一种强化养猪废水生物脱氮的电强化装置与方法与流程

1.本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种强化养猪废水生物脱氮的电强化装置与方法。


背景技术：

2.养猪废水普遍存在“三高”的特点，即cod、氨氮、ss普遍高，在常规的养猪废水生物处理工艺中，活性污泥多以悬浮态存在，导致水力停留时间(hrd)和污泥停留时间(srt)难以在空间分离；生长缓慢的自养菌如硝化菌(aob和nob)很容易随排水流失；此外，悬浮活性污泥对进水负荷波动和环境胁迫适应能力较差，目前，市售的有机载体和无机载体，虽然形状、比表面积、孔隙度、粗糙度各异，但附着的活性生物膜厚度一般不超过2mm，导致功能微生物的种类、数量、附着的稳定性很难满足高效反应器的需求。
3.其次，养猪废水碳氮比(c/n)低制约异养反硝化，外加碳源或降低氨氮浓度是调节养猪废水c/n比的常用手段，不过，外加碳源会引起不同菌群之间竞争性争夺，导致碳源有效利用率不足，而降低氨氮浓度通常采用磷酸镁铵(map)沉淀法，通过去除养猪废水中部分的n和p提升c/n比，达到可进一步生化处理的目的，但是上述的两种方式成本偏高，不适应在单一池体中采用。
4.因此，需要设计一种强化养猪废水生物脱氮的电强化装置与方法来结局上述的技术问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种强化养猪废水生物脱氮的电强化装置与方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种强化养猪废水生物脱氮的电强化装置，包括：
7.反应器，
8.生物载体，设置在所述反应器内，所述生物载体包括若干相互贴合缠绕的改性玄武岩纤维和碳纤维；
9.供电组件，包括供电模块，所述供电模块与所述碳纤维电性连接；所述供电模块还与设在所述反应器内腔底端的碳布电性连接；
10.曝气组件，包括设置在所述反应器内的曝气管，所述曝气管呈环形设置并通过锁紧组件与所述反应器固定；所述曝气组件与设置在所述反应器外的曝气泵电性连接；
11.出水组件，包括设置在所述反应器顶端的溢流槽，所述溢流槽与外界连通。
12.优选的，所述生物载体设置在芯材上，所述芯材的顶端通过固定环悬吊在所述反应器内，所述芯材的底端设置有悬坠块，所述芯材与所述碳纤维电性连接。
13.优选的，所述芯材内设置有用于导电的第一导线，所述第一导线位于所述反应器内的一端与所述碳纤维电性连接，所述第一导线的另一端伸出所述反应器并所述供电模块电性连接。
14.优选的，所述供电组件还包括悬吊设置在所述反应器内腔的参比电极，所述参比电极通过第二导线与所述供电模块电性连接。
15.优选的，所述锁紧组件包括若干等间隔设置在所述曝气管上的固定块，所述固定块的底端滑动连接有锁定杆，所述锁定杆与开设在所述反应器侧壁的锁定槽对应设置，所述锁定杆与所述锁定槽可拆卸连接。
16.优选的，所述锁定杆包括滑动连接在所述固定块内的活动杆，所述活动杆的一端伸出所述固定块并固接有旋钮，所述活动杆的另一端转动连接有连接杆，所述连接杆伸出所述固定块并固接有与所述锁定槽相适配的锁定块；所述活动杆朝向所述锁定块的一端固接有两个对称设置的定位杆，所述定位杆与所述固定块的侧壁抵接。
17.优选的，所述固定块朝向所述反应器侧壁的一端固接有定位弹簧，所述定位弹簧远离所述固定块的一端固接有与所述反应器侧壁抵接的接触环，所述接触环和所述定位弹簧套设在所述连接杆上。
18.优选的，所述反应器的顶端侧壁开设有若干溢流孔，所述溢流孔的底端高于所述溢流槽的内腔底端；所述溢流槽的底端倾斜设置并在低点设置排水管。
19.一种强化养猪废水生物脱氮的电强化方法，包括以下步骤：
20.准备反应器；选择合适的反应器并检查水密性，然后检查溢流槽的设置是否合格；
21.布置供电组件；将碳布固定在反应器的底端并与供电模块通电；
22.布置曝气组件；将环形的曝气管通过锁紧组件固定在反应器内并位于碳布的上方，然后将曝气管与曝气泵连通；
23.布置生物载体；根据反应器的规格选择合适的改性玄武岩纤维和碳纤维，二者贴合铰接构成成生物载体，并将碳纤维与供电模块电性连接；
24.处理污水；向反应器注入污水，同时进行曝气和通电，然后将处理完的污水溢流到溢流槽内排出。
25.优选的，步骤五中，设备运行前，生物载体接种市政活性污泥。
