CN115677023A - 一种养猪废水处理及资源化的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种养猪废水处理及资源化的系统和方法。所述系统包括沉积式微生物燃料电池反应器腔体、阳极、阴极、阴极旋转驱动装置、菌藻共生生物膜、光源、刮藻板及贮藻斗；所述沉积式微生物燃料电池反应器腔体为透明材质的腔体，腔体内部无分隔；所述阴极由碳棒串联阴极碳毡组成，阴极碳毡上附着菌藻共生生物膜，阴极在驱动装置的作用下可旋转；所述光源设置在腔体外上方的位置，用于照射生物阴极；所述刮藻板和贮藻斗用于定期收集并储存菌藻共生生物膜，利用藻类产生油脂，实现污废水资源化。本发明可实现养猪废水中有机物和氮磷污染物的高效绿色处理和资源化回收。

Description

一种养猪废水处理及资源化的系统和方法

技术领域

本发明涉及养猪废水处理领域，具体地说是一种养猪废水处理及资源化的系统和方法。

背景技术

随着我国养殖行业的快速发展，养殖业在提供肉蛋奶等产品的同时所带来的环境污染问题不容忽视。养猪废水主要来源于猪的排泄物、部分饲料残余物以及用于清洁养猪场的水。

养猪废水含有高浓度的有机物、悬浮物、氨氮等污染物，其水质和水量受到生产工艺季节及产品因素的影响较大，因此须选择耐冲击负荷强的工艺。可以采用物理处理方法、化学处理方法和生物处理方法。

1、物理处理方法包括使用格栅、沉淀、过滤等。主要可以去除污水中较大的悬浮物和杂质、饲料残渣、猪毛等可能对管道和水泵造成堵塞或磨损的物质。

2、化学处理方法包括混凝、消毒、中和等。可以处理养猪废水中的可溶解性有害物质，比如酸碱性有机物和各种清洗猪圈使用的有机溶剂等。

3、生物处理方法是利用微生物在酶的催化下利用微生物本身的新陈代谢对废水中的污染物质进行分解和转化。

养猪废水的特点是有机污染物、含氮磷物质及悬浮物浓度高，并且含有重金属、抗生素等物质。而不同的处理方法又各有优缺点，如何经济而有效的处理养猪废水的问题已经成为急需解决的环境问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种养猪废水处理及资源化的系统和方法，本发明通过将微生物燃料电池和菌藻共生系统等巧妙地结合到一起，在养猪废水处理方面具有处理效率高、处理效果好、稳定性良好等优点。

本发明是这样实现的：

本发明所提供的是一种菌藻共生体与旋转阴极沉积式微生物燃料电池结合的用于处理高碳氮磷养猪废水的处理装置，包括沉积式微生物燃料电池反应器腔体、阴极、阳极、菌藻共生生物膜、光源、剩余活性污泥、刮藻板及贮藻斗；所述沉积式微生物燃料电池反应器腔体为敞口的透明材质的腔体，腔体内部无分隔；所述阴极由碳棒串联阴极碳毡组成，阴极碳毡上附着菌藻共生生物膜；所述剩余活性污泥为沉积物，阳极置于沉积物中；所述光源设置在腔体外上方的位置，用于照射阴极；所述刮藻板和贮藻斗用于定期收集并储存菌藻共生生物膜，利用其中的藻类产生油脂，实现污废水资源化。

更具体地说，本发明所提供的养猪废水处理及资源化的系统包括沉积式微生物燃料电池反应器腔体，该反应器腔体为敞口透明腔体结构；在反应器腔体上端横向穿接有碳棒，碳棒的两端均伸出到反应器腔体外部，且碳棒的一端通过联轴器与旋转电机固定相接，碳棒的另一端通过一电阻与位于反应器腔体内部的阳极电连接，所述阳极置于反应器腔体内的底部；在反应器腔体内的底部还设置有剩余活性污泥，阳极位于剩余活性污泥中；在所述碳棒上均布有若干圆形阴极碳毡，阴极碳毡以中心穿接的方式固定在碳棒上；在阴极碳毡上附着有菌藻共生生物膜；旋转电机工作通过联轴器带动碳棒旋转，阴极碳毡随碳棒旋转构成旋转生物阴极；所述电阻连接阴、阳极形成闭合回路；在反应器腔体外部上方设置有用于为菌藻共生生物膜提供光能的光源；在反应器腔体外部还设置有用于贮存养猪废水的贮水池，所述贮水池通过蠕动泵与反应器腔体侧壁的进水口相接；所述蠕动泵用于将贮水池中的养猪废水通过进水口送入沉积式微生物燃料电池反应器腔体中，处理后的水由出水口溢流而出。

