一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置及方法

2023-09-19 02:40:45 10

專利名稱：一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種厭氧汙水淨化領域中的生物強化裝置及方法，更具體的說，它涉及一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置及方法，主要適用於工業廢水、垃圾滲濾液等高濃度難降解廢水的生物強化處理。
背景技術：
高濃度難降解工業廢水中汙染物濃度高，廢水可生化性差，對生態環境和人體健康產生危害，用傳統處理工藝處理效果差，技術和經濟上都存在較大困難，是工業廢水處理領域長期存在的技術難題。現有技術中，有採用物化處理工藝，例如活性炭吸附法、溼式氧化法、蒸餾法等，運行費用高，投資大，效果仍很不理想；採用焚燒法，或經大倍數加水稀釋化進行生化處理，費用更加昂貴，工程化應用困難。厭氧生物處理過程能耗低，有機容積負荷高，一般為5 10kgC0D/m3-d,最高的可達30 50kgC0D/m3 · d ；厭氧菌對營養需求低、耐毒性強、可降解的有機物分子量高；剩餘汙泥量少，耐衝擊負荷能力強，產出的沼氣是一種清潔的能源。在全社會提倡循環經濟，關注工業廢棄物實施資源化再生利用的今天，厭氧生物處理顯然是能夠使汙水資源化的優選工藝。近年來，汙水厭氧處理工藝發展十分迅速，各種新工藝、新方法不斷出現，而上流式厭氧汙泥床UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Bed)工藝由於具有厭氧過濾及厭氧活性汙泥法的雙重特點，作為能夠將汙水中的汙染物轉化成再生清潔能源——沼氣的一項技術。對於不同含固量汙水的適應性也強，且其結構、運行操作維護管理相對簡單，造價也相對較低，技術已經成熟，正日益受到汙水處理業界的重視，得到了廣泛的歡迎和應用。但是，上流式厭氧汙泥床仍存在一定缺陷，進水中懸浮物要適當控制，不宜過高，一般控制在100mg/L以下，汙泥床內有短流現象，影響處理能力，並且對水質和負荷突然變化較敏感，耐衝擊力稍差。中國專利申請號200710023837. 8，發明名稱為一種難降解高濃度有機廢水的處理方法，該申請案公布了芬頓氧化法-EGSB-MBR組合系統處理難降解高濃度有機廢水的方法；中國專利申請號=200810196051.0，發明名稱為催化鐵還原與厭氧水解酸化協同預處理工業廢水的方法，該申請案將毒害汙染物的毒性官能團脫出，減少毒性汙染物對厭氧微生物毒害作用。以上研究雖能提高廢水綜合生物降解性能，但也存在一定問題，對於進水懸浮物較高的汙水處理效率難以保證，同時對低溫下汙水厭氧處理，存在比較大的缺陷。本發明所採用的填料具有一定的孔隙率，可以在發揮電解作用的同時吸附和絮凝廢水中的懸浮物； 同時利用太陽能將光能轉化為電能，通過電化學強化低溫下微生物處理效果，彌補現有太陽能轉化為熱能技術中產熱量不足，難以提高汙水溫度，汙水降解效率不高等缺陷。

發明內容
發明要解決的技術問題本發明針對現有厭氧汙水生物處理中難降解物質(如醯胺、脂類、有機酸等)處理效率低的不足，以及厭氧反應器在低溫下運行的缺陷，提供一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置及方法。技術方案
實現本發明目的的技術解決方案為
一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置，包括厭氧反應器，所述的厭氧反應器中設置有金屬電極板，金屬電極板與太陽能直流發電系統相連接。所述的太陽能直流發電系統由太陽能電池板、充電控制器和蓄電池通過導線連接。所述的金屬電極板安裝在厭氧反應器的汙泥區，金屬電極板設有1組以上，金屬電極板通過電池板連接導線與太陽能直流發電系統相連接。所述的太陽能電池板的材料為太陽能多晶矽或單晶矽。一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化方法，其步驟為
(a)在厭氧反應器外安裝太陽能直流發電系統，太陽能直流發電系統與金屬電極板相連接，並處於斷路狀態；
(b)接種汙泥，保持厭氧反應器內有機負荷低於lkgCOD/m3· d，運行2個月後逐漸提高進水濃度至^gCOD/m3 · d，對厭氧反應器中的汙泥進行馴化；
