CN116081865A - 碳汇型农村生活污水资源化装置及应用 - Google Patents
碳汇型农村生活污水资源化装置及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种碳汇型农村生活污水资源化装置及应用。它包括硬件和软件，硬件体系包括输入模块、生物固碳模块、物理净化模块、植物培育模块、PLC传感器、光电能源模块；软件体系包括数据信息管理中心、智能控制决策模块、在线远程人机交互监控界面；其中输入模块与生物固碳模块进口相连，生物固碳模块与物理净化模块进口相连，物理净化模块与植物培育模块进口相连，以上四个模块全部固定于一个可移动式透光集装箱体内，集装箱体顶部设有光电能源模块；硬件体系各模块输出数据与软件体系分别相连。以实现设备整体智能化、智慧化运行设置。
Description
技术领域
本发明属于农村生活污水资源化技术领域，具体涉及一种碳汇型农村生活污水净化处理与资源化装置及应用。
背景技术
我国农村生活污水来源包括灰水和黑水，污染物种类简单，有机物和氮磷浓度较高，经预处理和生物处理后的尾水中仍含有一定浓度的氮磷，回用于农业生产是农村污水最佳的资源化利用途径。目前，农村生活污水尾水资源化多以传统的人工湿地、稳定塘、生物滤池等作为生态处理单元的形式，这些形式通常成本高，占地面积较大，易受地域季节等的限制，且对尾水的接纳量有一定的限度。而长久以来的城市化运动导致土地资源越来越稀缺，发展占地面积小的一体化农村污水净化技术与装置尤为重要。
随着“减污降碳”协同增效研究的推进，农村领域也蕴含着巨大的减排潜力和减排需求。本发明主要为针对农村生活污水尾水资源化的同时实现“减污降碳”协同的一种技术方法，实现尾水中氮磷变废为宝的同时，节能节电，协同增加碳汇能力。
微藻具有生长速度快，CO2固定效率和光合作用效率高等特点，在生长过程中可以吸收降解污水中的氮磷等污染物，从而起到净化水质的作用。将污水变成藻类营养液培养螺旋藻等微藻，在实现固碳减排的同时，获得高附加值微藻生物质，并且微藻可以通过光合作用对污水复氧。水培是一种新型的植物无土栽培方式，以污水作为水培营养液，将植物的根系直接浸润于污水中，向植物提供水分、氮磷等养分、氧气等生长因子，使植物能够正常生长。
发明内容
本发明的目的在于针对传统人工湿地生态处理单元成本高、占地面积大且出水易受水质波动不达标等问题，提出一种碳汇型农村生活污水资源化装置。将农村生活污水尾水生态化处理，通过智能化操作以及资源化利用农村生活污水中氮磷物质，可有效降低成本、节约用地，并且方便运维、更好地适应农村污水水质波动范围大的特点长效稳定运行，达到低碳净水协同固碳产能。
为实现上述目的，本发明公开了如下的技术方案：
一种碳汇型农村生活污水资源化装置，其特征在于它包括硬件和软件两个体系，硬件体系包括输入单元、生物固碳单元、物理净化单元、植物培育单元、光电能源单元；软件体系包括：数据信息管理中心、智能控制与决策单元、在线远程人机交互监控界面；其中输入单元与生物固碳单元进口相连，生物固碳单元与物理净化单元进口相连，物理净化单元与植物培育单元进口相连，以上四个单元全部固定于一个可移动式透光集装箱体（1）内，集装箱体顶部设有光电能源单元，硬件体系各单元输出数据与数据信息管理中心通过PLC相连，数据信息管理中心与智能控制与决策单元、在线远程人机交互监控界面分别互联，智能控制与决策单元与在线远程人机交互监控界面相连，以实现设备整体智能化、智慧化运行设置，所述的硬件体系包括：
（1）输入单元
主要包括：调节箱7、无级变速搅拌器8、第一自控计量阀9、在线温度计、二氧化碳浓度在线监测探头、光照强度在线监测探头、N/P在线监测探头、pH在线监测探头；
（2）生物固碳单元
该单元在空间上包括两层，下层为水池，分为三格，类似折板形式，主要包括：驯化藻液箱10，第二自控计量阀11，喷淋管12，传送转轴13，固碳菌藻生物膜14，自动采收器15，折流池16，微藻离心机17，第三自控计量阀18；支撑架29上架有传送转轴和传送电机28，固碳菌藻生物膜14由传送转轴13蛇形传送；
（3）物理净化单元
主要包括第四自控计量阀19，植物培育营养液池20，微滤膜组件21，LED紫外灯组22；
（4）植物培育单元
主要包括：计量循环泵23，送液主管架24，水培支架25，吸水基质槽26；
（5）光电能源单元
主要包括：光伏发电板2、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、蓄电装置3及备用电源4；其中
光伏发电板2、蓄电装置3、备用电源4分别置于透光集装箱体1外顶部，智能自控窗5置于透光集装箱体侧面，光伏发电板与蓄电装置相连；透光集装箱体内水平方向依次连接调节箱7、折流池16和植物培育营养液池20；在线温度计、二氧化碳浓度在线监测探头、光照强度在线监测探头置于透光集装箱体内部，N/P在线监测探头与pH在线监测探头置于调节箱内；
所述的调节箱内装有无级变速搅拌器8，调节箱出水口与折流池16入水口之间连接有第一自控计量阀9，折流池16出水口与植物培育营养液池20入水口之间连接第四自控计量阀；折流池上方架有支撑架29，传送电机28和传送转轴13均固定在支撑架上，传送电机28带动装载固碳菌藻生物膜14的传送转轴运转，传送转轴下方与固碳菌藻生物膜14下方均淹没于折流池液面以下；支撑架29两侧固定带10%-15%坡度的自动采收器15，其较低一端与微藻离心机17进口相近，保证采收的微藻生物进入微藻离心机17内，微藻离心机下部为离心液层，离心液层液体达到一定水位，通过第三自控计量阀18启闭重力流到调节箱7入水口；驯化藻液箱10与喷淋管12设置在透光集装箱体内顶部，驯化藻液箱上连接有喷淋管12，由第二自控计量阀11控制喷淋管启闭喷淋菌藻溶液至固碳菌藻生物膜上；
