本發(fā)明屬于廢水處理和沼氣提純，具體涉及一種電化學(xué)鐵強(qiáng)化廢水厭氧處理工藝和沼氣原位純化的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、與傳統(tǒng)的廢水好氧處理工藝相比，厭氧處理工藝因具有處理負(fù)荷高、能耗低、運(yùn)行費(fèi)用低、污泥產(chǎn)率低、可通過沼氣（主要組分是甲烷）回收能源等優(yōu)點(diǎn)，成為污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和的重要方向、以及實(shí)現(xiàn)廢水處理過程綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。

2、然而，廢水厭氧處理工藝產(chǎn)沼氣中除了含有甲烷（ch4）之外，還含有大量的二氧化碳（co2）、硫化氫（h2s）等雜質(zhì)。沼氣中通常co2含量很高（20-50%），這顯著降低了沼氣的熱值，并使沼氣難以壓縮，而沼氣中的h2s導(dǎo)致氣味和安全問題以及設(shè)備腐蝕風(fēng)險。

3、當(dāng)前，我國大部分沼氣未被利用或綠色低碳高值化利用，大型企業(yè)通常采取就地燃燒供熱或發(fā)電等方式進(jìn)行處理，中小企業(yè)一般采用直接對空燃燒沼氣的方式處理。因?yàn)槲刺峒兊恼託馊紵Ч?、利用率低，?dǎo)致燃燒不徹底，一方面產(chǎn)生了大量的硫化物和含碳化合物污染而造成了安全風(fēng)險，另一方面未對沼氣中的能源進(jìn)行利用或最大程度利用造成了巨大浪費(fèi)和碳排放，不能滿足綠色低碳的要求。

4、沼氣中高含量的co2和h2s成為沼氣綠色低碳高值化利用的主要障礙，沼氣經(jīng)提純?nèi)コ齝o2和h2s之后，燃燒特性大大提升，可以直接應(yīng)用為車輛燃料或天然氣，實(shí)現(xiàn)高值化利用。

5、目前，國內(nèi)外已經(jīng)研究開發(fā)的沼氣提純工藝均以脫硫（去除h2s）、脫碳（去除co2）為主要目標(biāo)，普遍存在運(yùn)行成本高、二次污染嚴(yán)重、碳排放量大、或者嚴(yán)重影響厭氧處理工藝等問題，急需開發(fā)綠色低碳高效的沼氣提純新技術(shù)。

6、現(xiàn)有技術(shù)公開了亞鐵離子可以用于對沼氣進(jìn)行脫硫，例如中國專利申請cn116392962?a。然而，現(xiàn)有采用亞鐵離子去除硫化氫的技術(shù)存在著投加亞鐵離子引起系統(tǒng)ph下降導(dǎo)致脫硫效果顯著下降、或者亞鐵離子用量大大增加及其導(dǎo)致的ph進(jìn)一步下降以及厭氧處理效果顯著下降等缺陷；另一方面，現(xiàn)有技術(shù)未見采用亞鐵離子進(jìn)行沼氣脫碳的方法，而利用亞鐵離子進(jìn)行沼氣脫碳也高度依賴于ph，受到較低ph的顯著負(fù)面影響。此外，現(xiàn)有技術(shù)中未見采用電化學(xué)鐵耦合廢水厭氧處理系統(tǒng)進(jìn)行沼氣原位脫硫脫碳及增強(qiáng)廢水厭氧處理效果的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有的沼氣脫硫技術(shù)的缺點(diǎn)和不足之處，以及電化學(xué)方法和厭氧處理過程的耦合及其協(xié)同作用調(diào)控等技術(shù)難點(diǎn)，本發(fā)明的首要目的在于提供一種電化學(xué)鐵強(qiáng)化廢水厭氧處理工藝和沼氣原位純化的裝置，該裝置能高效原位去除廢水厭氧處理產(chǎn)生沼氣中的二氧化碳和硫化氫，實(shí)現(xiàn)了沼氣的原位純化，并有效增強(qiáng)了廢水厭氧處理的效果。

