一种利用脉冲磁场协同Fenton氧化反应的污泥预处理装置及方法

一种利用脉冲磁场协同fenton氧化反应的污泥预处理装置及方法
技术领域
1.本发明涉及污泥处理技术领域，具体涉及一种利用脉冲磁场协同fenton氧化反应的污泥预处理装置及方法。


背景技术：

2.随着城市化进程不断加快，城市污泥量也在飞速增长，污泥处理过程中的碳减排有着很大的必要性。我国污水行业碳排放量占全社会总排放量的1~2%，污水甲烷排放量排名第一，虽然碳排放量整体占比不大，但结合行业自身的发展需求，污水处理需要节能降耗和碳减排。污泥作为污水处理的副产物，富集了污水中带入和污水处理过程产生的难降解的有机物、重金属和病原体等有毒有害物质，同时含有n、p、k等营养物质，源头上具有“污染”和“资源”的双重属性。因此，污泥处理过程中实现碳减排对污水处理行业的“减污降碳”具有重要意义。
3.目前对污泥处理多采用厌氧消化的方法。由于污泥固体属难生物降解物质，因此厌氧消化时间周期长，并且在此期间会持续散发异味。由于水解过程厌氧微生物所需要的营养物质大部分存在于污泥絮体以及微生物的细胞壁(膜)内部原生质中，胞外分泌酶无法与营养基质充分有效接触，严重限制了厌氧消化的速率。因此，要对污泥进行预处理，即破碎污泥絮体和污泥细胞壁(膜)，使营养基质得以释放，进而加快整体厌氧消化过程。


技术实现要素：

4.本发明为解决采用厌氧消化的方法对污泥处理时，发酵过程时间长并且过程中会持续散发异味，在不适宜的条件下，污泥厌氧消化的效率低的技术问题，提供一种利用脉冲磁场协同fenton氧化反应的污泥预处理装置及方法。
5.由于水解过程厌氧微生物所需要的营养物质大部分存在于污泥絮体以及微生物的细胞壁(膜)内部原生质中，因此从两个角度对污泥进行预处理。首先通过向污泥中加入fenton试剂，利用fe
2
作为催化剂，使h2o2产生活泼的羟基自由基(
·
oh)，加快有机物和还原物质的氧化反应，破坏污泥絮体结构。同时，fenton试剂可以氧化还原性的恶臭物质，能有效减少厌氧消化过程中散发的异味。另一方面，利用变化的脉冲磁场能够在细胞膜上产生振荡效应，激烈的振荡效应可以破坏污泥中微生物的细胞壁（膜），从而促进污泥水解以及有机物释放。使用强脉冲磁场进行污泥预处理，随着磁场强度或脉冲数的增加，污泥破壁效果也可能更好。
6.先向反应设备中的原污泥添加fenton试剂，进行第一步处理，之后再将污泥投入强脉冲磁场仪，从而实现极大地缩短污泥厌氧消化过程中的水解反应所需要的时间同时还解决反应过程中伴随有散发异味的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种利用脉冲磁场协同fenton氧化反应的污泥预处理装置，包括自上而下设置的
上部反应容器和下部反应容器；上部反应容器的顶部分别设置有伸入至容器腔体内的h2so4喷淋嘴、feso4喷淋嘴、h2o2喷淋嘴、乙二胺四乙酸喷淋嘴和naoh喷淋嘴，所述上部反应容器的内部还设置有ph传感器、温度传感器和搅拌器，上部反应容器的底部设有污泥出料口；所述下部反应容器内设置有压滤容器，压滤容器内可拆卸的连接有压盘，压滤容器的底部开设有排水口，排水口伸出下部容器外侧，所述污泥出料口与压滤容器相连通；所述下部反应容器的外侧设置有强脉冲磁场仪，所述强脉冲磁场仪内壁两侧设有脉冲磁体。
8.一种利用脉冲磁场协同fenton氧化反应的污泥预处理，采用上述装置进行，包括以下步骤：1）将采集的污泥填入上部反应容器中，通过h2so4喷淋嘴向反应设备中加入h2so4溶液，对污泥进行酸化，通过ph传感器监测，调节ph在3~4之间；2）通过feso4喷淋嘴，h2o2喷淋嘴向上部反应容器中加入feso4和h2o2试剂，喷淋试剂过程中启动搅拌器，使fenton氧化反应充分进行；污泥中的微生物通过表面的相互作用形成稳定的絮状结构，h2o2在fe
