CN111116254A

CN111116254A - 微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置和方法

Info

Publication number: CN111116254A
Application number: CN202010041750.9A
Authority: CN
Inventors: 孟繁宇; 王�泓; 那晓琳; 张云波; 于佳
Original assignee: Harbin Medical University
Current assignee: Harbin Engineering University; Harbin Medical University
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: CN111116254B

Abstract

本发明公开了一种微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置和方法。所述装置包括厌氧阳极室、两个浓缩室、两个脱盐室、两个阴极室和两个好氧室，厌氧阳极室设置在中央，各浓缩室、脱盐室、阴极室和好氧室分别依次设置在两侧。所述方法包括向厌氧阳极室内添加混合有机废物；在阴极室内装入阴极液并接种好氧池污水；使浓缩室和脱盐室均充满NaCl溶液，开启供氧泵，调节曝气流量；序批式运行厌氧阳极室、阴极室和好氧室，序批式或连续式运行浓缩室和脱盐室；装置运行45天，将厌氧阳极室内污泥取出，放置于好氧室中继续运行10天。本发明的装置和方法解决了现有技术功能单一、堆肥时间长、堆肥产品稳定性差以及氧气利用不充分的问题。

Description

微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置和方法

技术领域

本发明涉及有机废物堆肥领域，尤其涉及一种微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置和方法。

背景技术

有机废物主要包括市政有机垃圾(如：城市污水处理厂污泥、餐厨垃圾、园林绿化废弃物等)和农业有机废物(如：农作物秸秆、畜禽粪便等)。随着城市化进程的加快，污水处理的快速发展，人们生活水平的提高，产生了大量的城市污水处理厂剩余污泥和餐厨垃圾，其产量大、处理处置难已成为国内外关注的焦点。常规的剩余污泥处理方式是经浓缩脱水后填埋、堆肥、焚烧。在我国餐厨垃圾目前仍然作为生活垃圾统一进行卫生填埋。随着垃圾填埋场的不堪重负和垃圾分类的逐步推广，餐厨垃圾的资源化处理受到越来越多的关注。此外，人们对环境空气质量的关注度不断提高也导致农作物秸秆焚烧一度成为焦点。因此，开发针对城市污水处理厂剩余污泥、餐厨垃圾、农作物秸秆的有效资源化利用技术迫在眉睫。

目前，堆肥作为有机废物资源化的重要方式应用较为广泛。传统的好氧堆肥有机物矿化程度较高，产品性质较为稳定，但往往需要较高的能耗。厌氧堆肥因其能耗较低，并能产生沼气等可再生能源得到了更广泛的关注，然而厌氧堆肥在温度、搅拌等工艺参数方面需要更精细的控制，且发酵时间较长，堆肥产品稳定性不高，一直以来难以规模化应用。

微生物电化学技术用于强化有机废物厌氧堆肥是近年来开发的一项新技术，研究表明微生物电化学作用可以有效促进有机废物的厌氧降解。CN104671863A公开了一种提高脱水污泥腐熟度的生物电化学辅助厌氧堆肥装置及其启动运行方法，所采用的铁氰化钾化学阴极液却具有不可持续利用的特点。此外，目前利用微生物电化学系统强化有机废物厌氧堆肥的技术还存在诸多问题，如产电效率较低、堆肥产品不稳定、以及生物阴极型微生物电化学系统曝气过程中氧气利用不充分的问题。其中堆肥产品不稳定主要体现在堆肥产品的有机质降解率低，腐殖酸含量低等方面。CN 108892553 A公布了一种电化学辅助有机固体废物好氧堆肥的装置及方法，相比生物电化学强化污泥厌氧堆肥，该方法虽然可以提高堆肥的稳定性，但是却需要额外输入电能，违背了微生物产电技术不需要额外电能输入的初衷。

本发明基于微生物利用电活性微生物氧化污泥中有机物的化学能自发转化为电能的基本原理，不需要额外电能的输入强化污泥的厌氧堆肥，同时为了进一步提高厌氧堆肥污泥的稳定性、节约系统能耗、拓展系统功能，在现有的生物阴极生物电化学强化脱水污泥厌氧堆肥同步脱盐技术的基础上，增加末端好氧反应器，利用生物阴极供氧剩余氧气进行厌氧预处理后污泥的好氧堆肥处理，开发一种微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的系统。该系统可以同步实现污泥产电、厌氧-好氧连续堆肥、脱盐的三重功能。经过厌氧-好氧连续堆肥后的污泥稳定性大大提高，含盐量有所降低，更适合于盐碱化土壤改良等土地利用方式，增加的脱盐功能可用于苦咸水、高矿化地下水的处理。