2、本發(fā)明還提供了基于上述裝置的廢水處理方法。本發(fā)明通過構(gòu)建電化學(xué)鐵協(xié)同厭氧處理系統(tǒng)的新策略，利用電化學(xué)的方法，在鐵陽極原位生成fe2+，同時在陰極同步原位生成了h2和oh-，獲得了在厭氧反應(yīng)器中同步高效原位去除沼氣中的co2和h2s、克服ph下降、以及提高廢水厭氧處理效果等面向?qū)嵱没亩嗄繕?biāo)解決方案。該方法應(yīng)用于處理生活污水、造紙廢水及其他廢水。

3、本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

4、本發(fā)明提供了一種電化學(xué)鐵強(qiáng)化廢水厭氧處理工藝和沼氣原位純化的裝置，該裝置包括陽極、陰極、電源、電解池、攪拌器、厭氧反應(yīng)器和ph值調(diào)控系統(tǒng)；所述陽極、陰極和攪拌器設(shè)置在電解池中，由陽極、陰極、電源和電解池構(gòu)成電化學(xué)系統(tǒng)；所述電源的兩端通過電源線分別與陽極和陰極連接，向所述電化學(xué)系統(tǒng)提供電壓和電流；所述電解池與厭氧反應(yīng)器連接；所述陽極為鐵電極；

5、所述ph值調(diào)控系統(tǒng)包括ph檢測儀、堿液供應(yīng)系統(tǒng)、酸液供應(yīng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述堿液供應(yīng)系統(tǒng)包括堿液制備裝置和堿液泵，所述酸液供應(yīng)系統(tǒng)包括酸液制備裝置和酸液泵；所述堿液制備裝置與電解池通過堿液泵連接；所述酸液制備裝置與電解池通過酸液泵連接；所述ph檢測儀與厭氧反應(yīng)器連接；

6、所述電解池設(shè)有廢水入口，所述厭氧反應(yīng)器設(shè)有廢水入口、鐵沉淀產(chǎn)物出口、廢水出口和沼氣出口。

7、作為本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，所述電化學(xué)鐵強(qiáng)化廢水厭氧處理工藝和沼氣原位純化的裝置，該裝置包括陽極、陰極、電源、電解池、攪拌器、厭氧反應(yīng)器和ph值調(diào)控系統(tǒng)；所述陽極、陰極和攪拌器設(shè)置在電解池中，由陽極、陰極、電源和電解池構(gòu)成電化學(xué)系統(tǒng)；所述電源的兩端通過電源線分別與陽極和陰極連接；所述電解池與厭氧反應(yīng)器連接；所述陽極為鐵電極；

8、所述ph值調(diào)控系統(tǒng)包括ph檢測儀、堿液供應(yīng)系統(tǒng)、酸液供應(yīng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述堿液供應(yīng)系統(tǒng)包括堿液制備裝置和堿液泵，所述酸液供應(yīng)系統(tǒng)包括酸液制備裝置和酸液泵；所述堿液制備裝置與電解池通過堿液泵連接；所述酸液制備裝置與電解池通過酸液泵連接；所述ph檢測儀與厭氧反應(yīng)器連接；

9、所述厭氧反應(yīng)器還通過循環(huán)水管道與電解池連接；所述電解池設(shè)有循環(huán)水入口和出口，所述厭氧反應(yīng)器設(shè)有循環(huán)水出口和入口、廢水入口、鐵沉淀產(chǎn)物出口、廢水出口和沼氣出口。在該實(shí)施方案中，厭氧反應(yīng)器的循環(huán)水進(jìn)入電解池，與陽極反應(yīng)生成的fe2+、陰極反應(yīng)生成的h2和oh-混合均勻后進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器；待處理廢水直接輸送到厭氧反應(yīng)器。