(c)汙泥經3飛個月完成馴化後，向汙泥區加入新型活性催化微電解填料，控制填料與厭氧反應器內汙泥區體積比為0. Γ0. 2 ；
(d)待顆粒汙泥中有機物適應新型活性催化微電解填料共存環境後，接通電路，使汙泥-填料體系在外加電壓1 3V的狀態下運行，形成外電場-微生物-微電解強化反應體系。所述的厭氧反應器為上流式厭氧顆粒汙泥床，馴化後厭氧反應器中汙泥形態呈顆粒狀。所述的厭氧反應器為膨脹顆粒汙泥床，馴化後厭氧反應器中汙泥形態呈顆粒狀。步驟(C)中新型活性催化微電解填料為多孔架構式結構，含鐵75 85%、碳10 20%、催化劑 5%，陰陽極形成合金一體化，粒度為10 30mm，比重為1. Og/cm3。本發明的原理是在微生物-微電解反應體系中，新型活性催化微電解填料在無需外接電源的情況下自身產生1.2V電位差，當系統通水後設備內形成原電池系統，在其周圍產生許多電場，形成電流。生成的1 2+通過調節PH值進一步產生狗3+，它們的水合物具有較強的吸附-絮凝作用，可以保證上流式厭氧汙泥床對低SS濃度的要求，減小SS對顆粒汙泥性狀影響，保證微生物具有高反應活性。微電解反應中生成大量羥基自由基，對難降解物質有較高的去除效果。在汙泥區通過電極板加外加電場後，受外電場影響，反應中產生的陰陽離子會加速向特定極板方向運動，從根本上增加了底物傳質效率。在微生物-微電解反應中，離子會在外電場影響下運動形成局部濃度差，根據勒沙特列平衡移動原理，反應會降解有機物生成更多離子，達到動態平衡，加速整體反應進程。本發明通過將太陽能轉化為電能，在反應器汙泥區形成外電場，使反應區同時進行生化反應和電化學反應，電化學反應對微生物生化反應進行強化，形成外電場-微生物-微電解強化體系。有益效果
本發明與現有技術相比，其顯著優點為
(1)利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置及方法，以太陽能-微生物-微電解集成的形
4式，實現厭氧反應器處理難降解有機物的有效運行；
(2)利用太陽能直流發電系統，充分開發利用自然能源，減少電能消耗；
(3)在汙泥反應區設置金屬電極板，形成電場，結合生化反應和電化學反應特點，共同降解有機物，實現了二者的有效聯合，充分提高反應效率；
(4)利用新型活性催化微電解填料，形成微生物-微電解反應，使生化反應實現進一步強化，同時保證處理效率；
(5)通過外電場從根本上增加傳質效果，使低溫條件下對微生物反應進行強化，解決厭氧反應器冬季運行處理效率普遍偏低的問題；
(6)通過投加新型活性催化微電解填料，進一步提高難降解物質處理效率，有利於提高厭氧反應器的汙泥負荷及有機負荷，對保證產甲烷率也有重要作用。


圖1為本發明的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置的整體工藝示意圖； 圖2為本發明的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化方法的流程示意圖。附圖中標號說明
太陽能電池板1、充電控制器2、蓄電池3、厭氧反應器4、進水口 5、金屬電極板6、汙泥 7、型活性催化微電解材填料8、氣泡9、出水口 10、沼氣口 11、電池板連接導線12。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明做進一步說明。結合圖1，本發明的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置，包括太陽能電池板 1、充電控制器2、蓄電池3、厭氧反應器4、進水口 5、金屬電極板6、汙泥7、型活性催化微電解材填料8、氣泡9、出水口 10、沼氣口 11和電池板連接導線12，其中厭氧反應器4中設置有金屬電極板6，金屬電極板6與太陽能直流發電系統相連接。太陽能直流發電系統由太陽能電池板1、充電控制器2和蓄電池3通過導線連接， 太陽能電池板1的材料為太陽能多晶矽或單晶矽。金屬電極板6安裝在厭氧反應器4的汙泥區，金屬電極板6通過電池板連接導線12與太陽能直流發電系統相連接，根據不同反應階段，控制開關，調節電流，根據電極板尺寸和汙泥區有效容積，可設多組電極板串聯或並聯。厭氧反應器可選上流式厭氧顆粒汙泥床(UASB)和膨脹顆粒汙泥床(EGSB)，其汙泥形態多呈顆粒狀，可以與新型活性催化微電解材填料8有效結合。厭氧反應器4設進水口 5，出水口 10，沼氣口 11，氣泡9通過沼氣口 11進行收集。結合圖2，本發明的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化方法，其步驟為