在反应器腔体的侧壁上设置有与阴极碳毡一一对应的刮藻板，且每一个阴极碳毡对应一对刮藻板；刮藻板呈长条形板状结构，刮藻板的一端转动连接在反应器腔体的侧壁上，另一端为自由端；转动刮藻板，刮藻板可抬升或降落，降落时，每一对刮藻板的自由端置于对应阴极碳毡两侧的碳棒上，且刮藻板长条形侧沿与阴极碳毡的两侧面紧贴，随着碳棒、阴极碳毡的旋转，刮藻板可将阴极碳毡上的菌藻共生生物膜刮落，刮落下来的菌藻共生生物膜落到刮藻板的长条形板面上；在反应器腔体外部设置有紧邻刮藻板的贮藻斗；收集了菌藻共生生物膜后的刮藻板，随着其端部转动使其抬升，进而可使其板面上的菌藻共生生物膜掉落到贮藻斗内。

贮水池内贮存的养猪废水可在蠕动泵的作用下通过进水口进入反应器腔体内；进入反应器腔体内的养猪废水与反应器腔体内的剩余活性污泥的体积比为1：1。

优选地，反应器腔体内部无分隔，为单室沉积式微生物燃料电池。

更优选地，上覆水与沉积物的体积比为1：1，阴极碳毡浸没率为45％。

优选地，光源设置在沉积式微生物燃料电池外壳上方。

更优选地，所述光源为LED灯，光照/黑暗时间比为1：1。这里的“黑暗”表示的即是没有光照的时候。

优选地，制作反应器腔体的透明材质为10mm厚透明有机玻璃。

更优选地，所述阴极碳毡具有粗糙的外表面，利于菌藻共生体(也即菌藻共生生物膜)挂膜。

一种养猪废水处理及资源化的方法，该方法包括如下步骤：

首先培养菌藻共生生物膜并实现挂膜：先对购买的藻种进行扩培繁殖，将处于对数增长期的淡水小球藻加入反应器腔体内，与等浓度的活性污泥按体积比1:1混合；使反应器腔体放置于磁力搅拌器之上，反应器腔体内放置磁子；同时反应器腔体内还设置爆气软管；使阴极碳毡分别经盐酸、氢氧化钠浸泡24小时后烘干使用，培养菌藻共生生物膜的同时，开启旋转电机使阴极旋转，使菌藻共生生物膜附着于阴极碳毡上；然后打开光源，照反应器腔体外壳表面，光照/黑暗间隔时间为12h，供菌藻共生生物膜生长，保持活性；

待菌藻共生生物膜培养、挂膜完成后，向反应器腔体底部加入剩余活性污泥，向反应器腔体底部通入养猪废水作为上覆水，加入挂膜完成的生物阴极；使反应器运行，开启旋转电机，使阴极转速为2.8r/min，间隔时间段打开光源，上覆水COD为4000mg/L，TP为60mg/L，TN为800mg/L。

待需要回收阴极碳毡表面的菌藻共生生物膜时，转动所述刮藻板，使刮藻板自由端降落至碳棒上，随着阴极碳毡的旋转，刮藻板可将阴极碳毡表面的菌藻共生生物膜刮落；之后使刮藻板抬起，使其上的菌藻共生生物膜掉落到贮藻斗内。

废水处理过程中，光照与黑暗时间比为1:1。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用菌藻共生系统作为阴极生物催化剂，藻类光合作用和细菌代谢活动共同作用，实现废水中碳氮磷污染物的高效去除，同时回收微藻生物质能，有良好的经济环境效益。

本发明将菌藻共生体(具体是菌藻共生生物膜)与旋转阴极沉积式微生物燃料电池结合运用于高碳氮磷养猪废水处理，具有高氮磷去除率，产电量高，实现废水的高效脱氮除磷的同时能够回收微藻产生生物质柴油等优点，达到废水资源化的目的，具有环境与经济效益。