10、作為本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，所述電化學(xué)鐵強(qiáng)化廢水厭氧處理工藝和沼氣原位純化的裝置，包括陽極、陰極、電源、厭氧反應(yīng)器和ph值調(diào)控系統(tǒng)；所述陽極和陰極設(shè)置在厭氧反應(yīng)器中，由陽極、陰極、電源和厭氧反應(yīng)器構(gòu)成電化學(xué)系統(tǒng)；所述電源的兩端通過電源線分別與陽極和陰極連接，向所述電化學(xué)系統(tǒng)提供電壓和電流；所述陽極為鐵電極；

11、所述ph值調(diào)控系統(tǒng)包括ph檢測儀、堿液供應(yīng)系統(tǒng)、酸液供應(yīng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述堿液供應(yīng)系統(tǒng)包括堿液制備裝置和堿液泵，所述酸液供應(yīng)系統(tǒng)包括酸液制備裝置和酸液泵；所述堿液制備裝置與厭氧反應(yīng)器通過堿液泵連接；所述酸液制備裝置與厭氧反應(yīng)器通過酸液泵連接；所述ph檢測儀與厭氧反應(yīng)器連接；所述厭氧反應(yīng)器設(shè)有廢水入口、鐵沉淀產(chǎn)物出口、廢水出口和沼氣出口。

12、優(yōu)選地，上述裝置中，所述鐵電極包括但不限于鐵板、碳鋼、不銹鋼、廢鐵或含鐵復(fù)合電極等含鐵電極材料。

13、優(yōu)選地，上述裝置中，所述陰極采用金屬電極、碳基材料電極或復(fù)合電極；所述金屬電極包括鐵電極或非鐵金屬電極。

14、優(yōu)選地，上述裝置中，所述厭氧反應(yīng)器包括厭氧折流板反應(yīng)器、uasb厭氧反應(yīng)器等。

15、基于本發(fā)明所述的裝置，本發(fā)明還提供了一種電化學(xué)鐵強(qiáng)化廢水厭氧處理工藝和沼氣原位純化的方法，包括以下步驟：

16、（1）待處理廢水輸送進(jìn)入電解池，通過調(diào)控電化學(xué)系統(tǒng)的電壓/電流，在電解池中陽極反應(yīng)生成fe2+、陰極反應(yīng)生成h2和oh-，并通過攪拌器的作用與待處理廢水混合均勻；

17、（2）接著，混合有fe2+、h2和oh-的待處理廢水輸送進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器，進(jìn)行廢水的厭氧處理，廢水中的有機(jī)物等污染物在厭氧反應(yīng)器中被微生物降解，獲得處理后的廢水，并產(chǎn)生了沼氣，沼氣的主要組分為ch4和co2、以及h2s等雜質(zhì)；

18、（3）ph值調(diào)控系統(tǒng)通過ph檢測儀檢測厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的ph值、并調(diào)控酸液泵或堿液泵向電解池供應(yīng)一定量的酸液或堿液，使厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的ph值穩(wěn)定維持在7.1±0.1；

19、（4）在厭氧反應(yīng)器中，沼氣中的co2、h2s與fe2+、h2發(fā)生反應(yīng)生成沉淀產(chǎn)物、或生成ch4而被原位去除，純化沼氣和處理后廢水排出厭氧反應(yīng)器，沼氣純化過程中生成的鐵沉淀產(chǎn)物定期排出厭氧反應(yīng)器，電化學(xué)陰極反應(yīng)生成的h2也隨純化沼氣排出，完成廢水厭氧處理及沼氣原位純化的過程。

20、作為本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，所述電化學(xué)鐵強(qiáng)化廢水厭氧處理工藝和沼氣原位純化的方法，包括以下步驟：

21、（1）厭氧反應(yīng)器的循環(huán)水輸送進(jìn)入電解池，通過調(diào)控電化學(xué)系統(tǒng)的電壓/電流，在電解池中陽極反應(yīng)生成fe2+、陰極反應(yīng)生成h2和oh-，并通過攪拌器的作用與循環(huán)水混合均勻；

22、（2）接著，混合有fe2+、h2和oh-的循環(huán)水輸送進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器，同時將待處理廢水直接輸送到厭氧反應(yīng)器中，進(jìn)行厭氧處理，廢水中的有機(jī)物等污染物在厭氧反應(yīng)器中被微生物降解，獲得處理后的廢水，并產(chǎn)生了沼氣，沼氣的主要組分為ch4和co2、以及h2s等雜質(zhì)；