2
的催化作用下分解产生羟基自由基（
·
oh），
·
oh可降解污泥微生物表面的胞外聚合物并且破坏细胞结构使其内溶物更容易流出；3）通过乙二胺四乙酸喷淋嘴加入乙二胺四乙酸作为fenton氧化反应的络合物，可增加对有机物的去除率；4）待fenton反应完成后通过naoh喷淋嘴向反应设备中加入naoh溶液对污泥进行调质，利用ph传感器监测直至污泥的ph为7左右；由于微生物对ph的变化非常敏感，污泥厌氧消化系统中，各种细菌所适应的酸碱度范围只允许在中性附近波动。
9.5）将絮状结构破坏的污泥通过污泥出料口送往压滤容器，通过压盘对污泥进行挤压，降低污泥的含水率；脱水过程中可以除去之前添加的化学试剂并且有效消除恶臭、病菌等有害物质，排挤出的废水通过排水口连通容器外，可用于后续回收利用；6）启动强脉冲磁场仪，通过电容放电电源产生的电流流过需要用液氮进行冷却的脉冲磁体，从而产生强脉冲磁场对步骤5）压滤后的污泥进行脉冲处理，污泥预处理结束；上述反应步骤中通过温度传感器实时监测温度变化并且及时干预反应容器的温度在适宜条件下，防止反应过程中放热升温或者搅拌升温破坏污泥厌氧消化。
10.生物体内的大多数分子和原子具有极性和磁性，外加磁场必会对生物产生作用。不同强度分布的外加磁场对不同生物的影响程度不同，而且振荡磁场还能松弛离子和蛋白质间的化学键，键的松弛会影响细胞的代谢活动而使微生物失活。由于脉冲磁场是变化的，在极短的时间内，磁场的频率和强度会发生极大变化，在细胞膜上产生振荡效应，激烈的振荡效应能使污泥中微生物细胞壁（膜）破裂。在短时间内就可以把污泥预处理到可应用于厌氧发酵的状态下。
11.考虑在污泥厌氧消化过程中，温度对有机物负荷和产气量有明显影响。在污泥厌氧消化过程中，温度发生
±
3℃变化时，就会抑制污泥厌氧消化速度；温度发生
±
5℃变化时，就会突然停止产气，使有机酸大量积累而使细胞失活。通过温度传感器实时监测温度变化并且及时控制反应设备的温度在适宜条件下，防止反应过程中放热升温或者搅拌升温破坏污泥厌氧消化。
12.进一步的，步骤1）中 h2so4溶液的浓度为0.1mol/l，使污泥体系的ph值为3。
13.进一步的，步骤2）中加入硫酸亚铁溶液使污泥体系的fe
2
离子浓度为0.20g/l，加
入质量分数为30%h2o2溶液使污泥体系的h2o2浓度为0.60g/l。
14.进一步的，步骤4）中naoh溶液的浓度为0.2mol/l。
15.进一步的，步骤5）中污泥的含水率降低至53%以下。
16.进一步的，步骤6）中脉冲处理的设置条件为：磁场强度为8t、脉冲数为20个，单次作用时间为0.1s。
17.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：目前所发展的污泥预处理技术主要有：热处理、化学处理、机械处理等。脉冲磁场技术是一种物理冷杀菌技术，利用高强度磁场发生器发出强脉冲磁场，微生物受到强脉冲磁场的作用会导致细胞结构的破坏。与现有的利用高电压技术相比，其突出的优点表现为：磁场的产生和中止易于控制；杀菌物料的温度一般不超过5℃，所以污泥其他方面性能均不受破坏；距离越远，磁场强度则衰减为相当于地磁强度，因此无漏磁问题，安全性好；与连续波和恒定磁场相比，脉冲磁场设备具有功率消耗低、作用时间短、对微生物穿透强、效率高等特点。