所述的植物培育营养液池20入水口前端设置微滤膜组件21，过滤折流池16出水口，LED紫外灯组22置于植物培育营养液池20内底部，起到消毒的作用；植物培育营养液池20出水位置设有计量循环泵23，计量循环泵将液体泵至送液主管架24，送液主管架24包括纵向管和横向管，由送液主管架24将植物培育营养液池20内的液体输送至各个水培支架25，水培支架上连接有圆盘型吸水基质槽26，吸水基质槽进行水培植物培育，水培支架下端出水口与植物培育营养液池20相连接，水培支架内液体经吸水基质槽26吸收后的剩余部分依靠重力流至植物培育营养液池20，形成反复循环系统；
软件体系包括：
在线远程人机交互监控界面、数据信息管理中心、智能控制与决策单元6；其中在线远程人机交互监控界面依次与输入单元、生物固碳单元、物理净化单元、植物培育单元相连接；
数据信息管理中心分别与在线远程人机交互监控界面、智能控制与决策单元相连，用于整个系统数据库的管理，包括数据信息收集、分类、历史数据存储、输入、输出；
光电能源单元一方面与在线远程人机交互监控界面相连，一方面分别与输入单元、生物固碳单元、物理净化单元、植物培育单元相连接；人机交互界面实时监控光电能源单元的光伏发电、存储电量、用电情况，数据在信息管理中心通过智能控制与决策系统分析决策出备用电源启闭。
本发明进一步公开采用碳汇型农村生活污水资源化装置进行污水处理的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
一、输入水质调控
废水进入调节箱7后与包括过滤膜浓水、微藻离心机水的内循环水一起被搅拌，通过在线监测探头，实时获取调节箱中污水N/P营养物质浓度和pH值，控制在：氨氮30-50mg/L、总磷5-10mg/L、PH为7.6-8.2条件下；微藻生长环境控制在环境温度为26-33℃、二氧化碳体积分数0.03%-0.04%、光照强度为3500Lux-4000Lux条件下；
二、生物固碳单元污水净化
调节箱中的污水以稳定流速进入生物固碳单体系，协同进行污水净化与生物固碳，这个过程主要通过以下三个步骤实现：
（1）固碳材料的制备
将准备后的吸附材料挂载在旋转反应设备上，根据数据管理中心收集的水质数据，进行智能水质模拟，将一定配比的菌藻混合制剂扩大化培养后在模拟水质的污水中驯化培养，驯化培养后的固碳菌剂由驯化藻液箱10连接的喷淋管12喷淋在挂载的吸附材料上，待吸附材料吸附菌藻共生物形成菌藻生物膜层后，可作为适合当前水质的固碳材料，即固碳菌藻生物膜14；所述的固碳菌剂组成为：硝化细菌5-15份、芽孢杆菌4-8份、光合细菌1-2份、小球藻5-15份、栅藻2-5份，其菌种原料与微藻原料重量份数比为1:0.28-2；
所述的菌种原料指的是硝化细菌、芽孢杆菌、光合细菌；所述微藻原料：小球藻、栅藻；
所述硝化细菌为硝化杆菌、硝化球菌、硝化螺旋菌中的一种或几种；
所述芽孢杆菌为CGMCC 1.9083枯草芽孢杆菌；
所述光合细菌为红假单胞菌，编码为ACCC 10650；
所述的小球藻为蛋白核小球藻，编码为FACHB-1227或GY-D26；
所述的栅藻为斜生栅藻，编码为FACHB-416或FACHB-417。
所述菌藻混合制剂扩大化培养方法：
S1、混合：在无菌操作条件下，将菌种原料与微藻原料进行混合，在12000-15000r/min转速下离心去掉上层清液，得到菌藻混合制剂；
S2、扩大化培养：在温度为26-33℃、pH为7.5-8.5、光暗比3:1交替条件下，将菌藻混合制剂与BG11标准培养基混合进行3-5天扩大化培养；
所述固碳菌剂的制备方法：将按步骤S1、S2扩大化培养后的菌藻混合制剂以1:20-25的比例加入到未经杀菌的模拟污水中进行驯化处理；
所述的吸附材料的准备方法指的是：将吸附材料浸泡在模拟污水中，浸泡15-20h，然后用超纯水冲洗3-5遍，之后二次浸泡6-8h，用超纯水冲洗后，置于自然环境中干燥，得到准备后的吸附材料；
（2）生物固碳污水净化协同
吸附材料以蛇形装置在生物固碳单元的传送转轴13上；下方的传送转轴13与固碳菌藻生物膜14均淹没于折流池16的液面下，在传送转轴的带动下层固碳菌藻生物膜转出水面，可滞留污水形成营养层液；
调节箱7中的污水以0.5-0.6m/s的流速流入折流池16中，“水动膜动”的状态使固碳菌藻生物膜14多次吸收污水中的氮磷营养物质，固定二氧化碳形成菌藻生物质，实现生物固碳污水净化协同；
固碳菌藻生物膜14上的菌藻生物膜层在生长至0.1-0.3mm厚度时，由15%坡度的自动采收器15将菌藻生物膜层刮下，菌藻生物质由采收器收集槽收集至微藻离心机17中，在驯化藻液箱10中投加固碳菌剂，设定喷淋时间为采收后8h内，通过第二自控计量阀11启闭由喷淋管12自动喷淋至采收后的固碳菌藻生物膜上，继续进行连续式固碳及污水协同净化反应；
（3）副产物资源化利用
使用微藻离心机17对采收的菌藻进行离心脱水，脱水后菌藻采收物含水率为45%，副产物利用方法如下：
