CN113860482A - 一种人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法 - Google Patents

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陈雪文
陈长青
徐进
徐德荣
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    • C02F2103/20—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from animal husbandry

Abstract

本发明公开了一种人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，包括如下步骤：使废水从上至下经过人工湿地系统；废水经人工湿地系统过滤、吸附净化后通过液体泵流向微生物电芬顿系统；净化后的废水在微生物电芬顿系统内发生电解反应；微生物电芬顿系统的阳极与阴极均发生反应，进而对废水中难降解的物质处理和病原微生物灭活；该人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法能够通过原位电芬顿反应强化去除畜禽废水中残留兽用抗生素和病原微生物，同时利用人工湿地种植植物回收氮磷元素实现废水资源化，有利于维护生态环境，适合推广使用。

Description

一种人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法。
背景技术
在过去几十年里中国畜禽养殖业显著增长，然而也导致了一些环境问题。畜禽废水具有高化学需氧量 (COD)、生物需氧量 (BOD)的特点富含氮、磷和悬浮固体，未经处理排放到环境中会严重污水资源，如氮磷等营养物质会使水体富营养化。畜禽废水包括对粪便的冲洗水因此含有大量的肠道寄生虫、细菌和牲畜产生的病毒。此外，在养殖过程中，为了保证畜禽的生长而大量使用抗生素，30-90%的抗生素以原始形态或复合物通过粪便排放到环境中。同时，它们中的大部分通过迁移最终以难降解有机物的形式存在于水体中。然而，水体中存在的抗生素不仅会给水生动植物带来直接生物毒性，还容易使环境中的微生物产生抗生素抗性基因。畜禽废水中的营养物质、兽医抗生素、雌激素，也可能通过饮用或/和使用受污染的水并通过食物链传播对人类造成风险。而传统方法在处理这类废水时还存在处理效率低的缺陷，且较少关注抗生素的去除，对水体环境以及动植物存在一定的影响。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题而提供一种能够通过原位电芬顿反应强化去除畜禽废水中残留兽用抗生素和病原微生物，同时利用人工湿地种植植物回收氮磷元素实现废水资源化，有利于维护生态环境的人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，包括如下步骤： （1）使废水从上至下经过人工湿地系统； （2）废水经人工湿地系统过滤、吸附净化后通过液 体泵流向微生物电芬顿系统； （3）净化后的废水在微生物电芬顿系统内发生电解反应； （4）微生物电芬顿系统的阳极与阴极均发生反应，进而对废水中难降解的物质处理和病原微生物灭活。
优选的，所述步骤（1）中人工湿地系统从上至下依次为砾石层、铁碳层和细沙层，其中砾石层的厚度为10-50mm，铁砂层的厚度为25-35mm，细沙层的厚度为5-15mm，所述砾石层、铁碳层和细沙层的孔隙率均为50%，水位于细沙层下5 cm，所述砾石层上还设有香蒲。
优选的，所述步骤（2）中微生物电芬顿系统包括阳极室、阴极室、离子交换膜和直流电源，其中阳极室内为碳刷，所述阴极室内为多块石墨板。
优选的，所述碳刷以钛丝相连串联接入直流电源的正极，多块所述石墨板以串联形式共同联机直流电源的负极。
优选的，所述阳极室和阴极室之间设有缓冲室，废水从阳极室进入缓冲室内调节pH和亚铁离子浓度后进入阴极室。
优选的，所述石墨板的下方设有曝气管，所述曝气管的一端穿过阴极室并向外延伸与气体泵连接。
优选的，所述曝气管在石墨板下方曝空气，在有氧条件下阴极生成过氧化氢与溶液中的铁离子发生芬顿反应或类芬顿反应，形成·OH氧化难降解有机物和灭活病原微生物。