26.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明使用时，改性玄武岩纤维作为微生物的附着地点，在水中可以快速分散、吸附活性污泥，形成微生物聚集体，同时本发明在改性玄武岩纤维内掺入导电性强的碳纤维，在反应器内中构建以碳布为阳极、以改性玄武岩纤维和碳纤维构成的生物载体为阴极的电极体系，通过控制阴极电位，借助碳纤维向生物载体内的反硝化菌提供电子，强化养猪废水中的反硝化过程，解决养猪废水碳源不足影响反硝化的瓶颈问题；生物载体内的氧气含量向内逐渐减少，因此生物载体内的微生物同时进行硝化和反硝化过程；曝气泵通过曝气管向反应器内进行曝气，为反应器内的废水提供充足的氧气，保证废水的处理过程。
27.本发明结构简单，使用方便，方便在不外加碳源的前提下实现对低碳氮比的养猪场废水的脱氮处理，处理效率高，处理效果好，处理成本低。
附图说明
28.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
29.图1为本发明强化养猪废水生物脱氮的电强化装置内部结构轴视图；
30.图2为本发明强化养猪废水生物脱氮的电强化装置内部结构主视图；
31.图3为本发明锁紧组件结构示意图；
32.图4为本发明图3中a的局部放大图；
33.图5为本发明生物载体结构示意图；
34.图6为本发明碳纤维和改性玄武岩纤维示意图；
35.图中：1、反应器；2、生物载体；4、改性玄武岩纤维；5、碳纤维；6、供电模块；7、碳布；8、曝气管；9、曝气泵；10、溢流槽；11、芯材；12、固定环；13、悬坠块；14、第一导线；15、参比电极；16、第二导线；17、固定块；18、锁定杆；19、活动杆；20、旋钮；21、连接杆；22、锁定块；23、定位杆；24、定位弹簧；25、接触环；26、锁定槽；27、溢流孔；28、排水管；29、进水管；30、悬挂梁；31、第三导线；32、环状垫片；33、气体流量计；34、曝气头。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
38.参照图1-6所示，本实施例提供一种强化养猪废水生物脱氮的电强化装置，包括：
39.反应器1，
40.生物载体2，设置在反应器1内，生物载体2包括相互贴合缠绕的改性玄武岩纤维4和碳纤维5；
41.供电组件，包括供电模块6，供电模块6与碳纤维5电性连接；供电模块6还与设在反应器1内腔底端的碳布7电性连接；
42.曝气组件，包括设置在反应器1内的曝气管8，曝气管8呈环形设置并通过锁紧组件与反应器1固定；曝气组件与设置在反应器1外的曝气泵9电性连接；
43.出水组件，包括设置在反应器1顶端的溢流槽10，溢流槽10与外界连通。
44.本发明使用时，改性玄武岩纤维4作为微生物的附着地点，在水中可以快速分散、吸附活性污泥，形成微生物聚集体，同时本发明在改性玄武岩纤维4内掺入导电性强的碳纤维5，在反应器1内中构建以碳布7为阳极、以改性玄武岩纤维4和碳纤维5构成的生物载体2为阴极的电极体系，通过控制阴极电位，借助碳纤维5向生物载体2内的反硝化菌提供电子，强化养猪废水中的反硝化过程，解决养猪废水碳源不足影响反硝化的瓶颈问题；生物载体2内的氧气含量向内逐渐减少，因此生物载体2内的微生物同时进行硝化和反硝化过程；曝气泵9通过曝气管8向反应器1内进行曝气，为反应器1内的废水提供充足的氧气，保证废水的处理过程。
45.本发明利用生物载体2的生物量巨大的优点，可以富集大量的具有跨膜电子转移能力的反硝化菌，而改性玄武岩纤维4是不行的，把碳纤维5掺杂进去，借助碳纤维5从供电模块6上获取的电子就可以为此类反硝化菌提供电子，满足atp合成，实现碳源不足的情况下，反硝化菌照样存活，依旧能进行反硝化。
46.进一步的，本实施例中反应器1为圆柱形直径30cm、高110cm，底部放置的碳布7直径30cm。
47.进一步的，碳布7通过环状垫片固定在反应器1的底端，防止其升浮；碳布7通过第三导线31与供电模块6电性连接；碳布7作为供电组件的阳极。
48.进一步优化方案，生物载体2设置在芯材11上，芯材11的顶端通过固定环12悬吊在反应器1内，芯材11的底端设置有悬坠块13，芯材11与碳纤维5电性连接。反应器1的顶端架设有悬挂梁30，固定环12悬挂在悬挂梁30上，对生物载体2进行固定；芯材11底端的不锈钢悬坠块13用于拉直芯材11。