23、（3）ph值調(diào)控系統(tǒng)通過ph檢測儀檢測厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的ph值、并調(diào)控酸液泵或堿液泵向電解池供應(yīng)一定量的酸液或堿液，使厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的ph值穩(wěn)定維持在7.1±0.1；

24、（4）在厭氧反應(yīng)器中，沼氣中的co2、h2s與fe2+、h2發(fā)生反應(yīng)生成沉淀產(chǎn)物、或生成ch4而被原位去除，純化沼氣排出厭氧反應(yīng)器，處理后廢水排出厭氧反應(yīng)器或作為循環(huán)水，沼氣純化過程中生成的鐵沉淀產(chǎn)物定期排出厭氧反應(yīng)器，電化學(xué)陰極反應(yīng)生成的h2也隨純化沼氣排出，完成廢水厭氧處理及沼氣原位純化的過程。

25、作為本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，所述電化學(xué)鐵強(qiáng)化廢水厭氧處理工藝和沼氣原位純化的方法，包括以下步驟：

26、（1）所述待處理廢水直接輸送進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器，在厭氧反應(yīng)器中陽極反應(yīng)生成fe2+、陰極反應(yīng)生成h2和oh-并與待處理廢水混合均勻，對待處理廢水進(jìn)行厭氧處理，廢水中的有機(jī)物等污染物在厭氧反應(yīng)器中被微生物降解，獲得處理后的廢水，并產(chǎn)生了沼氣，沼氣的主要組分為ch4和co2、以及h2s等雜質(zhì)；

27、（2）ph值調(diào)控系統(tǒng)通過ph檢測儀檢測厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的ph值、并調(diào)控酸液泵或堿液泵向厭氧反應(yīng)器供應(yīng)一定量的酸液或堿液，使厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的ph值穩(wěn)定維持在7.1±0.1；

28、（3）在厭氧反應(yīng)器中，沼氣中的co2、h2s與fe2+、h2發(fā)生反應(yīng)生成沉淀產(chǎn)物、或生成ch4而被原位去除，純化沼氣和處理后廢水排出厭氧反應(yīng)器，沼氣純化過程中生成的鐵沉淀產(chǎn)物定期排出厭氧反應(yīng)器，電化學(xué)陰極反應(yīng)生成的h2也隨純化沼氣排出，完成廢水厭氧處理及沼氣原位純化的過程。

29、優(yōu)選地，上述方法中所述待處理廢水包括生活污水或造紙廢水等。

30、上述方法中，所述電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物fe2+、oh-還分別起到了有效提高微生物活性、克服ph下降的作用，并利用所述電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物fe2+的絮凝效果來改善污泥沉淀和脫水性能以及去除有機(jī)物，從而有效提高了廢水厭氧處理的效果。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的原理和具有的優(yōu)點(diǎn)及有益效果敘述如下：

32、當(dāng)待處理廢水或厭氧反應(yīng)器的循環(huán)水進(jìn)入電解池時，電化學(xué)系統(tǒng)的鐵陽極生成的fe2+、以及陰極生成的h2和oh-溶解混合進(jìn)入了待處理廢水或厭氧反應(yīng)器的循環(huán)水中，并混合均勻。

33、于是，當(dāng)含有電化學(xué)反應(yīng)生成的產(chǎn)物fe2+、h2和oh-的待處理廢水或厭氧反應(yīng)器的循環(huán)水進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器時，獲得了在厭氧反應(yīng)器中同步高效原位去除沼氣中的co2和h2s、克服ph下降、以及提高廢水厭氧處理效果等面向?qū)嵱没亩鄠€目標(biāo)。

