CN112047458B - 一种养殖废水厌氧生物电化学预处理消泡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种养殖废水厌氧生物电化学预处理消泡装置及方法，方法如下：首先在厌氧反应器的腔室内部接种活性污泥，随后通入待处理的养殖废水，开启外部电源，对废水中的长链脂肪酸进行去除；微生物作用产生的气体通过排气口排出厌氧反应器；经厌氧反应器降解长链脂肪酸后的废水通过出水口进入后续的好氧处理单元，避免废水在好氧处理过程中泡沫的产生。本发明在提高AO工艺厌氧阶段污染物去除能力的同时，从根本上解决好氧单元起泡问题，不仅可以充分利用污水厂已有的处理工艺与设施，还能与其它消泡预处理工艺相结合，可广泛应用于养殖废水与其他易起泡有机废水处理，具有极大的应用潜力。

Description

一种养殖废水厌氧生物电化学预处理消泡装置及方法

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种养殖废水厌氧生物电化学预处理消泡装置及方法。

背景技术

随着我国城镇化进程不断加快，养殖业日趋规模化，畜禽养殖业已成为农业源化学需氧量和氨氮排放的主要来源，对养殖废水进行切实有效的处理已经成为农业面源污染控制的重中之重。AO等生物处理工艺是养殖废水处理的主流技术，但好氧生化单元起泡问题尤为严重，影响工艺性能的同时极易引发安全事故，研发成本低、效率高的生物泡沫减控工艺意义重大。

目前主要的生物泡沫减控预处理技术包括物理法、化学法、工艺参数优化、气浮工艺等。物理法主要包含喷洒水、人工打捞以及机械清理，但喷洒水难以去除长期稳定存在的粘稠状生物泡沫，人工打捞与机械清理则清理频率低、效果难达到。化学法如投加氧化剂(臭氧、氯气等)、混凝剂(氯化铁、聚丙烯酰胺等)能有效消除生物泡沫，但难以根除导致生物泡沫产生的其他因素，因此仅能作为应急处理，无法长期有效。工艺参数优化如降低SRT至4～6天可以显著消除生物泡沫，但与硝化工艺通常使SRT维持在10-20天的需求相矛盾；而降低曝气速率将DO控制在0.5mg·L^-1以下的消泡方法同样会抑制好氧生化单元硝化作用。采用气浮工艺对易产生生物泡沫的污泥进行选择性浮选，可有效去除污泥中导致生物泡沫的微生物，然而浮选将导致好氧生化单元生物量降低，同时浮选收集的污泥泡沫粘稠浓密、脱水性差、处置困难，额外补充污泥以及处置粘稠污泥都将引起运营成本的增加。

鉴于物化调控无法从根本上解决生物泡沫问题，基于生物泡沫成因从针对性开发消泡工艺则会是一个很有前途的消泡方向。经过研究表明，生物泡沫由进水长链脂肪酸(LCFAs)及其诱导非丝状菌分泌EPS(胞外聚合物)共同主导：一方面，LCFAs作为表面活性物质能降低废水表面张力，提高混合液起泡能力；另一方面，LCFAs能促进Hydrogenophagaspp.、Pseudomonas spp.等微生物富集并分泌类腐殖酸等EPS，提高生物泡沫稳定性。因此亟需开发一种降低好氧单元进水LCFAs含量的预处理消泡工艺，以期提高废水表面张力，减缓好氧单元菌群演替和关键EPS分泌，最终缓解养殖废水主流工艺好氧单元生物泡沫问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种养殖废水厌氧生物电化学预处理消泡装置及方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种养殖废水厌氧生物电化学预处理消泡装置，其包括具有中空腔室的厌氧反应器与设置于腔室内的阳极和阴极；所述阳极和阴极分别通过导线与外部电源的正极和负极相连通，阳极和阴极表面均用于负载微生物；

所述厌氧反应器的腔室内部用于接种活性污泥；厌氧反应器的侧壁上开设有与腔室连通的进水口和出水口，分别通过进水管和出水管与外部连通；厌氧反应器的顶部开设排气口，用于排出腔室内产生的气体。

作为优选，所述进水管上设有进水泵。

作为优选，所述阳极和阴极的材料均为厚度0.25～0.35cm的石墨毡。

作为优选，所述导线上串联有电阻，用于检测所在电路的电压。

作为优选，所述阳极表面负载的微生物包括电活性菌与发酵菌，阴极表面负载的微生物包括电活性菌、还原菌和发酵菌。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述任一所述装置消除养殖废水中泡沫的方法，其具体如下：

首先在厌氧反应器的腔室内部接种活性污泥，随后通入待处理的养殖废水，开启外部电源，对废水中的长链脂肪酸进行去除；阳极表面负载的电活性菌与发酵菌通过共代谢作用消耗降解废水中的长链脂肪酸及其中间产物，同时，通过阳极区域的电子受体以促进该共代谢作用的进程；阴极表面负载的电活性菌、发酵菌和还原菌共同对废水进行生物处理，同时，阴极表面负载的还原菌通过电活性菌的作用获得电子以促进对废水中长链脂肪酸的还原；微生物作用产生的气体通过排气口排出厌氧反应器；经厌氧反应器降解长链脂肪酸后的废水通过出水口进入后续的好氧处理单元，避免废水在好氧处理过程中泡沫的产生。