发明内容

本发明的目的在于解决现有利用微生物电化学系统强化有机废物堆肥的方法存在功能单一、堆肥时间长、堆肥产品稳定性差，以及生物阴极型微生物电化学系统曝气过程中氧气利用不充分的问题，从而提供一种微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置和方法。

为了达到上述目的本发明采用了以下技术手段：

本发明提供一种微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置，所述包括厌氧阳极室、两个浓缩室、两个脱盐室、两个阴极室和两个好氧室；

所述厌氧阳极室设置在所述装置的中央，所述厌氧阳极室的内部设置有三个相互连接的环形碳纤维刷作为阳极电极，在三个环形碳纤维刷的中心设置有通过厌氧阳极室的顶盖中心插入厌氧阳极室的参比电极，所述厌氧阳极室的外侧下部设有阳极底物取样口；

两个所述浓缩室分别设置在所述厌氧阳极室的两侧，所述厌氧阳极室与各浓缩室之间分别通过第一阳离子交换膜分隔开，各浓缩室的顶部分别设有浓缩室进样口，各浓缩室的外侧下部分别设有浓缩室取样口；

两个所述脱盐室分别设置在两个所述浓缩室远离所述厌氧阳极室的一侧，各浓缩室与各脱盐室之间分别通过阴离子交换膜分隔开，各脱盐室的顶部分别设有脱盐室进样口，各脱盐室的外侧下部分别设有脱盐室取样口；

两个所述阴极室分别设置在两个所述脱盐室远离所述厌氧阳极室的一侧，各脱盐室与各阴极室之间分别通过第二阳离子交换膜分隔开，各阴极室的顶部均分别设有阴极室进气口和阴极室出气口，各阴极室的外侧下部分别设有阴极室取样口；各阴极室取样口通过导管连通；各阴极室进气口通过导管连接，并在连接处设有供氧泵，导管的另一端分别延伸到两个所述阴极室的内部，并连接有曝气盘；各阴极室的内部分别设置有经电化学表面改性后的碳纤维刷作为阴极电极，各阴极电极通过导线连接；

两个所述好氧室分别设置在两个所述阴极室远离所述厌氧阳极室的一侧，各阴极室与各好氧室之间分别通过隔板分隔开，各好氧室的顶部均分别设有好氧室进气口和好氧室自然通气孔；各好氧室进气口和同侧的阴极室出气口通过导管连通，导管的一端分别延伸到各好氧室的内部，并连接有曝气盘；

所述阳极电极与所述阴极电极通过导线相连通形成外电路，导线上设置外电阻。

优选的，所述参比电极为Ag/AgCl电极。

优选的，各个所述碳纤维刷由金属钛丝和碳纤维制成。

优选的，两个所述阴极室的内部的碳纤维刷的电化学表面改性是通过电化学沉积法在碳纤维刷表面制备了具有大比表面积的Ni纳米阵列结构。

优选的，所述外电阻为10～1000Ω。

利用上述装置进行微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的方法，包括以下步骤：

(1)在厌氧条件下，向所述厌氧阳极室内添加以城市污水处理厂脱水污泥为主要基质，以餐厨垃圾、农田废物等为调理剂的混合有机废物；其中所述脱水污泥来自城市污水处理厂污泥脱水间或污泥浓缩池，其中含有丰富的电子传递菌；

(2)在两个所述阴极室内装入阴极液，并向阴极液中接种好氧池污水；所述好氧池污水来自城市污水处理厂的好氧池，其中含有丰富的具有氧气还原能力的细菌；所述好氧池污水的体积为所述阴极液体积的5％；

(3)启动装置，使两个所述浓缩室和两个所述脱盐室均充满1～35g/L的NaCl溶液，开启所述供氧泵，为两个所述阴极室进行连续供氧，流速为10～500L/min，调节曝气流量，以培养具有催化氧气还原活性的阴极微生物，曝气速率为10～300L/min；

(4)各所述厌氧阳极室、所述阴极室和所述好氧室为序批式运行，各所述浓缩室和所述脱盐室以序批式或连续式两种方式运行，连续运行时由蠕动泵带动浓缩室内液体流动；装置运行45天，将所述厌氧阳极室内污泥取出，放置于所述好氧室中继续运行10天。