优选的，所述直流电源的电压为0.8 V，可促进阳极电活性菌生长和阴极氧还原电位。
本发明公开的一种人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，包括如下步骤：使废水从上至下经过人工湿地系统；废水经人工湿地系统过滤、吸附净化后通过液 体泵流向微生物电芬顿系统；净化后的废水在微生物电芬顿系统内发生电解反应；微生物电芬顿系统的阳极与阴极均发生反应，进而对废水中难降解的物质处理和病原微生物灭活；该人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法能够通过原位电芬顿反应强化去除畜禽废水中残留兽用抗生素和病原微生物，同时利用人工湿地种植植物回收氮磷元素实现废水资源化，有利于维护生态环境，适合推广使用。
附图说明
图1为本发明中人工湿地系统和微生物电芬顿系统的结构示意图。
其中：1、香蒲；2、砾石层；3、铁碳层；4、细沙层；5、液体泵；6、直流电源；7、碳刷；8、石墨板；9、缓冲室；10、曝气管；11、气体泵。
具体实施方式
实施例一：一种人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，包括如下步骤：（1）使废水从上至下经过人工湿地系统； （2）废水经人工湿地系统过滤、吸附净化后通过液体泵5流向微生物电芬顿系统； （3）净化后的废水在微生物电芬顿系统内发生电解反应；（4）微生物电芬顿系统的阳极与阴极均发生反应，进而对废水中难降解的物质处理和病原微生物灭活。
其中所述步骤（1）中人工湿地系统从上至下依次为砾石层2、铁碳层3和细沙层4，其中砾石层2的厚度为10mm，铁砂层3的厚度为25mm，所述铁砂层3为直径30 mm左右的商业铁碳球，形成大量的微观原电池，通过电子转移、电化学、吸附等协同作用提高污水处理能力，电解过程中阳极产生的Fe2+和Fe3+为参与微生物生命活动的电子传递过程，提髙微生物活性，从而提高脱氮效率，溶解的Fe2+和Fe3+会转化为氢氧化亚铁和氢氧化铁并吸附水中的磷从而去除部分磷。最后流经细沙层进一步过滤，整个一级处理系统可充当快速过滤器，将悬浮固体保留并转化为可溶有机物同时实现资源化。细沙层4的厚度为5mm，所述砾石层2、铁碳层3和细沙层4的孔隙率均为50%，水位于细沙层下5 cm，所述砾石层2上还设有香蒲1，其中香蒲1能充分利用水中氮磷元素促进自身生长。
在本发明方案中，所述步骤（2）中微生物电芬顿系统包括阳极室、阴极室、离子交换膜和直流电源6，其中阳极室内为碳刷7，所述阴极室内为多块石墨板8，所述碳刷7以钛丝相连串联接入直流电源6的正极，多块所述石墨板8以串联形式共同联机直流电源6的负极，所述阳极室和阴极室之间设有缓冲室9，废水从阳极室进入缓冲室9内调节pH和亚铁离子浓度后进入阴极室，所述石墨板8的下方设有曝气管10，所述曝气管10的一端穿过阴极室并向外延伸与气体泵11连接。
进一步的，所述曝气管10在石墨板8下方曝空气，在有氧条件下阴极生成过氧化氢与溶液中的铁离子发生芬顿反应或类芬顿反应，形成·OH氧化难降解有机物和灭活病原微生物，所述直流电源6的电压为0.8 V，可促进阳极电活性菌生长和阴极氧还原电位。
一级处理后的废水与根部沉积物结合的可溶性有机物从微生物电芬顿的阳极室底部进入，向阳极碳刷7电极上的微生物提供有机碳，多个碳刷7以钛丝相连串联接入直流电源正极，该碳刷具有高比表面积和高稳定性易富集电化学活性微生物，微生物将有机物氧化产生和二氧化碳和电子。阳离子通过中间的离子交换膜进入阴极室，废水先进入缓冲室9调节pH和亚铁离子浓度，其中将pH值调为3，随后进入阴极室。采用直流电源施加0.8 V微电压促进阳极电活性菌生长和阴极氧还原电位。阴极室设有功能化炭黑改性石墨板提高了导电效率和氧还原活性，多块石墨板以串联形式共同连接电源负级，采用气体泵11在石墨板8下方曝空气，在有氧条件下阴极生成过氧化氢与溶液中的铁离子发生芬顿反应或类芬顿反应，形成·OH氧化难降解有机物和灭活病原微生物，由于过氧化氢自身也有杀菌作用，畜禽废水中的抗生素和病原微生物去除率在阴极室得到大幅度提高，处理后的出水可用于灌溉或直接安全排放。
