[发明专利]内置铁-碳双阳极实现剩余污泥电发酵产氢及蓝铁矿回收的装置和方法

说明书

本发明公开了一种内置铁‑碳双阳极实现剩余污泥电发酵产氢及蓝铁矿回收的装置和方法。该装置包括反应器主体、铁片、水管、碳布、集气管、密封盖、碳刷，反应器主体顶部开口；方法包括：（1）电发酵体系的接种启动与功能微生物的驯化；（2）电发酵体系的运行：首先浓缩污泥进行热碱预处理，然后将已经驯化完成的反应器中的另加入铁片作为新的阳极，进行电发酵。本发明将反应器增加高纯度铁片作为第二阳极材料，并且控制了施加电压的时间，考察在不同通电时间的情况下电发酵的运行效能，包括有机物的利用、不同铁源下Hsubgt;2/subgt;产量、蓝铁矿的生成效果，为剩余污泥资源化提供新思路。

技术领域

本发明涉及一种内置铁-碳双阳极实现剩余污泥电发酵产氢及蓝铁矿回收的装置和方法，具体地，利用电发酵体系反应器处理剩余污泥同步实现氢气和蓝铁矿的最大回收；属于废弃物处理与能源回收利用领域。

背景技术

由于磷资源的短缺和现有磷回收方法的局限性，以蓝铁矿形式回收的磷以其天然的普遍性、易获得性和可预见的经济价值而备受关注，并是目前磷回收的主流趋势。

活性污泥法可有效实现污水中有机质及无机物的去除，是城市污水处理厂最广泛使用的技术。自然界中大部分磷最终通过城市污水处理工艺和化学絮凝等集中在剩余污泥（WAS）中，污泥中的磷占污水中磷负荷的90 %以上。

同时，剩余污泥含有高热值有机物和营养元素，具有能源、资源化利用潜力，污水中绝大部分的磷经除磷处置后被富集在污泥中，使污泥成为重要的含磷二次资源。微生物电发酵体系通过内置生物电极和外加微电压，通过电流刺激微生物生长，驱动微生物代谢活动，在减少剩余污泥体积的同时产生高纯度H₂。相比传统厌氧发酵过程，具有处理时间短、氢气纯度高、磷释放效能显著等优势。但采用传统的电发酵体系处理污泥易受到低电子转移效率的限制，导致有机质转化不彻底、能源回收率低、磷回收困难等技术难点，进而限制其推广应用。同时，以蓝铁矿形式回收污泥中的磷往往存在铁源不足、水体还原性条件不满足等问题。

铁作为细胞色素和多种酶的重要组成部分，参与微生物能量代谢过程，增强细胞繁殖，同时发挥电子传递作用，促进有机质降解及产氢。同时，电化学体系中，铁可通过电化学腐蚀释放大量二价铁，作为蓝铁矿合成的关键铁源补充。此外，铁盐可改善污泥的絮凝沉淀性能，提高并强化活性污泥净化功能，由于其廉价及环境友好性，被广泛用于污水处理、地下水净化中，因此电发酵体系技术具有巨大潜力。因此，开发内置高纯度铁片与碳刷作为微生物电发酵体系的双阳极，强化胞外电子传递的同时实现有机质最大化产氢及蓝铁矿回收磷，在污泥资源能源高效回收方面无疑是一种新的尝试和突破。

发明内容

本发明旨在提供一种内置铁-碳双阳极实现剩余污泥电发酵产氢及蓝铁矿回收的装置，探究内置双阳极体系在控制通电时间条件下对氢气生成和蓝铁矿晶体生成的影响，解决了目前铁源结晶度的差异可能会限制厌氧过程污泥中微生物的生长代谢的问题。

本发明通过在电发酵体系内置铁阳极，强化剩余污泥同步产氢和蓝铁矿回收，主要原理及技术构思如下：（1）铁电极的电化学腐蚀可产生蓝铁矿所需的二价铁，弥补污泥中自身铁源不足以回收磷的缺陷；（2）通过构建新型电发酵体系，可实现微电压作用下厌氧发酵菌、电化学活性菌、铁还原菌和聚磷菌的有效富集，强化胞外电子转移进程，实现污泥中有机质的高效转化，提升氢气产量；（3）新型电发酵体系的反应生境符合蓝铁矿生成的中性及弱碱性条件（pH9），同时碳刷和碳布生物电极的存在有利于蓝铁矿晶体的生成。综上所述，该新型电发酵体系有望实现剩余污泥等废弃生物质高效产氢及蓝铁矿回收磷。

本发明提供了一种内置铁-碳双阳极实现剩余污泥电发酵产氢及蓝铁矿回收的装置，包括：反应器主体，铁片，水管，碳布，集气管，密封盖，碳刷；反应器主体顶部开口。