1）混合预调理：将污泥15-23份、秸秆粉8-20份输入到混料系统进行混合，得到S1，含水率控制在60%-70%；之后取菌藻采收物6-12份，输入到混料系统与上述步骤得到的S1再次混合进行预调理，得到混合物料S2，含水率控制在65%-75%；
所述菌藻采收物为采收的经离心脱水后的菌藻生物质，含水率为45%-50%；
所述秸秆粉为市售的麦秸、稻草、花生秧、豆秸中的一种或几种，干燥且粒径为80-100目；
所述污泥为本发明装置所连接的前置处理环节产生的污泥，污泥含水率75-85%。
2）好氧发酵：将按步骤1）预调理好的混合物料S2由进料系统传送到发酵系统的进料口引入筒仓内，由螺旋桨搅拌器进行搅拌，同时鼓风机通入空气进行好氧发酵，由发酵系统的时间控制仪控制鼓风机和搅拌器，控制搅拌和通气频次为5-8天，将发酵系统的混合物料S2的含水率控制在65-75%，因菌藻采收物中富含氮磷，混合物料S2的C/N比合适，在发酵过程中不需要添加任何氮磷元素，经过好氧发酵20-28天后，pH值稳定处于7.5-8.3之间时，即制得发酵后的熟料S3；
3）挤压成型：将按步骤2）制得的熟料S3由发酵系统出料口输出后引入到成型系统的加料料斗，之后在压缩室中进行压制成得到S4；压制后的形状包括但不限于圆柱体和长方体，体积为1570-9216cm3，含水率为30%-45%，圆柱体半径和厚度比值为2:1，半径10-16cm，厚度5-8cm；长方体长宽高比例为6：3：1，长30-48cm，宽15-24cm，厚度为5-8cm；
4）烘干干燥：将按步骤3）压块成型的S4进行快速烘干干燥，干燥时间为8-20h，所述的成品含水率为10-15%，吸水性为40%-50%，密度为0.8-1.4g/cm3。
三、物理净化单元
污水从折流池16的出水口通过第四自控计量阀19启闭进入到植物培育营养液池20前端，首先由微滤膜组件21进行过滤，以去除掉夹杂的少量自然掉落的菌藻共生物及其他杂质，微滤膜组件上的菌藻泥通过冲洗进行资源化利用，经过过滤后的污水，由植物培育营养液池后端池底的LED紫外灯组22进行紫外消毒，有效防止污水中的细菌影响水培植物生长；
四、培育单元
植物培育营养液池20内的经物理净化后的污水通过计量循环泵23泵入到液主管架24的纵向管，由纵向管将水输送到横向管，进一步输送至各个水培支架25，在水培支架连接的圆盘型吸水基质槽26内种植芦荟，圆盘型吸水基质槽中的液位高度控制在3/2处，经植物吸收营养物质后的污水依靠重力流至植物培育营养液池20，形成反复循环系统，实现污水零排放。
本发明公开的污水处理方法可适应于农村污水水质波动范围大的特点，达到长效稳定运行的效果。
本发明公开的碳汇型农村生活污水资源化装置及应用与现有技术相比所具有的积极效果在于：
（1）本发明为一体式装置，可快速代替其他运行效果差的生态处理单元，节省占地、投资和建设时间。
（2）装置可实现智能化操作，运维方便，能够适应农村污水水质波动范围大的特点，长效稳定运行。
（3）通过针对生活污水中的氮磷资源化再利用，同时结合阳光和CO2快速生长藻类，无需有机碳源。装置中的藻类/植物等副产物可以被收获并用于制造肥料，降低能源消耗，节省吨水运行费用。
附图说明
图1 为本发明提供的总体技术方案图；
图2 为本发明提供的技术装置俯视示意图；
图3 为本发明提供的技术装置正视示意图；
图4 为本发明提供的技术装置固碳单元左视示意图；
图5 为本发明提供的技术装置固碳单元俯视示意图；
图6为本发明提供的某农村生活污水处理改造工艺流程图；
图7为本发明提供的某农村生活污水资源化处理技术方案；
图8为本发明提供的副产物资源化利用的工艺流程图；
图9为本发明制备的吸附材料的结构示意图；
图10预测模型架构图；
附图中标号：
1-透光集装箱体，2-光伏发电板，3-蓄电装置，4-备用电源，5-智能自控窗，
6-智能控制与决策单元，7-调节箱，8-无级变速搅拌器，9-第一自控计量阀，
10-驯化藻液箱，11-第二自控计量阀，12-喷淋管，13-传送转轴，
14-固碳菌藻生物膜，15-自动采收器，16-折流池，17-微藻离心机，
18-第三自控计量阀，19-第四自控计量阀，20-植物培育营养液池，
21-微滤膜组件，22-LED紫外灯组，23-计量循环泵，24-送液主管架，
25-水培支架，26-吸水基质槽，27-回流泵，28-传送电机，29-支撑架；
2-1碳纤维基底层；2-2梭织布基材层；2-3吸水无纺布层；2-4网格玻璃纤维层；
2-5粘胶层。
具体实施方式
下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。所用原料均有市售（除已说明以外）。
实施例1
一种碳汇型农村生活污水资源化装置，其特征在于它包括硬件和软件两个体系，硬件体系包括输入单元、生物固碳单元、物理净化单元、植物培育单元、光电能源单元；软件体系包括：数据信息管理中心、智能控制与决策单元、在线远程人机交互监控界面；其中输入单元与生物固碳单元进口相连，生物固碳单元与物理净化单元进口相连，物理净化单元与植物培育单元进口相连，以上四个单元全部固定于一个可移动式透光集装箱体（1）内，集装箱体顶部设有光电能源单元，硬件体系各单元输出数据与数据信息管理中心通过PLC相连，数据信息管理中心与智能控制与决策单元、在线远程人机交互监控界面分别互联，智能控制与决策单元与在线远程人机交互监控界面相连，以实现设备整体智能化、智慧化运行设置，所述的硬件体系包括：
（1）输入单元
主要包括：调节箱7、无级变速搅拌器8、第一自控计量阀9、在线温度计、二氧化碳浓度在线监测探头、光照强度在线监测探头、N/P在线监测探头、pH在线监测探头；