优选的，装置启动前，将各所述阳离子交换膜和阴离子交换膜在质量浓度2～5％的NaCl溶液中加热到40℃，并浸泡12～24小时，使膜充分润湿及扩展，再安装于装置中。

优选的，装置启动前，将所述阳极电极在马弗炉中以400℃灼烧1小时。

优选的，装置启动前，用重蒸馏水清洗各所述厌氧阳极室、阴极室和好氧室的反应器，用2％的NaCl溶液清洗各所述浓缩室和脱盐室，并检查装置密封性。

优选的，所述混合有机废物的含水率为60％～99.9％。

优选的，所述阴极液为磷酸盐缓冲体系，包括：1.0～5.0g/L NH₄Cl、1.0～5.0g/LK₂HPO₄、0.5～5.0g/L MgSO₄、0.5～5.0g/L KCl、1.0～5.0g/L KH₂PO₄和0.01～1g/L的微量金属元素；所述微量金属元素为铁、钙、铜、镁、锌和钴其中之一或其组合。

本发明的工作原理：

在微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置的厌氧阳极室内添加以城市污水处理厂脱水污泥为主要基质，以餐厨垃圾、农田废物等为调理剂的混合有机废物，脱水污泥中富含的微生物能氧化降解混合有机废物中的有机物，其代谢过程中产生的电子通过多重传递机制迁移至细胞外并传导到电极表面，由阳极电极收集经外电路传导至阴极电极表面。在阴极室内接种好氧池污水，好氧池污水中含有丰富的具有氧气还原能力的细菌，具有氧气还原能力的微生物利用阴极液中的溶解氧在阴极电极表面得到电子，将氧气还原成OH^-，完成还原反应，同时在外电路可捕获电能，进行产电。

在产电过程中，厌氧阳极室的混合有机废物首先在厌氧微生物的共同作用下，得到有效降解，有机物不断矿化成易于植物吸收利用的无机物，进行厌氧堆肥。经过阳极厌氧堆肥的污泥，进一步转入好氧室，利用曝气盘曝气由阴极室通入的剩余的氧气，在好氧微生物的作用下，进一步将厌氧过程中没有彻底矿化和腐殖化的有机物进一步降解，进行好氧堆肥。

在系统内电路中的阴极和阳极电压的驱动下，脱盐室中的阴离子通过阴离子交换膜从脱盐室向浓缩室迁移，阳离子通过阳离子交换膜从脱盐室向阴极室迁移。在浓缩室，由脱盐室迁移过来的阴离子和由厌氧阳极室迁移过来的阳离子之间形成电荷平衡，由于厌氧阳极室的污泥中阳离子的迁出进而降低了厌氧阳极室内污泥的电导率，更适合于污泥的进一步土地资源化利用。该过程还实现了脱盐室含盐水和厌氧阳极室内混合有机废物的两相脱盐的过程。该过程中，浓缩室和脱盐室同时加入含盐水，以序批式运行时，脱盐周期完成时浓缩室和脱盐室同时更换盐溶液。以连续式运行时，浓缩室和脱盐室均从上面进样口注入盐溶液，下端出样口流出盐溶液，由蠕动泵控制流速。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明将微生物电化学产电、混合有机废物连续厌氧好氧堆肥、脱盐有机结合在一起，利用微生物电化学过程提高混合有机废物厌氧堆肥效率，缩短厌氧堆肥周期至45天，与一般的厌氧堆肥(大约60天)相比，厌氧段堆肥时间大大缩短，且不需要一般厌氧堆肥所需的加热所消耗的额外的能耗。厌氧堆肥后连续进入10天的好氧堆肥发酵过程，该过程比一般的好氧堆肥时间(45-60天)也大大减少，且由于该过程利用阴极室的剩余氧气，相比传统的好氧堆肥工艺，能耗大大降低，厌氧好氧堆肥全过程时间在55天左右。以含水率为70～80％左右的混合有机废物为例，其有机质含量为45～60％左右，经过45天的厌氧堆肥，有机质可降低至35～50％左右，再经过10天的好氧堆肥有机质均可降低到30～45％以下。由本发明所得到的堆肥产品中的腐殖酸、胡敏酸、富里酸含量显著提高，堆肥产品的种子发芽率指数大于80％，说明本发明得到的堆肥产品的稳定性较好。