18.污泥在厌氧发酵过程中受温度和ph的影响较为显著，在30℃~40℃条件下和ph为6~8之间的环境中污泥发酵速度快，所以在本设计中利用温度传感器时刻监测反应设备中的温度，防止温度急速升高破坏水解过程中微生物水解酶的活性。在反应初期向污泥中加入了h2so4对污泥进行酸化，使得满足fenton反应可以发生的条件，在反应结束之后，通过向污泥加入naoh试剂，利用ph传感器调节污泥的ph至中性范围，可以保证厌氧消化过程可以正常进行。此外在反应过程中加入乙二胺四乙酸（edta）作为fenton氧化反应的络合物可以有效提高有机物的去除率，并且乙二胺四乙酸（edta）易溶于水，反应结束后易除去。
19.利用fenton氧化反应协同脉冲磁场可以在短时间内有效破坏细胞壁，把活性污泥预处理到可应用于厌氧发酵的状态下。同时控制整个过程中的温度和ph不影响污泥本身的性质，不对厌氧消化过程中的水解酶起到破坏。过程中选用的易溶于水试剂，在对污泥的后续处理过程中很轻松地就可以除去，体现了化学工业的绿色性。
附图说明
20.图1为本发明利用脉冲磁场协同fenton氧化反应的污泥预处理的工艺流程图。
21.图2为本发明利用脉冲磁场协同fenton氧化反应的污泥预处理装置的结构示意图。
22.图中标记如下：1-h2so4喷淋嘴，2
‑ꢀ
feso4喷淋嘴，3
‑ꢀ
h2o2喷淋嘴，4-乙二胺四乙酸喷淋嘴，5-naoh喷淋嘴，6-ph传感器，7-温度传感器，8-搅拌器，9-污泥出料口，10-压盘，11-排水口，12-压滤容器，13-脉冲磁体，14-强脉冲磁场仪。
具体实施方式
23.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
24.实施例1如图1所示，一种利用脉冲磁场协同fenton氧化反应的污泥预处理装置，包括自上而下设置的上部反应容器和下部反应容器；上部反应容器的顶部分别设置有伸入至容器腔
体内的h2so4喷淋嘴1、feso4喷淋嘴2、h2o2喷淋嘴3、乙二胺四乙酸喷淋嘴4和naoh喷淋嘴5，所述上部反应容器的内部还设置有ph传感器6、温度传感器7和搅拌器8，上部反应容器的底部设有污泥出料口9；所述下部反应容器内设置有压滤容器12，压滤容器12内可拆卸的连接有压盘10，压滤容器12的底部开设有排水口11，排水口11伸出下部容器外侧，所述污泥出料口9与压滤容器12相连通；所述下部反应容器的外侧设置有强脉冲磁场仪14，所述强脉冲磁场仪14内壁两侧设有脉冲磁体13。
25.利用上述装置进行脉冲磁场协同fenton氧化反应的污泥预处理方法包括以下步骤：1）将采集的污泥填入上部反应容器中，通过h2so4喷淋嘴1向反应设备中加入0.1mol/l的稀h2so4调节污泥的ph值，对污泥进行酸化，通过ph传感器6监测，调节ph为3。
26.2）通过feso4喷淋嘴2，h2o2喷淋嘴3向反应设备中加入feso4和h2o2试剂，喷淋试剂过程中启动搅拌器8，使fenton氧化反应充分进行。fenton试剂的用量为:加入硫酸亚铁溶液使污泥体系的fe
2
离子浓度为0.20g/l，加入质量分数为30%h2o2溶液使污泥体系的h2o2浓度为0.6g/l。污泥中的微生物通过表面的相互作用形成了稳定的絮状结构，h2o2在fe
2
的催化作用下分解产生羟基自由基（
·
oh），
·
oh可降解污泥微生物表面的胞外聚合物并且破坏细胞结构使其内溶物更容易流出。
27.3）反应过程中通过乙二胺四乙酸喷淋嘴4加入乙二胺四乙酸（edta）作为fenton氧化反应中的络合物，使污泥fenton氧化反应时间为30min，可增加对有机物的去除率。