（2）生物固碳单元
该单元在空间上包括两层，下层为水池，分为三格，类似折板形式，主要包括：驯化藻液箱10，第二自控计量阀11，喷淋管12，传送转轴13，固碳菌藻生物膜14，自动采收器15，折流池16，微藻离心机17，第三自控计量阀18；支撑架29上架有传送转轴和传送电机28，固碳菌藻生物膜14由传送转轴蛇形传送；
（3）物理净化单元
主要包括第四自控计量阀19，植物培育营养液池20，微滤膜组件21，LED紫外灯组22；
（4）植物培育单元
主要包括：计量循环泵23，送液主管架24，水培支架25，吸水基质槽26；
（5）光电能源单元
主要包括：光伏发电板2、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、蓄电装置3及备用电源4；其中光伏发电板2、蓄电装置3、备用电源4分别置于透光集装箱体外顶部，智能自控窗5置于透光集装箱体侧面，光伏发电板与蓄电装置相连；透光集装箱体内水平方向依次连接调节箱7、折流池16和植物培育营养液池20；在线温度计、二氧化碳浓度在线监测探头、光照强度在线监测探头置于透光集装箱体内部，N/P在线监测探头与pH在线监测探头置于调节箱内；
所述的调节箱内装有无级变速搅拌器8，调节箱出水口与折流池16入水口之间连接有第一自控计量阀9，折流池出水口与植物培育营养液池20入水口之间连接第四自控计量阀；折流池上方架有支撑架29，传送电机28和传送转轴13均固定在支撑架上，传送电机28带动装载固碳菌藻生物膜14的传送转轴运转，传送转轴下方与固碳菌藻生物膜下方均淹没于折流池液面以下；支撑架29两侧固定带15%坡度的自动采收器，其较低一端与微藻离心机17进口相近，保证采收的微藻生物进入微藻离心机内，微藻离心机下部为离心液层，离心液层液体达到一定水位，通过第三自控计量阀18启闭重力流到调节箱入水口；驯化藻液箱10与喷淋管12设置在透光集装箱体内顶部，驯化藻液箱上连接有喷淋管，由第二自控计量阀11控制喷淋管启闭喷淋菌藻溶液至固碳菌藻生物膜上；
所述的植物培育营养液池20入水口前端设置微滤膜组件21，过滤折流池16出水口，回流泵27与调节箱7进水口相连，将微滤膜组件21过滤膜的浓水泵至装置最前端进水处。LED紫外灯组22置于植物培育营养液池20内底部，起到消毒的作用；植物培育营养液池出水位置设有计量循环泵23，计量循环泵将液体泵至送液主管架24，送液主管架包括纵向管和横向管，由送液主管架将植物培育营养液池内的液体输送至各个水培支架25，水培支架上连接有圆盘型吸水基质槽26，吸水基质槽进行水培植物培育，水培支架下端出水口与植物培育营养液池相连接，水培支架内液体经吸水基质槽吸收后的剩余部分依靠重力流至植物培育营养液池，形成反复循环系统。
软件体系包括：
在线远程人机交互监控界面、数据信息管理中心、智能控制与决策单元；其中：
在线远程人机交互监控界面依次与输入单元、生物固碳单元、物理净化单元、植物培育单元相连接；
数据信息管理中心分别与在线远程人机交互监控界面、智能控制与决策单元相连，用于整个系统数据库的管理，包括数据信息收集、分类、历史数据存储、输入、输出；
光电能源单元一方面与在线远程人机交互监控界面相连，一方面分别与输入单元、生物固碳单元、物理净化单元、植物培育单元相连接；人机交互界面实时监控光电能源单元的光伏发电、存储电量、用电情况，数据在信息管理中心通过智能控制与决策系统分析决策出备用电源启闭。
实施例2
一种采用碳汇型农村生活污水资源化装置进行污水处理的方法：
一、输入水质调控
废水进入调节箱7后与包括过滤膜浓水、微藻离心机水的内循环水一起被搅拌，通过在线监测探头，实时获取调节箱中污水N/P营养物质浓度和pH值，控制在：氨氮30mg/L、总磷5mg/L、PH为7.6-8.2条件下；微藻生长环境控制在环境温度为26℃、二氧化碳体积分数0.03%、光照强度为3500Lux条件下；
二、生物固碳单元污水净化
调节箱中的污水以稳定流速进入生物固碳单体系，协同进行污水净化与生物固碳，这个过程主要通过以下三个步骤实现：
（1）固碳材料的制备
将准备后的吸附材料挂载在旋转反应设备上，根据数据管理中心收集的水质数据，进行智能水质模拟，将一定配比的菌藻混合制剂扩大化培养后在模拟水质的污水中驯化培养，驯化培养后的固碳菌剂由驯化藻液箱10连接的喷淋管12喷淋在挂载的吸附材料上，待吸附材料吸附菌藻共生物形成菌藻生物膜层后，可作为适合当前水质的固碳材料，即固碳菌藻生物膜14；
所述的固碳菌剂组成为：硝化杆菌5份、CGMCC 1.9083枯草芽孢杆菌4份、ACCC10650沼泽红假单胞菌1份、FACHB-1227小球藻5份、FACHB-416斜生栅藻2份，其菌种原料与微藻原料重量份数比为1：0.7；
所述菌藻混合制剂扩大化培养方法：
S1、混合：在无菌操作条件下，将菌种原料与微藻原料进行混合，在12000r/min转速下离心去掉上层清液，得到菌藻混合制剂；
S2、扩大化培养：在温度为28℃、pH为7.5、光暗比3:1交替条件下，将菌藻混合制剂与BG11标准培养基混合进行3天扩大化培养；
所述固碳菌剂的制备方法：将按步骤S1、S2扩大化培养后的菌藻混合制剂以1:20的比例加入到未经杀菌的模拟污水中进行驯化处理；
所述的吸附材料的准备方法指的是：将吸附材料浸泡在模拟污水中，浸泡15h，然后用超纯水冲洗3遍，之后二次浸泡6h，用超纯水冲洗后，置于自然环境中干燥，得到准备后的吸附材料（吸附材料的详细制备方法见实施例3）；