(a)在厭氧反應器外安裝太陽能電池板1，太陽能電池板1將接收的太陽能轉化為電能，太陽能電池板1與金屬電極板6相連接，將金屬電極板6置於厭氧反應器4的汙泥反應區，並處於斷路狀態；
(b)在厭氧反應器中接種汙泥7，保持厭氧反應器4有機負荷低於lkgCOD/m3· d，運行 2個月後逐漸提高進水濃度至^gCOD/m3 · d，對厭氧反應器4中的汙泥7進行馴化；
(c)汙泥7經3飛個月完成馴化後，向汙泥區加入定量新型活性催化微電解填料8，控制填料與汙泥區體積比為0. Γ0. 2，與反應區微生物共同對有機物進行降解反應，形成微生物-微電解體系；
(d)待顆粒汙泥中有機物適應新型活性催化微電解填料8共存環境後，接通電路，使顆粒汙泥-填料體系在外加電極的狀態下反應，可以形成外電場-微生物-微電解強化體系， 有效提高難降解物質的處理效率。其中新型活性催化微電解填料(8)為多孔架構式結構，含鐵75 85%、碳10 20%、催化劑5%，陰陽極形成合金一體化，粒度為10 30mm，比重為1. Og/cm3，其密度接近顆粒汙泥密度。以下結合具體實施例對本發明做進一步描述。實施例1
以上流式厭氧汙泥床作為厭氧反應器4，厭氧反應器4中的汙泥區設置有銅鈦金屬電極板，銅鈦金屬電極板安裝有1組，銅鈦金屬電極板通過電池板連接導線12與太陽能直流發電系統相連接。安裝1000W多晶矽太陽能電池板，太陽能電池板1導出線路上依次連接充電控制器2、蓄電池3，調節變壓器使電極板間電壓保持在2. (Γ2. 5V之間。太陽能電池板1功率為1000W，光照時間為8h，蓄電池效率以70%計，則電池板每日產電量為Q=IOOOff X8hX 70°/oX10_3=5. 6kff · h。在汙水廠建立該太陽能汙水處理強化工藝，其步驟為
(a)在汙水廠以上流式厭氧汙泥床工藝為主，處理高濃度有機難降解廢水，在上流式厭氧汙泥床反應器外安裝太陽能電池板1，金屬電極板6採用方形TA2/T2銅鈦電極板，通過電池板連接導線12連接安裝到反應器汙泥區；
(b)電路保持斷路狀態，電池板進行蓄電，同時在上流式厭氧汙泥床中接種汙泥7，保持上流式厭氧汙泥床中有機負荷為0. 8kgC0D/m3 · d，運行2個月後逐漸提高進水濃度至 2. OkgCOD/m3 · d ；
(c)對汙泥7進行馴化，運行4個月後汙泥逐漸呈顆粒狀，向汙泥區加入定量新型鐵碳包容式微電解填料，其中填料含鐵80%、碳15%、催化劑5%，陰陽極形成合金一體化，比重為
1.Og/cm3，填料與反應區體積比為0. 15，與反應區微生物共同對有機物進行降解反應，形成微生物-微電解體系；
(d)待顆粒汙泥7中有機物適應填料共存環境後，接通電路，使顆粒汙泥-填料體系在外加電場的狀態下反應，形成外電場-微生物-微電解強化體系。上流式厭氧汙泥床上設置有進水口 5、出水口 10和沼氣口 11，氣泡9通過沼氣口 11進行收集。通過以上步驟處理，上流式厭氧汙泥床在低溫下運行良好，可節約電能 700^800元/年，COD去除率可提高20% 30%，氨氮去除率提高15% 20%，產甲烷率提高
10% 20%O實施例2
以膨脹顆粒汙泥床作為厭氧反應器4，厭氧反應器4中的汙泥區設置有網式鈦電極板， 網式鈦電極板安裝有2組，網式鈦電極板通過電池板連接導線12與太陽能直流發電系統相連接。安裝1500W單晶矽太陽能電池板，太陽能電池板1導出線路上依次連接充電控制器
2、蓄電池3，調節變壓器使電極板間電壓保持在2.5^3. OV之間。太陽能電池板1功率為1500W，光照時間為8h，蓄電池效率以70%計，則電池板每日產電量為:Q=1500WX8hX70%X10-3=8. 4kff · h
在汙水廠建立該太陽能汙水處理強化工藝，其步驟為
(a)在汙水廠以膨脹顆粒汙泥床工藝為主，處理高濃度有機難降解廢水，在膨脹顆粒汙泥床反應器外安裝太陽能電池板1，金屬電極板6採用網式鈦電極板，通過電池板連接導線 12連接安裝到反應器汙泥區；
(b)電路保持斷路狀態，電池板進行蓄電，同時在膨脹顆粒汙泥床中接種汙泥7，保持膨脹顆粒汙泥床中有機負荷為1. OkgCOD/m3 ·(!，運行2個月後逐漸提高進水濃度至2. OkgCOD/ m3 · d ；
(C)對汙泥7進行馴化，運行5個月後汙泥逐漸呈顆粒狀，向汙泥區加入定量多元氧化微電解填料，填料與反應區體積比為0. 10，與反應區微生物共同對有機物進行降解反應，形成微生物-微電解體系；