实施例二：基于上述实施例，其中所述步骤（1）中人工湿地系统从上至下依次为砾石层2、铁碳层3和细沙层4，其中砾石层2的厚度为30mm，铁砂层3的厚度为30mm，所述铁砂层3为直径30 mm左右的商业铁碳球，形成大量的微观原电池，通过电子转移、电化学、吸附等协同作用提高污水处理能力，电解过程中阳极产生的Fe2+和Fe3+为参与微生物生命活动的电子传递过程，提髙微生物活性，从而提高脱氮效率，溶解的Fe2+和Fe3+会转化为氢氧化亚铁和氢氧化铁并吸附水中的磷从而去除部分磷。最后流经细沙层进一步过滤，整个一级处理系统可充当快速过滤器，将悬浮固体保留并转化为可溶有机物同时实现资源化；细沙层4的厚度为10mm，所述砾石层2、铁碳层3和细沙层4的孔隙率均为50%，水位于细沙层下5 cm。
实施例三：基于上述实施例，其中所述步骤（1）中人工湿地系统从上至下依次为砾石层2、铁碳层3和细沙层4，其中砾石层2的厚度为50mm，铁砂层3的厚度为35mm，所述铁砂层3为直径30 mm左右的商业铁碳球，形成大量的微观原电池，通过电子转移、电化学、吸附等协同作用提高污水处理能力，电解过程中阳极产生的Fe2+和Fe3+为参与微生物生命活动的电子传递过程，提髙微生物活性，从而提高脱氮效率，溶解的Fe2+和Fe3+会转化为氢氧化亚铁和氢氧化铁并吸附水中的磷从而去除部分磷。最后流经细沙层进一步过滤，整个一级处理系统可充当快速过滤器，将悬浮固体保留并转化为可溶有机物同时实现资源化；细沙层4的厚度为15mm，所述砾石层2、铁碳层3和细沙层4的孔隙率均为50%，水位于细沙层下8cm。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）使废水从上至下经过人工湿地系统； （2）废水经人工湿地系统过滤、吸附净化后通过液体泵流向微生物电芬顿系统； （3）净化后的废水在微生物电芬顿系统内发生电解反应；（4）微生物电芬顿系统的阳极与阴极均发生反应，进而对废水中难降解的物质处理和病原微生物灭活。
2.根据权利要求1所述的人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，其特征在于，所述步骤（1）中人工湿地系统从上至下依次为砾石层、铁碳层和细沙层，其中砾石层的厚度为10-50mm，铁砂层的厚度为25-35mm，细沙层的厚度为5-15mm，所述砾石层、铁碳层和细沙层的孔隙率均为50%，水位于细沙层下5 cm，所述砾石层上还设有香蒲。
3.根据权利要求2所述的人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，其特征在于，所述步骤（2）中微生物电芬顿系统包括阳极室、阴极室、离子交换膜和直流电源，其中阳极室内为碳刷，所述阴极室内为多块石墨板。
4.根据权利要求3所述的人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，其特征在于，所述碳刷以钛丝相连串联接入直流电源的正极，多块所述石墨板以串联形式共同联机直流电源的负极。
5.根据权利要求4所述的人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，其特征在于，所述阳极室和阴极室之间设有缓冲室，废水从阳极室进入缓冲室内调节pH和亚铁离子浓度后进入阴极室。
6.根据权利要求5所述的人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，其特征在于，所述石墨板的下方设有曝气管，所述曝气管的一端穿过阴极室并向外延伸与气体泵连接。
7.根据权利要求6所述的人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，其特征在于，所述曝气管在石墨板下方曝空气，在有氧条件下阴极生成过氧化氢与溶液中的铁离子发生芬顿反应或类芬顿反应，形成·OH氧化难降解有机物和灭活病原微生物。
8.根据权利要求3-7任一所述的人工湿地耦合微生物电池处理畜禽废水的方法，其特征在于，所述直流电源的电压为0.8 V，可促进阳极电活性菌生长和阴极氧还原电位。
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