作为优选，所述废水在厌氧反应器内的水力停留时间为4～24h。

作为优选，所述外部电源的电压为1.3～2.0V。

作为优选，所述活性污泥的接种量为厌氧反应器腔室体积的3％～10％。

作为优选，所述装置的运行环境温度为35℃。

本发明相对于现有技术而言，具有以下优点：

1)本发明无需向水中投加任何化学药剂，因此能够消除化学法中化学药剂可能反应生成的有害副产物以降低污泥活性与沉降性能，达到了环保安全的效果；

2)本发明只需提供一个很小的额外电压，因此运行成本低，节约了物理法的人工费用与化学法的药剂费用，达到了较为经济的效果；

3)本发明的工艺简单，操作方便，运行稳定，且直接在现有AO工艺上进行改造即添加电极、导线与电源即可使用，还能与其它消泡预处理工艺相结合，沿用水厂原有处理设施，节约投资，见效快，因此易于推广；

4)本发明将厌氧生物工艺与电化学耦合，提高了处理效率，极大降低了好氧进水中的LCFAs，从根本上显著改善好氧单元的起泡问题，并且能够根据水质调节施加电压，利于稳定长期运行。

附图说明

图1为本发明消泡装置的结构示意图；

图中，厌氧反应器1，阳极2，阴极3，电源4，电阻5，导线6，活性污泥7，进水泵8，进水口9，排气口10，出水口11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明提供了一种养殖废水厌氧生物电化学预处理消泡装置，该消泡装置包括具有中空腔室的厌氧反应器1与设置于腔室内的阳极2和阴极3。阳极2和阴极3分别通过导线6与外部电源的正极和负极相连通，阳极2和阴极3表面均用于负载微生物。在本实施例中，阳极2表面负载的微生物包括电活性菌与发酵菌，阴极3表面负载的微生物包括电活性菌、还原菌和发酵菌。阳极2和阴极3的材料均采用利于微生物附着的石墨毡，且厚度优选为0.25～0.35cm范围内。导线6上串联有电阻5，可以通过外接电压表检测计算得到所在电路的电流。

厌氧反应器1的腔室内部用于接种活性污泥7。厌氧反应器1的侧壁上开设有与腔室连通的进水口9和出水口11，分别通过进水管和出水管与外部连通。进水管上设有进水泵8，用于提供压力差将外部待处理的废水通入厌氧反应器1腔室内部。进水口9和出水口11的位置可以设置在厌氧反应器1相对的两侧，以便于进水能够充分和厌氧反应器1腔室内部的活性污泥反应。厌氧反应器1的顶部开设排气口10，用于排出腔室内产生的气体。

上述装置在使用时，首先在厌氧反应器1的腔室内部接种活性污泥7，活性污泥7采用普通的活性污泥即可，只需控制接种量为厌氧反应器1腔室体积的3％～10％。随后通入待处理的养殖废水，开启外部电源，对废水中的长链脂肪酸进行去除。其中，废水在厌氧反应器1内的水力停留时间为4～24h，外部电源的电压为1.3～2.0V，装置的运行环境温度为35℃。在该过程中，利用上述装置对废水中的长链脂肪酸进行去除的具体过程如下：

本发明的装置将AO工艺中厌氧生化单元与生物电化学系统耦合，阳极2表面负载的电活性菌与发酵菌通过共代谢作用消耗降解废水中的长链脂肪酸及其中间产物，同时，通过阳极2区域的电子受体以促进该共代谢作用的进程。阴极3表面负载的电活性菌、发酵菌和还原菌共同对废水进行生物处理，同时，阴极3表面负载的还原菌通过电活性菌的作用获得电子以促进对废水中长链脂肪酸的还原；微生物作用产生的气体通过排气口10排出厌氧反应器1；经厌氧反应器1降解长链脂肪酸后的废水通过出水口11进入后续的好氧处理单元，避免废水在好氧处理过程中泡沫的产生。

本发明基于较小电势的驱动和耦合反应系统中微生物的协同作用，电子转移速率增加，厌氧微生物活性显著提高，从而增强厌氧单元对废水中LCFAs的降解能力，有效缓解后续好氧生化处理单元的起泡问题。本发明的消泡方法与现有其他消泡工艺相比，消泡效率高且从根本上缓解泡沫问题，具有长期可行性，并且能够充分利用水厂已有的处理工艺与设施，即对厌氧生化单元进行升级改造，还能与其它消泡预处理工艺相结合，可广泛应用于养殖废水与其他使用AO工艺的类型废水处理中，具有极大的应用潜力。