附图说明

图1为本发明所提供的养猪废水处理及资源化的系统的结构示意图。

图2为本发明中刮藻板抬升和降落的状态示意图。

图3为图1的俯视图。

图注：1、沉积式微生物燃料电池反应器腔体；2、菌藻共生生物膜；3、阴极碳毡；4、碳棒；5、联轴器；6、旋转电机；7、光源；8、电阻；9、剩余活性污泥；10、阳极；11、进水口；12、出水口；13、蠕动泵；14、贮水池；15、刮藻板；16、贮藻斗。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。其中，附图仅用于实例说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。

实施例1

如图1和图3所示，一种养猪废水处理及资源化的系统，主要由沉积式微生物燃料电池反应器腔体1、菌藻共生生物膜2、阴极碳毡3、碳棒4、剩余活性污泥9、阳极10、光源7、刮藻板15及贮藻斗16组成。沉积式微生物燃料电池反应器腔体1为透明材质的腔体，腔体上端开口(即为敞口结构)，腔体内部无分隔，在腔体上端侧壁开有相对的穿接孔，碳棒4通过两个穿接孔穿接在反应器腔体的侧壁上。在反应器腔体的底部设置有剩余活性污泥9(剩余活性污泥9是来自于污水处理厂二沉池，并经静置沉淀后的污泥)，剩余活性污泥9为沉积物，阳极10设置在剩余活性污泥9中，阳极10通过导线与碳棒4的一端相接，连接时，在阳极10与碳棒4的连接端之间还设置有电阻8，电阻8位于反应器腔体外部。本发明中，阳极10为一整片的方形碳毡结构，其埋没于剩余活性污泥9中，钛丝穿过阳极的整片碳毡结构，通过钛丝来导出阳极电子。钛丝与导线之间通过粘接的方式连接。碳棒4的另一端通过联轴器5与旋转电机6相连接，旋转电机6工作，通过联轴器5可带动碳棒4旋转。

结合图2，在碳棒4上串联有若干圆形的阴极碳毡3，阴极碳毡3的中心固定穿接在碳棒4上，且相邻阴极碳毡3的距离相同。阴极碳毡3的下部均位于沉积式微生物燃料电池反应器腔体1内。在阴极碳毡3的两圆形侧面上附着有菌藻共生生物膜2。菌藻共生生物膜2、阴极碳毡3以及碳棒4共同组成阴极。随着碳棒4的旋转，阴极碳毡3及其上的菌藻共生生物膜2也一起旋转，因此阴极也称旋转阴极。电阻8连接阴极和阳极形成闭合回路。沉积物中的产电菌将有机物或无机物氧化过程中产生的电子转移到阳极10，电子在电位差的作用下通过外部导线转移到阴极，而阴极附近的氧气消耗电子发生氧化还原反应，因此，反应器中产生电流。

在每一个阴极碳毡3的两侧面处设置有对应的刮藻板15，刮藻板15为长条形板状结构，刮藻板15的一端转动连接在反应器腔体的侧壁上端，刮藻板15的另一端为自由端。刮藻板15的长度大于碳棒4与腔体内壁的距离。刮藻板15可以抬升起来呈竖直状态，如图2中右侧图所示。也可以通过其端部的旋转使刮藻板15降落下来，使刮藻板15的自由端置于碳棒4上，如图2中左侧图所示。刮藻板15降落后，其长条形侧沿与阴极碳毡3的两侧面紧贴，随着阴极碳毡3的旋转，刮藻板15可将阴极碳毡3表面的菌藻共生生物膜2刮下，刮下来的菌藻共生生物膜2掉落在刮藻板15的板面上。

在刮藻板15与腔体相接的外部设置有贮藻斗16，贮藻斗16紧挨腔体的外侧壁而设置，且贮藻斗16内部呈向中心倾斜下降的状态。当刮藻板15将阴极碳毡3上的菌藻共生生物膜2全部刮下后，缓慢将刮藻板15由降落状态抬起，使刮藻板15上收集的菌藻共生生物膜2落入贮藻斗16内。

