一种基于芬顿铁泥厌氧消化提纯沼气的系统和方法

本发明属于废水处理过程中的固体废物资源化利用，涉及一种基于芬顿铁泥厌氧消化提纯沼气的系统和方法。

背景技术：

1、沼气作为一种可再生能源，其主要成分甲烷（ch4）约占据沼气的50%至70%，具有高热值和良好的燃烧性能，可在替代化石能源方面发挥重要作用。污水处理厂厌氧发酵过程中产生的沼气，主要杂质二氧化碳（co2）会降低沼气的燃烧价值，其中的微量杂质例如硫化氢参与燃烧更会腐蚀设备。为提升污水处理行业的能源利用效率，通过沼气净化和提纯去除沼气中的杂质，制备高品质的生物甲烷是非常必要的。将co2吸收-矿化为碳酸盐的方法被视为一项极具前景的技术，但目前主流的化学吸收、物理吸附和膜分离等固定co2技术，存在成本高、能耗高和存在潜在环境污染等问题。

2、经典均相fenton催化氧化工艺，作为一种高级氧化技术(aop)，对于处理污水中的难生物降解有机物发挥着重要作用。芬顿铁泥作为该技术的副产物，其主要成分为氢氧化铁，吸附和絮凝大量有机污染物，而目前主流的芬顿铁泥处理技术存在经济性差和容易造成二次污染等问题，因此寻找一种廉价的方式，对芬顿铁泥进行资源化利用对环境保护和资源回收具有重要意义。

3、cn114920433a公开了一种抗生素废水处理中产生的化学铁泥资源化利用的方法，利用fenton铁泥制备干式脱硫用的氧化铁柱状吸附剂。cn116212924a公开了一种由芬顿铁泥制成的多位点催化剂及其制备方法和应用，将芬顿铁泥直接进行热解，通过对热解温度及时间的调节得到一种芬顿铁泥制得的多位点催化剂。cn116589080a公开了一种利用废污泥制备生物膜填料的方法，制备填料的原料为：60％-70％高分子聚合物基质、10％-35％剩余污泥和5％-10％芬顿铁泥；制备方法为：收集污水处理工艺中脱水后的剩余污泥和芬顿铁泥，烘干后破碎过筛备用，将高分子聚合物基质和过筛后的干污泥按一定比例混合后加入双螺杆挤出机中，通过填料模具挤出成形。cn118416889a公开了一种芬顿铁泥的资源化处理方法及制备得到的含铁生物炭，所述芬顿铁泥为芬顿反应产生的含铁污泥，将所述芬顿铁泥与活性污泥混合；依次对所述待处理污泥进行酸处理、碱处理、高温热解处理得到铁元素分布均匀、具有高比表面积的生物炭。上述芬顿铁泥的利用方法，普遍存在能耗高、工艺复杂、铁资源利用率不高等缺陷。

4、目前城市水处理行业广泛使用各种形式的铁盐，需求量大；但目前铁盐的生产来自于冶金过程的副产品，从而导致铁盐运输成本的增加和碳足迹的生成。相比传统水处理行业应用到的铁盐，碳酸亚铁已被证明是fecl2和fecl3的合适替代品。

5、亟需开发一种处理系统和方法，将净化污水处理过程中的沼气和消纳芬顿铁泥相结合，在水厂原位进行碳酸亚铁生产，促进铁资源在水厂内的循环利用，减少相关碳排放。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于芬顿铁泥厌氧消化提纯沼气的系统和方法，利用芬顿铁泥在厌氧环境下可发生异化铁还原产生富含fe(ii)的发酵铁泥，向其通入待提纯的沼气，使沼气中的co2渗透入液相与fe(ii)发生反应产生feco3，在实现沼气提纯去除co2杂质的同时，使co2以碳酸盐的形式固定。同时feco3作为一种廉价铁盐，可循环利用于工业产生的过程中，例如参与污水混凝和改善污泥活性等过程；还可以作为土壤改良剂和铁肥料，改善土壤结构，用于农业生产；从而解决了芬顿铁泥的资源化利用难题。本发明的目的通过以下具体技术方案得以实现。

2、本发明的首要方面是提供一种基于芬顿铁泥厌氧消化提纯沼气的系统，包括厌氧发酵装置、沼气贮存罐、沼气提纯装置、甲烷储气罐和feco3储存罐；厌氧发酵装置设有微波处理装置、厌氧反应室、进料口和出料口，厌氧反应室内接种厌氧消化污泥，沼气贮存罐设有进气口和出气口，沼气提纯装置设有多级塔板、进料口、进气口、出料口和出气口，甲烷储气罐设有进气口和出气口，feco3储存罐设有进料口和出料口；厌氧发酵装置出料口和沼气提纯装置进料口通过管道连接，沼气贮存罐出气口与沼气提纯装置进气口通过管道连接，沼气提纯装置出气口通过管道与甲烷储气罐进气口通过管道连接，沼气提纯装置出料口和feco3储存罐进料口通过管道连接。