28.4）微生物对ph的变化非常敏感，污泥厌氧消化系统中，各种细菌在适应的酸碱度范围内，只允许在中性附近波动。等待fenton反应完成后通过naoh喷淋嘴5向反应设备中加入0.2mol/l的naoh碱液对污泥进行调质，利用ph传感器监测直至污泥的ph为7。
29.5）将在反应设备中絮状结构破坏的污泥通过污泥出料口9送往压滤容器12，通过压盘10对污泥进行挤压，使污泥的含水率从78%降低至53%。脱水过程中可以除去之前添加的化学试剂并且有效消除恶臭、病菌等有害物质，排挤出的废水通过排水口11连通容器外，可用于后续回收利用。
30.6）取压滤后的污泥样品250ml，加入脉冲磁场仪中，启动强脉冲磁场仪14，通过电容放电电源产生的电流流过需要用液氮进行冷却的脉冲磁体13，从而产生强脉冲磁场。设置磁场强度为8t、脉冲数为20个，单次作用时间为0.1s的条件下，对污泥进行脉冲处理。
31.7）将处理后的污泥，放入转速为4500r/min离心机中离心10min，取上清液过0.45μm滤膜后，进行cod测定。
32.8）原始污泥样品为26.81g/l，经过cod分析仪测定，原始污泥样品中scod/ss为0.32g
· g-1
，经过污泥预处理后污泥中scod/ss为0.84g
·
g-1
。处理后污泥上清液中scod出现明显的增加，很大程度上完成对污泥细胞结构的破坏，有效缓解了污泥厌氧消化过程中由水解阶段造成的限制，提高了污泥厌氧消化的速率，实现了污泥的资源化利用。
33.从破碎污泥絮体的角度：利用fenton氧化反应对污泥絮体进行破坏的方法，首先污泥在反应设备中进行fenton反应，通过施加fenton试剂（feso4溶液和h2o2溶液）用于处理污泥。fenton反应是在酸性条件下，h2o2在fe
2
作用下生成强氧化能力的羟基自由基(
·
oh)，并引发更多的其他活性氧，以实现对有机物的降解，其氧化过程为链式反应。其中以
·
oh产生为链的开始，而其他活性氧和反应中间体构成了链的节点，各活性氧被消耗，反应链
终止。fenton试剂的氧化处理可以破坏污泥结构，同时，fenton试剂可以氧化还原性的恶臭物质，减少恶臭物质的释放，实现污泥稳定化。
34.从破坏污泥细胞壁(膜)的角度：通过研究表明在磁场作用下，污泥中的微生物有一定的破壁作用。随着脉冲数和磁场强度的增加，污泥破壁效果越好。利用现有的脉冲磁场仪，将反应设备中处理好的污泥转移到脉冲磁场仪的烧杯中，通过标准的电容放电电源产生电流，在脉冲磁体的作用下对烧杯中的污泥施加脉冲磁场。脉冲磁场是一种电磁场，会产生各种电磁效应，主要有感应电流效应，洛伦兹力效应，振荡效应及电离效应。在极短的时间内，不断变化的脉冲磁场，磁场的频率和强度会发生极大变化，能在微生物的细胞壁(膜)上产生振荡效应，激烈的振荡效应能使污泥中微生物细胞膜破裂。
35.污泥中大多数有机物存在于微生物细胞内，微生物细胞的细胞壁是一个稳定的半刚性结构，起着保护细胞的作用。细胞壁属于生物难降解的惰性物质，细胞壁的破解较为困难。利用脉冲磁场协同fenton氧化反应两者相辅相成显著提高对污泥细胞结构的破坏，使得被胞外聚合物包裹起来的易生物降解的有机物释放，提高了污泥的厌氧消化水平。
36.发生fenton氧化反应的设备系统包括有多个喷洒试剂的喷淋头，ph传感器，温度传感器，滚筒型搅拌器。ph传感器，温度传感器的作用是控制反应设备中的温度和酸碱度在合适的条件下，不至影响厌氧消化的速率。考虑到污泥含水率较高，是介于液体和固体之间的浓稠物，普通的磁力搅拌器搅拌效果不够稳定，通过滚筒型搅拌器可以有效加快反应速度并且还可以防止局部的ph过高或者过低，导致蛋白质变性，影响厌氧消化水平。