（2）生物固碳污水净化协同
吸附材料以蛇形装置在生物固碳单元的传送转轴13上；下方的传送转轴与固碳菌藻生物膜14均淹没于折流池16的液面下，在传送转轴的带动下层固碳菌藻生物膜转出水面，可滞留污水形成营养层液；
调节箱中的污水以0.5m/s的流速流入折流池16中，“水动膜动”的状态使固碳菌藻生物膜14多次吸收污水中的氮磷营养物质，固定二氧化碳形成菌藻生物质，实现生物固碳污水净化协同；
固碳菌藻生物膜14上的菌藻生物膜层在生长至0.1mm厚度时，由15%坡度的自动采收器15将菌藻生物膜层刮下，菌藻生物质由采收器收集槽收集至微藻离心机17中，在驯化藻液箱10中投加固碳菌剂，设定喷淋时间为采收后8h内，通过第二自控计量阀11启闭由喷淋管12自动喷淋至采收后的固碳菌藻生物膜上，继续进行连续式固碳及污水协同净化反应；
（3）副产物资源化利用
使用微藻离心机17对采收的菌藻进行离心脱水，脱水后菌藻采收物含水率为45%，副产物利用方法如下：
1）混合预调理：首先将污泥15份、秸秆粉8份输入到混料系统进行混合，得到S1，含水率为60%；之后取菌藻采收物6份，输入到混料系统与上述步骤得到的S1再次混合进行预调理，得到混合物料S2，含水率为65%；
所述菌藻采收物为采收的经离心脱水后的菌藻生物质，含水率为45%；
所述秸秆粉为市售的麦秸粉，干燥且粒径为80目；
所述污泥为前置处理环节产生的污泥，含水率80%；
2）好氧发酵：将按步骤1）预调理好的混合物料S2由进料系统传送到发酵系统的进料口引入筒仓内，由螺旋桨搅拌器进行搅拌，同时鼓风机通入空气进行好氧发酵，由发酵系统的时间控制仪控制鼓风机和搅拌器，控制搅拌和通气频次为5天，将发酵系统的混合物料S2的含水率控制在70%，在发酵过程中不需要添加任何氮磷元素，经过好氧发酵25天后，pH值稳定处于7.5-8.3之间时，即制得发酵后的熟料S3；
3）挤压成型：将按步骤2）制得的熟料S3由发酵系统出料口输出后引入到成型系统的加料料斗，之后在压缩室中进行压制成长方体得到S4，长30cm，宽15cm，厚度为5cm，体积为2250cm3，含水率为45%；
4）烘干干燥：将按步骤3）压块成型的S4进行快速烘干干燥，即为成品，干燥时间为15h，成品含水率为15%，吸水性为45%，密度为1.2g/cm3；
三、物理净化单元
污水从折流池16的出水口通过第四自控计量阀19启闭进入到植物培育营养液池20前端，首先由微滤膜组件21进行过滤，以去除掉夹杂的少量自然掉落的菌藻共生物及其他杂质，微滤膜组件上的菌藻泥通过冲洗进行资源化利用，经过过滤后的污水，由植物培育营养液池后端池底的LED紫外灯组22进行紫外消毒，有效防止污水中的细菌影响水培植物生长。
四、培育单元
植物培育营养液池20内的经物理净化后的污水通过计量循环泵23泵入到液主管架24的纵向管，由纵向管将水输送到横向管，进一步输送至各个水培支架25，在水培支架连接的圆盘型吸水基质槽26内种植芦荟，圆盘型吸水基质槽中的液位高度控制在3/2处，经植物吸收营养物质后的污水依靠重力流至植物培育营养液池20，形成反复循环系统，实现污水零排放。
实施例3
吸附材料的制备方法：
（1）取聚丙烯-聚乙烯复合纤维3份、聚乙烯醇缩甲醛纤维1份编织成梭织布基材层2-2；
（2）取涤纶短丝纤维6份、壳聚糖纤维2份和海藻纤维1份经水刺、整理后形成吸水无纺布层2-3；
（3）在无碱玻璃纤维内掺杂有重量百分数1.2%的二氧化硅光扩散剂，制成网格尺寸100μm、网格深度15μm的网格玻璃纤维层2-4，所述扩散剂颗粒平均粒径为5μm。
（4）将市售的聚丙烯腈基碳纤维布作为碳纤维基底层2-1，使用聚氨酯胶粘剂按图9所示结构将步骤（1）-（3）制备成的梭织布基材层2-2、吸水无纺布层2-3、网格玻璃纤维层2-4依次粘合，制成本发明所述的吸附材料。
实施例4
北方某农村生活污水处理站，采用地埋式A2/O+人工湿地处理工艺，处理规模为300m3/d。在实际运转过程中发现在冬季水温低于十摄氏度时，人工湿地对污水处理的效果会明显降低，水温低于四摄氏度以下时，人工湿地中的硝化作用趋于停滞，使得出水中氨氮、总氮、总磷等指标无法满足相关地方标准要求。为减少投资并降低施工难度，可从原有沉淀池出水处直接接入本发明装置的进水口，快速替代原有的人工湿地单元，且污水在装置内部实现循环利用，不外排。具体实施过程见图6：采用本发明对该农村污水处理站进行升级改造后，出水全部循环利用，不外排，能够取得较好的处理效果。
实施例5
某农村居民居住较为分散，生活污水往往在未得到有效处理的情况下，任意就地排放到周边水体中，利用率较低且对周边地表水、地下水和土壤易造成污染，会导致环境卫生状况恶化，还威胁着农村饮用水安全。采用化粪池+本发明一体化装置，对一户或附近几户居民产生的生活污水进行收集后，以污水作为装置内藻类及植物的营养液，净化处理污水并资源化利用各类营养物质，产生的藻类及植物等副产物，可制成肥料或有机蔬菜出售。具体实施过程见图7：采用本发明对该农村相邻几户生活污水收集处理后，可大大改善该农村人居环境，运营成本较低并且能够产生一定的经济效益。
实施例6
对比实验，步骤如下：
（1）将经预处理后的农村生活污水以0.5m3/h的流量通入折流池中，投入扩大化培养后的菌藻混合制剂进行悬浮菌藻生物反应净水和固碳，反应7d后在折流池中取混合液，经离心后取上清液检测其氮磷含量；