本发明中产生的最大开路电压在0.400～0.980V之间，最大功率密度在0.500～1.800W/m³之间。对于2g/L的NaCl溶液，其TDS(总溶解固体)的平均去除率为0.05～0.08g/L·d，对于10g/L的NaCl溶液，其TDS的平均去除率为0.15～0.30g/L·d，对于35g/L的NaCl溶液，其TDS的平均去除率为0.40～0.60g/L·d。

本发明的装置结构简单，操作方便，成本较低，无需翻堆，能耗低、易于管理，直接以脱水污泥为主要底物，反应器体积小，更适用于现有的污泥脱水工艺。

附图说明

图1是本发明微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置的主剖视图；

图2是本发明微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置的主视图；

图3是本发明微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置的俯视图。

[符号说明]

1：厌氧阳极室 1-1：三个环形碳纤维刷

1-2：参比电极 1-3：阳极底物取样口

2：浓缩室 2-1：浓缩室进样口

2-2：浓缩室取样口 3：脱盐室

3-1：脱盐室进样口 3-2：脱盐室取样口

4：阴极室 4-1：阴极室进气口

4-2：阴极室出气口 4-3：阴极室取样口

5：好氧室 5-1：好氧室进气口

5-2：好氧室自然通气孔 6：第一阳离子交换膜

7：阴离子交换膜 8：第二阳离子交换膜

9：供氧泵 10：碳纤维刷

11：隔板 12：外电阻

13：阳极电极 14：阴极电极

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1

结合图1、图2和图3说明本实施例，本实施例是微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置，包括厌氧阳极室1、两个浓缩室2、两个脱盐室3、两个阴极室4和两个好氧室5；

厌氧阳极室1设置在装置的中央，厌氧阳极室1的内部设置有三个相互连接的环形碳纤维刷1-1作为阳极电极13，以增加电极的接触反应表面积，在三个环形碳纤维刷1-1的中心设置有通过厌氧阳极室1的顶盖中心插入厌氧阳极室1的参比电极1-2，所述厌氧阳极室1的外侧下部设有阳极底物取样口1-3；

两个浓缩室2分别设置在厌氧阳极室1的两侧，厌氧阳极室1与各浓缩室2之间分别通过第一阳离子交换膜6分隔开，各浓缩室2的顶部分别设有浓缩室进样口2-1，各浓缩室2的外侧下部分别设有浓缩室取样口2-2；

两个脱盐室3分别设置在两个浓缩室2远离厌氧阳极室1的一侧，各浓缩室2与各脱盐室3之间分别通过阴离子交换膜7分隔开，各脱盐室3的顶部分别设有脱盐室进样口3-1，各脱盐室3的外侧下部分别设有脱盐室取样口3-2；

两个阴极室4分别设置在两个所述脱盐室3远离所述厌氧阳极室1的一侧，各脱盐室3与各阴极室4之间分别通过第二阳离子交换膜8分隔开，各阴极室4的顶部均分别设有阴极室进气口4-1和阴极室出气口4-2，各阴极室4的外侧下部分别设有阴极室取样口4-3；各阴极室取样口4-3通过导管连通，使得两个阴极室4的阴极液浓度平衡；各阴极室进气口4-1通过导管连接，并在连接处设有供氧泵9，导管的另一端分别延伸到两个阴极室4的内部，并连接有曝气盘，各阴极室进气口4-1与导管连接处用玻璃胶封口，以防止阴极室气体泄漏；各阴极室4的内部分别设置有经电化学表面改性后的碳纤维刷10作为阴极电极14，各阴极电极14通过导线连接，使得电势平衡，将阴极室4通过导管相连以及将阴极电极14通过导线相连的做法，增大了阴极室4的体积，提高了阴极室4的效率；

两个好氧室5分别设置在两个阴极室4远离所述厌氧阳极室1的一侧，各阴极室4与各好氧室5之间分别通过隔板11分隔开，各好氧室5的顶部均分别设有好氧室进气口5-1和好氧室自然通气孔5-2，各好氧室进气口5-1和同侧的阴极室出气口4-2通过导管连通，导管的一端分别延伸到各好氧室5的内部，并连接有曝气盘，利用阴极室4曝气剩余氧气为好氧室5供氧，；

