；同时破坏亲水性官能团，改善污泥的表面特性，显著提高脱水性能。三维颗粒mgfe2o4/bc可以避免氧化过程中产生的细小胶质堵塞过滤通道，构成不易压缩但可渗透的结构，提供良好的排水通道从而有助于自由水的排出，获得较低含水率的污泥饼。

20、(2)作为生物能自驱动体系，在非均相催化过程中，无需另外投加反应试剂(h2o2),安全性更好；产生的h2o2直接在原位被利用，避免长距离传递的损耗；三维颗粒mgfe2o4/bc具有良好的导电性能，显著改善电子传递，提升能源利用效率。在供能区电极表面的产电菌可以利用底物中的有机物产生电子，作为能源供应驱动催化反应的发生，从而避免了额外的能量输入，更具有自平衡性和可持续性；其中利用废弃有机物(如剩余污泥)，实现了废弃物资源化和回收再利用，达到以废治废的效果。

21、(3)强氧化性自由基可以完成污泥中各种污染物的转化和降解，释放结合态重金属，消除易挥发性有毒有害气体，降低后续资源回收过程(如农业堆肥)的环境影响。且由于颗粒活性炭的灰分含量低热值高，有利于采取焚烧发电等方式。本方法具有反应效率高能耗低、药剂消耗少、操作条件温和、处理能力强等多种优点；经过处理后得到的污泥饼的含水率达到65.84％～70.68％，比阻为3.73×1012～4.31×1012m/kg，由于低含水率和低毒性，可以作为生物质能在相应领域替代高碳排放的传统能源。

22、本发明可用于污泥领域。