（2）将经预处理后的农村生活污水以0.5m3/h的流量通入折流池中，挂载本发明的吸附材料吸附菌藻共生物成膜后的吸附材料—固碳菌藻生物膜在传送转轴上，同样反应7d后在池中取混合液，经离心后取上清液检测其氮磷含量。
其中，所述的菌藻混合制剂及扩大化培养为：在无菌操作条件下，将菌种原料与微藻原料进行混合，在12000r/min转速下离心去掉上层清液，得到菌藻混合制剂；所述的菌藻混合制剂主要包含硝化细菌（硝化螺旋菌）5份、芽孢杆菌（CGMCC 1.9083枯草芽孢杆菌）4份、光合细菌（ACCC 10650沼泽红假单胞菌）1份、小球藻（GY-D26蛋白核小球藻）5份、栅藻（FACHB-416斜生栅藻）2份，其菌种原料与微藻原料重量份数比为1：0.7；之后利用市售的BG11标准培养基，在温度为26℃、pH为7.5、光暗比3:1交替条件下，将菌藻混合制剂与培养基混合进行3天扩大化培养。所述的菌藻共生物为：扩大化培养的菌藻混合制剂悬浮液吸光度OD685达到0.7时。
所述固碳菌藻生物膜制备方法为：将吸附材料浸泡在农村生活污水中，浸泡15h，然后用超纯水冲洗4遍，之后二次浸泡6h，用超纯水冲洗后，置于自然环境中干燥。之后将准备好的的吸附材料反复3次浸渍在菌藻共生物中，浸渍后每天在网格玻璃纤维层4表层喷淋BG11标准培养基，培养6天后，即得到固碳菌藻生物膜。
通过进行比较，各对照组固氮除磷率如下表：
结论：
（1）本发明的固碳除磷率优于对照组。
（2）此外，本发明吸附材料可易于获得的副产物，并制成生物质肥料或土壤改良剂等碳汇产品资源化利用，能够产生一定的经济效益。
实施例7
实际应用实例：
首先取实施例2中按二、（3）步骤制得的长方体成品，将其浸泡在0.4-0.6L自来水中10-15min，使其充分吸水后，即可作为培养基质种植观赏性盆栽植物，使用方法简便。盆栽的植物可为名贵花卉，培养基质富含有机质和微量元素，且更加松软，利于花卉的根系生长，不易产生虫害，结论：培养基质肥力持久，小小一块成品可以使3-4盆花卉维持生长所需。
实施例8
（1）数据采集
通过基于PLC传感器实现运行数据实时监测和采集，将在线监测探头采集的环境温度、光照强度、二氧化碳浓度和污水中氨氮、总磷浓度及pH值等实时数据通过网络、蓝牙等方式传输到数据信息管理中心，并由数据信息管理中心进行数据信息分类、历史数据存储、导出数据表格和历史数据趋势线等。
（2）数据预测分析
调取数据信息管理中心采集的运行参数信息输入到数据预测分析模块中，在该模块采用改进的主成分分析—长短期记忆网络的预测模型进行预测分析。该预测模型首先通过主成分分析方法对采集到的多变量时间序列做筛选，找到与预测参数相关性较强的输入参数，降低预测模型输入数据的维度。其次使用长短期记忆网络建立净水过程中氨氮和总磷削减效果预测模型，经主成分分析筛选出的相关变量作为输入，氨氮和总磷削减量作为网络模型的输出。
由于如图1所示的生物固碳单元在实现协同污水净化过程中，环境参数如环境温度、光照强度、二氧化碳浓度以及进水流量、氨氮、总磷、溶解氧浓度及pH值等水质参数对菌澡共生物的生长具有直接的或间接影响，而菌澡共生物的长势间接影响出水中的氨氮、总磷浓度，因此确定主成分分析—长短期记忆网络预测模型输入向量X1、经主成分分析后筛选出的输入向量X、输出向量Y分别为：
X1=[环境温度 光照强度 二氧化碳浓度 进水流量 氨氮 总磷 溶解氧 pH值]
X=[二氧化碳浓度 进水流量 氨氮 总磷 pH值]
Y=[出水氨氮 总磷]
该模型如附图2所示。
将采集的稳态下20天的数据作为训练样本，使用滑动窗口划分历史数据集保持训练样本组数据始终为50组，使得模型能够随着系统得变化不断地更新和变化，不断丢弃旧的数据，不断加入新的数据，应用新的数据建立能反映当前状况得新模型，保证模型的实时性。使用随机梯度下降的随机优化算法对长短期记忆网络模型进行优化，之后保存模型，使用预测样本集对模型预测分析，得到预测结果。
（3）智能控制与辅助决策支持
基于上述步骤（2）预测的结果，通过与初始设定的氮磷含量阈值进行对比，通过异常数据确定对应的风险等级，如下表1和2所示（以出水氨氮为例），将风险等级对应的操作指令发送给操作人员进行决策，实现对装置安全稳定运行的预警和先期防治。
采集到的异常的数据对操作人员进行推送，经过操作人员决策后使用优化后的模糊PID控制器对异常水质进行调控；操作人员根据菌藻共生物的生长情况通过人机交互确定决策知识专家库，结合决策知识库为操作人员提供决策支持信息，将决策结果反馈到决策支持系统，不断优化决策知识库，提高决策准确性。
表1 出水氨氮参数等级表
表2 计量决策表
（4）在线远程人机交互，PLC传感器将采集到数据实时保存在PLC的寄存器中，PLC通过人机交互界面实时显示，通过在线远程人机交互监控界面展示给操作人员现场数据，实现数据的可视化，用于对现场观察和决策控制。
Claims (3)
1.一种碳汇型农村生活污水资源化装置，其特征在于它包括硬件和软件两个体系，硬件体系包括输入单元、生物固碳单元、物理净化单元、植物培育单元、光电能源单元；软件体系包括：数据信息管理中心、智能控制与决策单元、在线远程人机交互监控界面；其中输入单元与生物固碳单元进口相连，生物固碳单元与物理净化单元进口相连，物理净化单元与植物培育单元进口相连，以上四个单元全部固定于一个可移动式透光集装箱体（1）内，集装箱体顶部设有光电能源单元，硬件体系各单元输出数据与数据信息管理中心通过PLC相连，数据信息管理中心与智能控制与决策单元、在线远程人机交互监控界面分别互联，智能控制与决策单元与在线远程人机交互监控界面相连，以实现设备整体智能化、智慧化运行设置，所述的硬件体系包括：