实施例

利用如图1所示单室厌氧生物电化学装置对某养殖废水处理站前端进水原水进行预处理消泡，进水COD约1198.0mg·L^-1，TN浓度约113.2mg·L^-1，TP浓度约41.3mg·L^-1，表面张力约67.4mN·m^-1；接种污泥为活性污泥，控制装置内接种量占装置体积5％，设置阳极与阴极为厚0.3cm石墨毡，施加电压为1.5V，水力停留时间为24h，运行环境温度约35℃，连续运行14个周期左右。经测定，COD去除率基本稳定在84.5％，棕榈酸和硬脂酸的去除率分别为87.2％和73.1％，表面张力提升为72.7mN·m^-1，起泡体积减少68.1％。

对比例1

利用如图1所示单室厌氧生物电化学装置对某养殖废水处理站前端进水原水进行预处理消泡，进水COD约1198.0mg·L^-1，TN浓度约113.2mg·L^-1，TP浓度约41.3mg·L^-1，表面张力约67.4mN·m^-1。接种污泥为活性污泥，控制装置内接种量占装置体积5％，设置电路为开路。运行环境温度约35℃，连续运行14个周期左右。经测定，COD去除率基本稳定在67.3％，棕榈酸和硬脂酸的去除率分别为76.7％和59.2％，表面张力提升为71.9mN·m^-1，起泡体积减少54.1％。

只设置不加电的厌氧对比数据，是因为此预处理方法是基于厌氧生化工艺进行改进，主要说明电化学能有效提高厌氧系统对难降解有机物包括LCFAs的转化效率。

这些研究结果表明，本发明将AO工艺中厌氧生化单元与生物电化学系统耦合，基于较小电势的驱动和耦合反应系统中微生物的协同作用，电子转移速率增加，厌氧微生物活性显著提高，从而增强厌氧单元对废水中LCFAs的降解能力，有效缓解后续好氧生化处理单元的起泡问题。

除此之外，本发明的预处理消泡装置及方法能够连续运行，始终保持良好的COD和LCFAs去除效率与稳定性，显著降低废水起泡能力。本发明针对生物泡沫成因从根本上解决养殖废水主流工艺好氧单元起泡问题，并且能够充分利用水厂已有的处理工艺与设施，即对厌氧生化单元进行升级改造，还能与其它消泡预处理工艺相结合，可广泛应用于养殖废水与其他使用AO工艺的类型废水处理中，具有极大的应用潜力。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于养殖废水厌氧生物电化学预处理消泡装置消除养殖废水中泡沫的方法，其特征在于，所述养殖废水厌氧生物电化学预处理消泡装置包括具有中空腔室的厌氧反应器（1）与设置于腔室内的阳极（2）和阴极（3）；所述阳极（2）和阴极（3）分别通过导线（6）与外部电源的正极和负极相连通，阳极（2）和阴极（3）表面均用于负载微生物；

所述厌氧反应器（1）的腔室内部用于接种活性污泥（7）；厌氧反应器（1）的侧壁上开设有与腔室连通的进水口（9）和出水口（11），分别通过进水管和出水管与外部连通；厌氧反应器（1）的顶部开设排气口（10），用于排出腔室内产生的气体；

所述消除养殖废水中泡沫的方法具体如下：

首先在厌氧反应器（1）的腔室内部接种活性污泥（7），随后通入待处理的养殖废水，开启外部电源，对废水中的长链脂肪酸进行去除；阳极（2）表面负载的电活性菌与发酵菌通过共代谢作用消耗降解废水中的长链脂肪酸及其中间产物，同时，通过阳极（2）区域的电子受体以促进该共代谢作用的进程；阴极（3）表面负载的电活性菌、发酵菌和还原菌共同对废水进行生物处理，同时，阴极（3）表面负载的还原菌通过电活性菌的作用获得电子以促进对废水中长链脂肪酸的还原；微生物作用产生的气体通过排气口（10）排出厌氧反应器（1）；经厌氧反应器（1）降解长链脂肪酸后的废水通过出水口（11）进入后续的好氧处理单元，避免废水在好氧处理过程中泡沫的产生。

2.根据权利要求1所述的消除养殖废水中泡沫的方法，其特征在于，所述进水管上设有进水泵（8）。

3.根据权利要求1所述的消除养殖废水中泡沫的方法，其特征在于，所述阳极（2）和阴极（3）的材料均为厚度0.25~0.35cm的石墨毡。

4.根据权利要求1所述的消除养殖废水中泡沫的方法，其特征在于，所述导线（6）上串联有电阻（5），用于检测所在电路的电压。

5.根据权利要求1所述的消除养殖废水中泡沫的方法，其特征在于，所述阳极（2）表面负载的微生物包括电活性菌与发酵菌，阴极（3）表面负载的微生物包括电活性菌、还原菌和发酵菌。

6. 根据权利要求1所述消除养殖废水中泡沫的方法，其特征在于，所述废水在厌氧反应器（1）内的水力停留时间为4~24 h。

7. 根据权利要求1所述消除养殖废水中泡沫的方法，其特征在于，所述外部电源的电压为1.3~2.0 V。

8.根据权利要求1所述消除养殖废水中泡沫的方法，其特征在于，所述活性污泥（7）的接种量为厌氧反应器（1）腔室体积的3%~10%。

9.根据权利要求1所述消除养殖废水中泡沫的方法，其特征在于，所述装置的运行环境温度为35°C。

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