34、首先，利用鐵陽極生成的fe2+與廢水厭氧處理過程中產(chǎn)生的沼氣中的co2反應(yīng)，生成了feco3沉淀，去除了沼氣中大部分的co2，并形成了co2匯（式①、②）；同時，利用電化學(xué)系統(tǒng)的陰極生成的h2與沼氣中的co2的生物化學(xué)反應(yīng)，生成了ch4（式③）。因此，利用鐵陽極生成的fe2+和陰極生成的h2的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了在厭氧反應(yīng)器中對沼氣中co2的高效原位去除。

35、???①

36、??②

37、??③

38、同時，利用電化學(xué)系統(tǒng)的鐵陽極生成的fe2+與廢水厭氧處理過程中產(chǎn)生的沼氣中的h2s反應(yīng)，生成了fes沉淀，同步實(shí)現(xiàn)了在厭氧反應(yīng)器中對沼氣中h2s的高效原位去除（式④）。

39、??④

40、對于在廢水厭氧處理過程加入亞鐵離子進(jìn)行沼氣脫硫的情況，事實(shí)上在廢水中加入亞鐵離子對系統(tǒng)ph值產(chǎn)生了重要的影響。這是因?yàn)閬嗚F鹽是強(qiáng)酸性化合物，常用的亞鐵鹽劑量會降低廢水的ph值。尤其是在含高濃度有機(jī)物廢水的厭氧處理過程中，揮發(fā)性脂肪酸累積引起的厭氧過程酸化惡化是一個常見的嚴(yán)重問題，加入亞鐵離子使這個問題更加嚴(yán)重。

41、同時，亞鐵離子與h2s的沉淀反應(yīng)高度依賴于ph，受到較低ph值顯著的負(fù)面影響，尤其是在廢水生物處理的ph值條件下（即6-8）。例如，從ph?7.0降低到6.5導(dǎo)致鐵鹽劑量要求增加超過200%，以實(shí)現(xiàn)相同硫化物濃度。此外，ph值的降低也將反應(yīng)平衡從hs-轉(zhuǎn)移到揮發(fā)性的h2s，導(dǎo)致釋放更多h2s，造成h2s去除效果下降、沼氣甲烷純度下降以及設(shè)備腐蝕和安全風(fēng)險等問題。另一方面，ph的降低還將導(dǎo)致沼氣脫碳效果顯著下降、以及厭氧處理工藝酸化和惡化、污染物去除效果和沼氣產(chǎn)率顯著下降等嚴(yán)重問題。

42、本發(fā)明利用電化學(xué)系統(tǒng)陰極產(chǎn)生的oh-，可有效維持厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的堿性環(huán)境，通過調(diào)控電化學(xué)系統(tǒng)的電流值，同時通過設(shè)置ph值調(diào)控系統(tǒng)，對厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的ph值進(jìn)行微調(diào)，使厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的ph值穩(wěn)定維持在7.1±0.1范圍內(nèi)，因而獲得了同步高效原位去除沼氣中的co2和h2s、有效緩解廢水厭氧處理過程中揮發(fā)性脂肪酸累積引起的厭氧過程酸化惡化、以及提高廢水厭氧處理工藝效果等目的。

43、另一方面，電化學(xué)系統(tǒng)鐵陽極原位生成的fe2+通過強(qiáng)化某些生物酶的活性而提高了厭氧反應(yīng)器中微生物的活性，并利用其絮凝效果來改善污泥沉淀和脫水性能以及去除有機(jī)物，從而有效提高了廢水厭氧處理工藝的效果。

44、本發(fā)明的方法簡便高效、流程短、設(shè)備少、投資和運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)行維護(hù)方便，且能夠一步同時高效去除沼氣中的co2和h2s，實(shí)現(xiàn)沼氣原位純化的目的，同時有效提高了廢水厭氧處理工藝的效果，具有良好的應(yīng)用前景。

45、進(jìn)一步地，本發(fā)明獲得的電化學(xué)鐵沉淀產(chǎn)物中鐵的含量可達(dá)57%左右，具有作為鐵礦原料的潛力；同時，本發(fā)明獲得的電化學(xué)鐵沉淀產(chǎn)物可應(yīng)用于廢水和污泥處理過程，有效提高了污泥的脫水和沉淀性能，具有顯著的資源化回收利用價值。