（1）输入单元
主要包括：调节箱（7）、无级变速搅拌器（8）、第一自控计量阀（9）、在线温度计、二氧化碳浓度在线监测探头、光照强度在线监测探头、N/P在线监测探头、pH在线监测探头；
（2）生物固碳单元
该单元在空间上包括两层，下层为水池，分为三格，类似折板形式，主要包括：驯化藻液箱（10），第二自控计量阀（11），喷淋管（12），传送转轴（13），固碳菌藻生物膜（14），自动采收器（15），折流池（16），微藻离心机（17），第三自控计量阀（18）；支撑架（29）上架有传送转轴（13）和传送电机（28），固碳菌藻生物膜（14）由传送转轴（13）蛇形传送；
（3）物理净化单元
主要包括第四自控计量阀（19），植物培育营养液池（20），微滤膜组件（21），LED紫外灯组（22）；
（4）植物培育单元
主要包括：计量循环泵（23），送液主管架（24），水培支架（25），吸水基质槽（26）；
（5）光电能源单元
主要包括：光伏发电板（2）、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、蓄电装置（3）及备用电源（4）；其中
光伏发电板（2）、蓄电装置（3）、备用电源（4）分别置于透光集装箱体（1）外顶部，智能自控窗（5）置于透光集装箱体（1）侧面，光伏发电板（2）与蓄电装置（3）相连；透光集装箱体（1）内水平方向依次连接调节箱（7）、折流池（16）和植物培育营养液池（20）；在线温度计、二氧化碳浓度在线监测探头、光照强度在线监测探头置于透光集装箱体（1）内部，N/P在线监测探头与pH在线监测探头置于调节箱（7）内；
所述的调节箱（7）内装有无级变速搅拌器（8），调节箱（7）出水口与折流池（16）入水口之间连接有第一自控计量阀（9），折流池（16）出水口与植物培育营养液池（20）入水口之间连接第四自控计量阀（19）；折流池（16）上方架有支撑架（29），传送电机（28）和传送转轴（13）均固定在支撑架（29）上，传送电机（28）带动装载固碳菌藻生物膜（14）的传送转轴（13）运转，传送转轴（13）下方与固碳菌藻生物膜（14）下方均淹没于折流池（16）液面以下；支撑架（29）两侧固定带10%-15%坡度的自动采收器（15），其较低一端与微藻离心机（17）进口相近，保证采收的微藻生物进入微藻离心机（17）内，微藻离心机（17）下部为离心液层，离心液层液体达到一定水位，通过第三自控计量阀（18）启闭重力流到调节箱（7）入水口；驯化藻液箱（10）与喷淋管（12）设置在透光集装箱体（1）内顶部，驯化藻液箱（10）上连接有喷淋管（12），由第二自控计量阀（11）控制喷淋管（12）启闭喷淋菌藻溶液至固碳菌藻生物膜（14）上；
所述的植物培育营养液池（20）入水口前端设置微滤膜组件（21），过滤折流池（16）出水口，LED紫外灯组（22）置于植物培育营养液池（20）内底部，起到消毒的作用；植物培育营养液池（20）出水位置设有计量循环泵（23），计量循环泵（23）将液体泵至送液主管架（24），送液主管架（24）包括纵向管和横向管，由送液主管架（24）将植物培育营养液池（20）内的液体输送至各个水培支架（25），水培支架（25）上连接有圆盘型吸水基质槽（26），吸水基质槽（26）进行水培植物培育，水培支架（25）下端出水口与植物培育营养液池（20）相连接，水培支架（25）内液体经吸水基质槽（26）吸收后的剩余部分依靠重力流至植物培育营养液池（20），形成反复循环系统；
软件体系包括：
在线远程人机交互监控界面、数据信息管理中心、智能控制与决策单元（6）；其中：
在线远程人机交互监控界面依次与输入单元、生物固碳单元、物理净化单元、植物培育单元相连接；
数据信息管理中心分别与在线远程人机交互监控界面、智能控制与决策单元相连，用于整个系统数据库的管理，包括数据信息收集、分类、历史数据存储、输入、输出；
光电能源单元一方面与在线远程人机交互监控界面相连，一方面分别与输入单元、生物固碳单元、物理净化单元、植物培育单元相连接；人机交互界面实时监控光电能源单元的光伏发电、存储电量、用电情况，数据在信息管理中心通过智能控制与决策系统分析决策出备用电源启闭。
2.采用权利要求1所述的碳汇型农村生活污水资源化装置进行污水处理的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
一、输入水质调控
废水进入调节箱（7）后与包括过滤膜浓水、微藻离心机水的内循环水一起被搅拌，通过在线监测探头，实时获取调节箱中污水N/P营养物质浓度和pH值，控制在：氨氮30-50mg/L、总磷5-10mg/L、PH为7.6-8.2条件下；微藻生长环境控制在环境温度为26-33℃、二氧化碳体积分数0.03%-0.04%、光照强度为3500Lux-4000Lux条件下；
二、生物固碳单元污水净化
调节箱中的污水以稳定流速进入生物固碳单体系，协同进行污水净化与生物固碳，这个过程主要通过以下三个步骤实现：
（1）固碳材料的制备
将准备后的吸附材料挂载在旋转反应设备上，根据数据管理中心收集的水质数据，进行智能水质模拟，将一定配比的菌藻混合制剂扩大化培养后在模拟水质的污水中驯化培养，驯化培养后的固碳菌剂由驯化藻液箱（10）连接的喷淋管（12）喷淋在挂载的吸附材料上，待吸附材料吸附菌藻共生物形成菌藻生物膜层后，可作为适合当前水质的固碳材料，即固碳菌藻生物膜（14）；