阳极电极13与阴极电极14通过导线相连通形成外电路，导线上设置外电阻12。

通过多通道电压信号采集器在线记录电压数据，从多通道电压数据信号采集器的相邻三个接线处引出三根导线，GN端连接阳极室1的阳极电极13，其他两根导线一个与阴极室4的阴极电极14相连，记录全电压，另一根与阳极室1的参比电极1-2相连，记录阳极电势。

本实施例的装置可以同步实现混合有机废物产电、厌氧-好氧连续堆肥、脱盐的三重功能。经过厌氧-好氧连续堆肥后的混合有机废物稳定性大大提高，堆肥质量显著提高，含盐量有所降低，更适合于盐碱化土壤改良等土地利用方式，增加的脱盐功能可用于苦咸水、高矿化地下水的处理。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是：参比电极1-2为Ag/AgCl电极。其它与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1不同的是：碳纤维刷1-1和10由金属钛丝和碳纤维制成。其它与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例1不同的是：对阴极室的内部的碳纤维刷10进行表面改性，通过电化学沉积法在碳纤维刷10表面制备了具有大比表面积的Ni纳米阵列结构。其它与实施例1相同。

本实施例能够降低产电过程的阴极极化，提高正极电极电位，进而增大系统的电压和功率。本实施例稳定运行过程中测得正极的最大电位分别为：0.580V(vs Ag/AgCl)，与未进行表面改性的阴极碳纤维刷的正极电位0.450V相比，表面改性后电位都出现了正移，这表明通过在碳纤维刷表面制备具有催化活性的过渡金属(Ni)层，可以降低正极的电化学过程过电位，有利于得到更高的功率密度。而在系统工作过程中，碳纤维刷表面进行Ni纳米阵列改性后，最大功率密度从1.350W/m³提高到1.766W/m³，说明高比表面积的表面纳米阵列结构的加入，可以更好与产电微生物进行电荷转移，进一步提高了系统的放电功率密度。

实施例5

本实施例与实施例1不同的是：外电阻12为10～1000Ω。其它与实施例1相同。

实施例6

本实施例是利用微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置进行微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的方法，包括以下步骤：

(1)在厌氧条件下，向厌氧阳极室1内添加以城市污水处理厂脱水污泥为主要基质，以餐厨垃圾、农田废物等为调理剂的混合有机废物；其中脱水污泥来自城市污水处理厂污泥脱水间或污泥浓缩池，其中含有丰富的电子传递菌；

(2)在两个阴极室4内装入阴极液，并向阴极液中接种好氧池污水，好氧池污水来自城市污水处理厂的好氧池，其中含有丰富的具有氧气还原能力的细菌；好氧池污水的体积为阴极液体积的5％；

(3)启动装置，使两个浓缩室2和两个脱盐室4均充满1-35g/L的NaCl溶液，开启供氧泵9，为两个阴极室4进行连续供氧，流速为10～500L/min，调节曝气流量，以培养具有催化氧气还原活性的阴极微生物，曝气速率为10～300L/min；

(4)各厌氧阳极室1、阴极室4和好氧室5为序批式运行，各浓缩室2和脱盐室3以序批式或连续式两种方式运行，连续运行时由蠕动泵带动浓缩室2内液体流动；装置运行45天，将厌氧阳极室1内污泥取出，放置于好氧室5中继续运行10天。

如果两个阴极室4内的阴极液出现损耗，应及时补充阴极液。

在装置启动成功并稳定运行24～72小时后，其脱盐室3可用于含盐量为1～35g/L的盐溶液脱盐。更换盐溶液时需反复清洗脱盐室，并同时更换阴极液。

实施例7

本实施例与实施例6不同的是：装置启动前，将各阳离子交换膜6和8和阴离子交换膜7在质量浓度2～5％的NaCl溶液中加热到40℃，并浸泡12～24小时，使膜充分润湿及扩展，再安装于装置中。其它与实施例6相同。

实施例8

本实施例与实施例6不同的是：装置启动前，阳极电极13在马弗炉中以400℃灼烧1小时。其它与实施例6相同。

实施例9

本实施例与实施例6不同的是：装置启动前，用重蒸馏水清洗各厌氧阳极室1、阴极室4和好氧室5的反应器，用2％的NaCl溶液清洗各浓缩室2和脱盐室3，并检查装置密封性。其它与实施例6相同。