通过刮藻板15和贮藻斗16可以定期收集并储存菌藻共生生物膜2，利用其中的藻类产生油脂，实现污废水资源化。

光源7可以为LED灯，光源7设置在沉积式微生物燃料电池反应器腔体1外上方的位置，用于照射旋转阴极，为藻类生长的光合作用提供光能。

贮水池14设置在反应器腔体的外部，贮水池14通过蠕动泵13与反应器腔体侧壁上的进水口11相连接，贮存在贮水池14内的养猪废水在蠕动泵13的作用下通过进水口11向反应器腔体进水，上覆水由反应器腔体侧壁上的出水口12溢流而出，进水口11的高度低于出水口12的高度。

沉积式微生物燃料电池反应器腔体1为进行废水处理的核心场所，反应器腔体采用有机玻璃板制作而成，可以保证光源7为腔体内部的菌藻共生生物膜2提供所需光能。腔体底部覆盖的剩余活性污泥9形成厌氧层，废水中的有机物质作为电子供体，反硝化细菌在厌氧环境下，以NO^3-作为电子受体，将NO^3-进一步转化为气态的N₂，使其逸入大气，实现最终脱氮。将阳极10的整片碳毡浸没其中，作为微生物燃料电池的阳极，阳极区域的微生物群体通过降解污泥中的有机物质产生电子并传递给阳极，电子再通过外电路传递给阴极，与阴极区域的O₂接触，电子与O₂结合形成水，阴、阳极用导线连接外电阻形成闭合回路，电子从阳极经外电阻到阴极形成电流。藻菌共生生物膜是利用藻类和菌类两类生物之间的生理功能协同作用来净化废水的生态系统，真菌和好氧细菌等微生物消耗水体中O₂，将含碳大分子有机物降解为CO₂、水或小分子有机物；藻类以光能作为初始能源动力，通过光合作用，将CO₂和小分子有机物作为碳源同化吸收，合成为自身细胞物质，同时放出O₂；硝化细菌、氨化细菌等好氧菌类对含氮有机物进行氧化，生成藻类可以利用的硝酸盐和氨氮，从而促进藻类光合作用和生长繁殖；同时，藻类因放出O₂，增加了水体的溶解氧浓度，促进好氧微生物生长繁殖，二者形成了互利共生关系，虽在数量上呈竞争性负相关，但在削减污染负荷方面比单一种类更加高效。上覆水中磷酸盐PO₄ ^3-用于藻类生长繁殖，被藻类吸收，实现磷的生物去除，以及资源化利用。

具体操作方式如下：

第一阶段为菌藻共生生物膜培养及挂膜阶段。对购买的藻种进行扩培繁殖，将处于对数增长期的淡水小球藻加入沉积式微生物燃料电池反应器腔体1内与等浓度(1.5g/L)的活性污泥(该活性污泥是来自于污水处理厂二沉池，并经实验室驯化后的污泥)等体积1:1混合；反应器腔体放置于磁力搅拌器之上，反应器腔体内放磁子，用于菌藻的均匀混合；同时反应器腔体内放置爆气软管，用于提供生长所需氧气；阴极碳毡3分别经1M盐酸、1M氢氧化钠浸泡24小时后30℃烘干24h使用，培养菌藻共生生物膜的时候，开启旋转阴极，转速为2.8r/min，使菌藻共生生物膜附着于阴极碳毡3上；然后打开光源7，光照强度为5000Lux，照反应器腔体内阴极，光照/黑暗间隔时间为12h(通常为白天照射，晚上关闭光源)，供菌藻共生生物膜生长，保持活性。本发明实施例中第一阶段的时间为7天。

如图1所示，第二阶段为稳定运行阶段。菌藻共生生物膜培养、挂膜完成后，反应器腔体底部加入剩余活性污泥9，上覆水为养猪废水，加入挂膜完成的阴极。反应器运行，旋转阴极转速为2.8r/min，上覆水COD为4000mg/L，TP为60mg/L，TN为800mg/L，连续运行60天。

具体的污水处理效果如下：

本实施方式采用的养猪废水，COD去除率可达90.75％，总氮去除率可达90.78％，总磷去除率可达87.12％。

Claims (8)