所述的固碳菌剂组成为：硝化细菌5-15份、芽孢杆菌4-8份、光合细菌1-2份、小球藻5-15份、栅藻2-5份，其菌种原料与微藻原料重量份数比为1:0.28-2；
所述的菌种原料指的是硝化细菌、芽孢杆菌、光合细菌；所述微藻原料：小球藻、栅藻；
所述硝化细菌为硝化杆菌、硝化球菌、硝化螺旋菌中的一种或几种；
所述芽孢杆菌为CGMCC 1.9083枯草芽孢杆菌；
所述光合细菌为红假单胞菌，编码为ACCC 10650；
所述的小球藻为蛋白核小球藻，编码为FACHB-1227或GY-D26；
所述的栅藻为斜生栅藻，编码为FACHB-416或FACHB-417；
所述菌藻混合制剂扩大化培养方法：
S1、混合：在无菌操作条件下，将菌种原料与微藻原料进行混合，在12000-15000r/min转速下离心去掉上层清液，得到菌藻混合制剂；
S2、扩大化培养：在温度为26-33℃、pH为7.5-8.5、光暗比3:1交替条件下，将菌藻混合制剂与BG11标准培养基混合进行3-5天扩大化培养；
所述固碳菌剂的制备方法：将按步骤S1、S2扩大化培养后的菌藻混合制剂以1:20-25的比例加入到未经杀菌的模拟污水中进行驯化处理；
所述的吸附材料的准备方法指的是：将吸附材料浸泡在模拟污水中，浸泡15-20h，然后用超纯水冲洗3-5遍，之后二次浸泡6-8h，用超纯水冲洗后，置于自然环境中干燥，得到准备后的吸附材料；
（2）生物固碳污水净化协同
吸附材料以蛇形装置在生物固碳单元的传送转轴（13）上；下方的传送转轴（13）与固碳菌藻生物膜（14）均淹没于折流池（16）的液面下，在传送转轴的带动下层固碳菌藻生物膜转出水面，可滞留污水形成营养层液；
调节箱（7）中的污水以0.5-0.6m/s的流速流入折流池（16）中，“水动膜动”的状态使固碳菌藻生物膜（14）多次吸收污水中的氮磷营养物质，固定二氧化碳形成菌藻生物质，实现生物固碳污水净化协同；
固碳菌藻生物膜（14）上的菌藻生物膜层在生长至0.1-0.3mm厚度时，由15%坡度的自动采收器（15）将菌藻生物膜层刮下，菌藻生物质由采收器收集槽收集至微藻离心机（17）中，在驯化藻液箱（10）中投加固碳菌剂，设定喷淋时间为采收后8h内，通过第二自控计量阀（11）启闭由喷淋管（12）自动喷淋至采收后的固碳菌藻生物膜上，继续进行连续式固碳及污水协同净化反应；
（3）副产物资源化利用
使用微藻离心机（17）对采收的菌藻进行离心脱水，脱水后菌藻采收物含水率为45%，副产物利用方法如下：
混合预调理：将污泥15-23份、秸秆粉8-20份输入到混料系统进行混合，得到S1，含水率控制在60%-70%；之后取菌藻采收物6-12份，输入到混料系统与上述步骤得到的S1再次混合进行预调理，得到混合物料S2，含水率控制在65%-75%；
所述菌藻采收物为采收的经离心脱水后的菌藻生物质，含水率为45%-50%；
所述秸秆粉为市售的麦秸、稻草、花生秧、豆秸中的一种或几种，干燥且粒径为80-100目；
所述污泥为本发明装置所连接的前置处理环节产生的污泥，污泥含水率75-85%；
2）好氧发酵：将按步骤1）预调理好的混合物料S2由进料系统传送到发酵系统的进料口引入筒仓内，由螺旋桨搅拌器进行搅拌，同时鼓风机通入空气进行好氧发酵，由发酵系统的时间控制仪控制鼓风机和搅拌器，控制搅拌和通气频次为5-8天，将发酵系统的混合物料S2的含水率控制在65-75%，在发酵过程中不需要添加任何氮磷元素，经过好氧发酵20-28天后，pH值稳定处于7.5-8.3之间时，即制得发酵后的熟料S3；
3）挤压成型：将按步骤2）制得的熟料S3由发酵系统出料口输出后引入到成型系统的加料料斗，之后在压缩室中进行压制成得到S4；压制后的形状包括但不限于圆柱体和长方体，体积为1570-9216cm3，含水率为30%-45%，圆柱体半径和厚度比值为2:1，半径10-16cm，厚度5-8cm；长方体长宽高比例为6：3：1，长30-48cm，宽15-24cm，厚度为5-8cm；
4）烘干干燥：将按步骤3）压块成型的S4进行快速烘干干燥，干燥时间为8-20h，所述的成品含水率为10-15%，吸水性为40%-50%，密度为0.8-1.4g/cm3；
三、物理净化单元
污水从折流池（16）的出水口通过第四自控计量阀（19）启闭进入到植物培育营养液池（20）前端，首先由微滤膜组件（21）进行过滤，以去除掉夹杂的少量自然掉落的菌藻共生物及其他杂质，微滤膜组件上的菌藻泥通过冲洗进行资源化利用，经过过滤后的污水，由植物培育营养液池后端池底的LED紫外灯组（22）进行紫外消毒，有效防止污水中的细菌影响水培植物生长；
四、培育单元
植物培育营养液池（20）内的经物理净化后的污水通过计量循环泵（23）泵入到液主管架（24）的纵向管，由纵向管将水输送到横向管，进一步输送至各个水培支架(25)，在水培支架连接的圆盘型吸水基质槽（26）内种植芦荟，圆盘型吸水基质槽中的液位高度控制在2/3处，经植物吸收营养物质后的污水依靠重力流至植物培育营养液池（20），形成反复循环系统，实现污水零排放。
3.权利要求2所述的污水处理方法可适应于农村污水水质波动范围大的特点，达到长效稳定运行的效果。
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