实施例10

本实施例与实施例6不同的是：所述混合有机废物的含水率为60％～99.9％。其它与实施例6相同。

实施例11

本实施例与实施例6不同的是：所述阴极液为磷酸盐缓冲体系，包括：1.0～5.0g/LNH₄Cl、1.0～5.0g/L K₂HPO₄、0.5～5.0g/L MgSO₄、0.5～5.0g/L KCl、1.0～5.0g/L KH₂PO₄和0.01～1g/L的微量金属元素；所述微量金属元素为铁、钙、铜、镁、锌和钴其中之一或其组合。其它与实施例6相同。

实施例12

本实施例以含水率为75％的脱水污泥和餐厨垃圾混合物为混合有机废物，利用实施例1所述的装置进行微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的方法，包括以下步骤：

1、装置启动前准备：

将各阳离子交换膜和阴离子交换膜在2～5％的NaCl溶液中加热到40℃，并浸泡12～24小时，使膜充分润湿及扩展，再安装于装置中。

将阳极电极(即三个环形碳纤维刷)在马弗炉中以400℃灼烧1小时。

用重蒸馏水清洗各厌氧阳极室、阴极室、好氧室的反应器，用2％的NaCl溶液清洗浓缩室和脱盐室，并检查装置密封性。

2、在厌氧条件下，向厌氧阳极室内添加混合有机废物，所述混合有机废物包括含水率为75％的脱水污泥和餐厨垃圾；所述餐厨垃圾占混合有机废物质量的10％；所述脱水污泥来自城市污水处理厂污泥脱水间，其中含有丰富的电子传递菌。

3、在两个阴极室内装入阴极液，并向阴极液中接种好氧池污水，所述好氧池污水来自城市污水处理厂的好氧池，其中含有丰富的具有氧气还原能力的细菌；好氧池污水的体积为阴极液体积的5％。

所述阴极液为磷酸盐缓冲体系，包括：2.0g/L NH₄Cl、1.0g/L K₂HPO₄、2.0g/LMgSO₄、2.0g/L KCl、3.0g/L KH₂PO₄、0.05g/L的FeCl₃和0.05g/L的CaCl₂。

4、启动装置，使两个浓缩室和两个脱盐室均充满20g/L的NaCl溶液，开启供氧泵，为两个阴极室进行连续供氧，流速为100L/min，调节曝气流量，以培养具有催化氧气还原活性的阴极微生物，曝气速率为10～300L/min。

5、各厌氧阳极室、浓缩室、脱盐室、阴极室和好氧室均为序批式运行；装置运行45天，将所述厌氧阳极室内污泥取出，放置于所述好氧室中继续运行10天。

如果两个阴极室内阴极液出现损耗，应及时补充阴极液。

外电阻为1000Ω；通过多通道电压信号采集器在线记录电压数据，从多通道电压数据信号采集器的相邻三个接线处引出三根导线，GN端连接阳极室的阳极电极，其他两根导线一个与阴极室的碳纤维刷相连，记录全电压，另一根与阳极室的参比电极相连，记录阳极电势。

当装置全电压超过0.400V，阳极电势下降到-0.300V(Vs Ag/AgCl)以下，阴极电势超过+0.100V(Vs Ag/AgCl)时，为装置成功启动。

在装置启动成功并稳定运行24小时后，其脱盐室可用于含盐量为10g/L的盐溶液脱盐，其TDS的平均去除率为0.15～0.30g/L·d。更换盐溶液时需反复清洗脱盐室，并同时更换阴极液。

本实施例能够提高污泥堆肥效率，厌氧堆肥周期为45天，且不需要一般厌氧堆肥所需的加热所消耗的额外的能耗。厌氧堆肥后连续进入10天的好氧堆肥发酵过程，由于该过程利用阴极室剩余氧气，相比传统的好氧堆肥工艺，能耗大大降低，全过程堆肥时间在55天左右。堆肥有机质含量降低到38％，且腐殖酸含量与原污泥相比提高49.3％，胡敏酸含量与原污泥相比提高41.2％，富里酸含量与原污泥相比提高35.9％，堆肥产品的种子发芽率指数达到85％，说明本实施例得到的堆肥产品的稳定性较好。

实施例13

本实施例以含水率为80％的脱水污泥和玉米秸秆混合物为混合有机废物，利用实施例4所述的装置进行微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的方法，包括以下步骤：

1、装置启动前准备：

2、在厌氧条件下，向厌氧阳极室内添加混合有机废物，所述混合有机废物包括含水率为80％的脱水污泥和玉米秸秆；所述玉米秸秆占混合有机废物质量的10％；所述脱水污泥来自城市污水处理厂污泥浓缩池，其中含有丰富的电子传递菌。