(d)待顆粒汙泥7中有機物適應填料共存環境後，接通電路，使顆粒汙泥-填料體系在外加電場的狀態下反應，形成外電場-微生物-微電解強化體系。 膨脹顆粒汙泥床上設置有進水口 5、出水口 10和沼氣口 11，氣泡9通過沼氣口 11 進行收集。通過以上步驟處理，膨脹顆粒汙泥床在低溫下運行良好，可節約電能120(Γ1300 元/年，COD去除率可提高30% 40%，氨氮去除率提高20% 25%，產甲烷率提高15% 20%。
權利要求
1.一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置，包括厭氧反應器(4)，其特徵在於，所述的厭氧反應器(4)中設置有金屬電極板(6)，金屬電極板(6)與太陽能直流發電系統相連接。
2.根據權利要求1所述的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置，其特徵在於，所述的太陽能直流發電系統由太陽能電池板(1)、充電控制器(2)和蓄電池(3)通過導線連接。
3.根據權利要求1所述的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置，其特徵在於，所述的金屬電極板(6)安裝在厭氧反應器(4)的汙泥區，金屬電極板(6)設有1組以上，金屬電極板(6)通過電池板連接導線(12)與太陽能直流發電系統相連接。
4.根據權利要求2所述的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置，其特徵在於，所述的太陽能電池板(1)的材料為太陽能多晶矽或單晶矽。
5.一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化方法，其步驟為(a)在厭氧反應器(4)外安裝太陽能直流發電系統，太陽能直流發電系統與金屬電極板 (6)相連接，並處於斷路狀態；(b)接種汙泥(7)，保持厭氧反應器(4)內有機負荷低於lkgCOD/m3· d，運行2個月後逐漸提高進水濃度至^gCOD/m3 · d，對厭氧反應器(4)中的汙泥(7)進行馴化；(c)汙泥(7)經；Γ6個月完成馴化後，向汙泥區加入新型活性催化微電解填料(8)，控制填料與厭氧反應器(4)內汙泥區體積比為0. Γ0. 2 ；(d)待顆粒汙泥(7)中有機物適應新型活性催化微電解填料(8)共存環境後，接通電路，使汙泥-填料體系在外加電壓1 3V的狀態下運行，形成外電場-微生物-微電解強化反應體系。
6.根據權利要求5所述的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化方法，其特徵在於，所述的厭氧反應器(4)為上流式厭氧顆粒汙泥床，馴化後厭氧反應器(4)中汙泥(7)形態呈顆粒狀。
7.根據權利要求5所述的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化方法，其特徵在於，所述的厭氧反應器(4)為膨脹顆粒汙泥床，馴化後厭氧反應器(4)中汙泥(7)形態呈顆粒狀。
8.根據權利要求5所述的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化方法，其特徵在於，步驟(c)中新型活性催化微電解填料(8)為多孔架構式結構，含鐵75 85%、碳10 20%、催化劑5%，陰陽極形成合金一體化，粒度為10 30mm，比重為1. Og/cm3。
全文摘要
本發明公開了一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置及方法，屬於厭氧汙水淨化領域。本發明的一種利用太陽能的厭氧汙水處理強化裝置，包括厭氧反應器，所述的厭氧反應器中設置有金屬電極板，金屬電極板與太陽能直流發電系統相連接；本發明在厭氧反應器外接太陽能直流發電系統，通過反應器汙泥區的電極板，並在顆粒汙泥馴化完成後向反應器中加入新型活性催化微電解填料，利用電極電場、填料和顆粒汙泥微生物的聯合作用，去除難降解物質，特別是對低溫條件下反應器運行進行強化，同時可以節約能耗，有效提高難降解物質去除率，保持反應器持續穩定運行。本發明主要適用於工業廢水、垃圾滲濾液等高濃度難降解廢水的生物強化處理。
文檔編號H02N6/00GK102249409SQ20111017131
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月23日 優先權日2011年6月23日
發明者丁麗麗, 任洪強, 牛川, 許柯 申請人:南京大學