1.一种养猪废水处理及资源化的系统，其特征是，包括沉积式微生物燃料电池反应器腔体，该反应器腔体为敞口透明腔体结构；在反应器腔体上端横向穿接有碳棒，碳棒的两端均伸出到反应器腔体外部，且碳棒的一端通过联轴器与旋转电机相接，碳棒的另一端通过一电阻与位于反应器腔体内部的阳极电连接，所述阳极置于反应器腔体内的底部；在反应器腔体内的底部还设置有剩余活性污泥，阳极位于剩余活性污泥中；在所述碳棒上均布有若干圆形的阴极碳毡，阴极碳毡以中心穿接的方式固定在碳棒上；在阴极碳毡上附着有菌藻共生生物膜，碳棒、阴极碳毡以及菌藻共生生物膜组成可旋转的阴极；在反应器腔体外部上方设置有用于为菌藻共生生物膜提供光能的光源；在反应器腔体外部还设置有用于贮存养猪废水的贮水池，所述贮水池通过蠕动泵与反应器腔体侧壁的进水口相接。

2.根据权利要求1所述的养猪废水处理及资源化的系统，其特征是，在反应器腔体的侧壁上设置有与阴极碳毡一一对应的刮藻板，且每一个阴极碳毡对应一对刮藻板；刮藻板呈长条形板状结构，刮藻板的一端转动连接在反应器腔体的侧壁上，另一端为自由端；转动刮藻板，刮藻板可抬升或降落，降落时，每一对刮藻板的自由端置于对应阴极碳毡两侧面的碳棒上，且刮藻板与阴极碳毡的两侧面紧贴，随着碳棒、阴极碳毡的旋转，刮藻板可将阴极碳毡上的菌藻共生生物膜刮落；在反应器腔体外部设置有紧邻刮藻板的贮藻斗；收集了菌藻共生生物膜后的刮藻板，随着其端部转动使其抬升，进而可使其上的菌藻共生生物膜掉落到贮藻斗内。

3.根据权利要求1所述的养猪废水处理及资源化的系统，其特征是，贮水池内贮存的养猪废水可在蠕动泵的作用下通过进水口进入反应器腔体内；进入反应器腔体内的养猪废水与反应器腔体内剩余污泥体积比为1：1。

4.根据权利要求3所述的养猪废水处理及资源化的系统，其特征是，阴极碳毡浸没在养猪废水中的浸没率为45％。

5.根据权利要求1所述的养猪废水处理及资源化的系统，其特征是，所述阳极为一整片的方形碳毡。

6.一种养猪废水处理及资源化的方法，其特征是，该方法采用了权利要求1所述的系统，该方法包括如下步骤：

首先培养菌藻共生生物膜并实现挂膜：将处于对数增长期的淡水小球藻加入反应器腔体内，与等浓度的活性污泥1:1混合；使反应器腔体放置于磁力搅拌器之上，反应器腔体内放置磁子以及爆气软管；使阴极碳毡分别经盐酸、氢氧化钠浸泡24小时后烘干使用，培养菌藻共生生物膜的同时，开启旋转电机使阴极旋转，使菌藻共生生物膜附着于阴极碳毡上；然后打开光源，光照/黑暗间隔时间为12h，供菌藻共生生物膜生长，保持活性；

待菌藻共生生物膜培养、挂膜完成后，向反应器腔体底部加入剩余活性污泥，向反应器腔体内通入养猪废水作为上覆水，开启旋转电机，使阴极转速为2.8r/min，间隔时间段打开光源，上覆水COD为4000mg/L，TP为60mg/L，TN为800mg/L，连续运行60天，实现对养猪废水的处理。

7.根据权利要求6所述的养猪废水处理及资源化的方法，其特征是，待需要回收阴极碳毡表面的菌藻共生生物膜时，转动权利要求2中所述刮藻板，使刮藻板自由端降落至碳棒上，随着阴极碳毡的旋转，刮藻板可将阴极碳毡表面的菌藻共生生物膜刮落；之后使刮藻板抬起，使其上的菌藻共生生物膜掉落到贮藻斗内。

8.根据权利要求6所述的养猪废水处理及资源化的方法，其特征是，废水处理过程中，光照与黑暗时间比为1:1。

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