3、进一步的，所述沼气贮存罐进气口前方设有预处理装置，对沼气进行脱硫和脱水处理。

4、进一步的，所述微波处理装置设置于厌氧反应室外部，所述厌氧反应室内部设有搅拌器。微波处理装置对厌氧反应室内芬顿铁泥进行微波预处理，在电磁波的作用下直接加热泥中的水分子和其他极性分子，均匀并迅速地提升温度，使得泥中气体膨胀破裂，有效地破坏污泥中的气阻，破坏污泥团块结构，改善污泥流动性和厌氧处理效果。另外，通过微波处理后，厌氧室内的温度得到一定的提升并且对接种厌氧消化污泥中细胞的细胞壁进行破碎，使得污泥中的有机物更加充分的参与厌氧消化，从而还可提高厌氧反应效率。搅拌器在芬顿铁泥厌氧消化过程中搅拌，提高传质效率。

5、进一步的，所述沼气提纯装置内有多个进料口与多个出料口，在沼气提纯装置的不同高度分级设置，使得发酵铁泥浆料分级进入和输出沼气提纯装置；沼气提纯装置底部设有微孔曝气装置，将沼气压缩成微小气泡后与发酵铁泥接触。

6、进一步的，所述多级塔板为金属泡罩踏板，用于将沼气提纯装置底部进入的未与底层发酵铁泥反应完全的二氧化碳，均匀分散地通入向上一层的发酵铁泥中，通过与发酵铁泥多层均匀接触，达到沼气中的二氧化碳与二价铁充分接触的目的，实现沼气的高效提纯。

7、本发明的再一方面是提供一种基于芬顿铁泥厌氧消化提纯沼气的方法，包括以下步骤：

8、s1 将芬顿铁泥加入厌氧反应室内，接种厌氧消化污泥，经过微波处理装置预处理后，以芬顿铁泥作为培养基发酵培养得到发酵铁泥；

9、s2 将发酵铁泥分级输送到沼气提纯装置内，将待提纯的沼气通过微孔曝气装置从底部通入沼气提纯装置内，使待提纯的沼气与多层发酵铁泥接触进行充分反应；

10、s3 反应结束后，将沼气提纯后的甲烷气体由集气装置收集，输入到甲烷储气罐；生成的feco3固体通过分离装置收集，输入到feco3储存罐。

11、进一步的，步骤s1中厌氧消化污泥与芬顿铁泥的质量比为（0.05~0.5）∶1，向厌氧反应室内加入适量水与发酵铁泥混合成浆料后发酵；发酵条件为温度20~30℃，搅拌转速50~200rpm，ph值4~8，发酵时间5~20d。

12、进一步的，步骤s2中，反应时间为1~5h，反应温度为常温。

13、进一步的，步骤s2中，待提纯的沼气从沼气提纯装置底部通过微孔曝气装置通入，与发酵铁泥充分接触。

14、进一步的，步骤s2中，待提纯的沼气通过微孔曝气装置后压缩为3~5 mm的微细气泡，与发酵铁泥充分接触，以最大化气-液接触面积和使待提纯的沼气最大程度地与发酵铁泥接触反应。

15、进一步的，步骤s2中，所述多层发酵铁泥的层数至少为3层。

16、本发明的技术原理：芬顿铁泥在厌氧消化过程发生异化铁还原，厌氧铁还原菌以芬顿铁泥中的fe(iii)作为末端电子受体，通过氧化芬顿铁泥自身有机物耦合fe(iii)的还原获取能量进而进行生长代谢。经过这一过程，芬顿铁泥的主要铁成分实现fe(iii)向fe(ii)的转变，产生发酵铁泥。发酵铁泥通过直接与沼气接触，使沼气中的co2渗透入液相，与发酵铁泥中的fe(ii)发生反应产生feco3(co2+h2o→h2co3；h2co3→2h++co32+；fe2++co32+→feco3)，从而将沼气中的co2去除。

17、本发明与现有技术相比，具有以下有益技术效果：本发明利用发酵后的铁泥将沼气进行提纯，利用发酵铁泥中存在的大量fe(ii)将待提纯沼气中的co2进行高效稳定的化学反应吸收，使沼气中二氧化碳含量减少，甲烷含量提高，从而实现高效低成本的沼气提纯。本发明利用芬顿铁泥能够进行反应条件温和的异化铁还原反应的特点，制备了绿色低成本的fe(ii)源去吸收沼气中的co2，以废治废使co2得以固定，解决了传统化学吸收法固定co2成本高的问题。本发明得到的feco3铁盐，可用于工农业生产，如在水处理行业中可作为混凝剂或改善污泥活性，在农业中可作为土壤改良剂或铁肥料改善土壤结构，使芬顿铁泥实现资源化利用。