3、在两个阴极室内装入阴极液，并向阴极液中接种好氧池污水，所述好氧池污水来自城市污水处理厂的好氧池，其中含有丰富的具有氧气还原能力的细菌；好氧池污水的体积为阴极液体积的5％；

所述阴极液为磷酸盐缓冲体系，包括：2.0g/L NH₄Cl、5.0g/L K₂HPO₄、1.0g/LMgSO₄、5.0g/L KCl、2.0g/L KH₂PO₄、0.05g/L的FeCl₃和0.05g/L的CuSO₄。

4、启动装置，使两个浓缩室和两个脱盐室均充满35g/L的NaCl溶液，开启供氧泵，为两个阴极室进行连续供氧，流速为150L/min，调节曝气流量，以培养具有催化氧气还原活性的阴极微生物，曝气速率为10～300L/min。

5、各厌氧阳极室、阴极室和好氧室为序批式运行，各浓缩室和脱盐室以连续式运行，连续运行时由蠕动泵带动浓缩室内液体流动；装置运行45天，将所述厌氧阳极室内污泥取出，放置于所述好氧室中继续运行10天。

如果两个阴极室内阴极液出现损耗，应及时补充阴极液。

外电阻为500Ω；通过多通道电压信号采集器在线记录电压数据，从多通道电压数据信号采集器的相邻三个接线处引出三根导线，GN端连接阳极室的阳极电极，其他两根导线一个与阴极室的碳纤维刷相连，记录全电压，另一根与阳极室的参比电极相连，记录阳极电势。

当装置全电压超过0.600V，阳极电势下降到-0.400V(Vs Ag/AgCl)以下，阴极电势超过+0.200V(Vs Ag/AgCl)时，为装置成功启动。

在启动成功并稳定运行36小时后，其脱盐室可用于含盐量为5g/L的盐溶液脱盐，其TDS的平均去除率为0.05～0.08g/L·d。更换盐溶液时需反复清洗脱盐室，并同时更换阴极液。

本实施例能够提高污泥堆肥效率，厌氧堆肥周期为45天，且不需要一般厌氧堆肥所需的加热所消耗的额外的能耗。厌氧堆肥后连续进入10天的好氧堆肥发酵过程，由于该过程利用阴极室剩余氧气，相比传统的好氧堆肥工艺，能耗大大降低，全过程堆肥时间在55天左右。堆肥有机质含量降低到35％，且腐殖酸含量与原污泥相比提高52.2％，胡敏酸含量与原污泥相比提高49.5％，富里酸含量与原污泥相比提高38.7％，堆肥产品的种子发芽率指数达到90％，说明本实施例得到的堆肥产品的稳定性较好。

Claims

1.一种微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的装置，其特征在于，所述装置包括厌氧阳极室、两个浓缩室、两个脱盐室、两个阴极室和两个好氧室；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参比电极为Ag/AgCl电极。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各个所述碳纤维刷由金属钛丝和碳纤维制成；优选的，两个所述阴极室的内部的碳纤维刷的电化学表面改性是通过电化学沉积法在碳纤维刷表面制备了具有大比表面积的Ni纳米阵列结构。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外电阻为10～1000Ω。

5.利用权利要求1所述装置进行微生物电化学强化有机废物连续厌氧好氧堆肥同步脱盐的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，装置启动前，将各所述阳离子交换膜和阴离子交换膜在质量浓度2～5％的NaCl溶液中加热到40℃，并浸泡12～24小时，使膜充分润湿及扩展，再安装于装置中。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，装置启动前，将所述阳极电极在马弗炉中以400℃灼烧1小时。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，装置启动前，用重蒸馏水清洗各所述厌氧阳极室、阴极室和好氧室的反应器，用2％的NaCl溶液清洗各所述浓缩室和脱盐室，并检查装置密封性。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合有机废物的含水率为60％～99.9％。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述阴极液为磷酸盐缓冲体系，包括：1.0～5.0g/L NH₄Cl、1.0～5.0g/L K₂HPO₄、0.5～5.0g/L MgSO₄、0.5～5.0g/L KCl、1.0～5.0g/L KH₂PO₄和0.01～1g/L的微量金属元素；所述微量金属元素为铁、钙、铜、镁、锌和钴其中之一或其组合。