49.进一步优化方案，芯材11内设置有用于导电的第一导线14，第一导线14位于反应器1内的一端与碳纤维5电性连接，第一导线14的另一端伸出反应器1并供电模块6电性连接。芯材11内的第一导线14为碳纤维5进行供电，作为电路的负极；使用时，供电模块6向生物载体2内供给电荷，为与生物载体2接触的反硝化菌提供电子，维持存活，解决养猪废水中c/n比低以及有机碳源无效消耗导致的反硝化菌不能继续脱氮的问题。
50.进一步优化方案，供电组件还包括悬吊设置在反应器1内腔的参比电极15，参比电极15通过第二导线16与供电模块6电性连接。第二导线16将参比电极15垂直悬吊在反应器1内。
51.进一步的，本实施例中，第一导线14、第二导线16和第三导线31为钛线，质量轻、强度高、抗腐蚀性好，同时导电性好。
52.进一步优化方案，锁紧组件包括若干等间隔设置在曝气管8上的固定块17，固定块17的底端滑动连接有锁定杆18，锁定杆18与开设在反应器1侧壁的锁定槽26对应设置，锁定杆18与锁定槽26可拆卸连接。安装曝气管8时，固定块17与锁定槽26对应设置，然后将锁定杆18插入锁定槽26内，使得曝气管8与反应器1固定；使用完成后或者需要检修拆卸时，将锁定杆18从锁定槽26内拔出，使得曝气管8与反应器1分离。
53.进一步优化方案，锁定杆18包括滑动连接在固定块17内的活动杆19，活动杆19的一端伸出固定块17并固接有旋钮20，活动杆19的另一端转动连接有连接杆21，连接杆21伸出固定块17并固接有与锁定槽26相适配的锁定块22；活动杆19朝向锁定块22的一端固接有两个对称设置的定位杆23，定位杆23与固定块17的侧壁抵接。使用时，通过活动杆19将锁定块22插入锁定槽26内，此时定位杆23从固定块17内滑出，此时旋转活动杆19，使得定位杆23与固定块17卡住；当需要拆卸时，反转活动杆19，使得定位杆23与固定块17分离，锁定块22与锁定槽26分离，实现解锁。
54.进一步优化方案，固定块17朝向反应器1侧壁的一端固接有定位弹簧24，定位弹簧24远离固定块17的一端固接有与反应器1侧壁抵接的接触环25，接触环25和定位弹簧24套设在连接杆21上。接触环25和定位弹簧24用于支撑连接杆21，同时还可以帮助分离锁定块22和锁定槽26。
55.进一步优化方案，反应器1的顶端侧壁开设有若干溢流孔27，溢流孔27的底端高于溢流槽10的内腔底端；溢流槽10的底端倾斜设置并在低点设置排水管28。污水经过反应后，从反应器1顶端的溢流孔27进入溢流槽10内，最后从排水管28排出。
56.进一步的，反应器1的侧壁底端设置有用于送入反应器1内。
57.一种强化养猪废水生物脱氮的电强化方法，包括以下步骤：
58.准备反应器1；选择合适的反应器1并检查水密性，然后检查溢流槽10的设置是否合格；选择直径30cm、高度110cm的反应器1，使用前先检查密封性和进出口的连通性，保证污水进出顺畅且不漏水；
59.布置供电组件；将碳布7固定在反应器1的底端并与供电模块6通电；将碳布7固定在反应器1内腔底端，并通过第三导线31与供电模块6连接供电；同时准备参比电极15和第二导线16和第一导线14；
60.布置曝气组件；将环形的曝气管8通过锁紧组件固定在反应器1内并位于碳布7的上方，然后将曝气管8与曝气泵9连通；将曝气管8放入反应器1内，然后通过锁定组件与反应器1固定内，使得曝气头34向上设置，然后与曝气泵9连通，气体流量计33与曝气管8连接，用于测量曝气的气量；
61.布置生物载体2；根据反应器1的规格选择合适的改性玄武岩纤维4和碳纤维5，二者贴合铰接成束，在将若干束的复合纤维按照螺旋形绑扎在芯材上，构成生物载体2，并将碳纤维5与供电模块6电性连接；选择纤维长度均介于12-15cm之间的改性玄武岩纤维4和碳纤维5，混合后由双股钛丝绞缠成生物载体2，垂直长度70cm；然后将碳纤维5与第一导线14连接，然后通过悬吊线将生物载体2悬吊在反应器1内；
62.处理污水；向反应器1注入污水，同时进行曝气和通电，然后将处理完的污水溢流到溢流槽10内排出；将市政活性污泥接种到生物载体2上，污泥与废水的混合体积比为20:80，混合液体悬浮固体的浓度介于2800-4000mg/l，在启动初期采用序批模式运行，进水时间为10分钟，曝气时间为48小时，排水时间为10分钟，池体内溶氧浓度控制在1.8-3.0mg/l，温度控制在28-35℃，供电模块6电位控制在-300mv左右，废水从进水管29进入，从出水管流出；经过三个批次后，装置改为连续流模式运行，1个月左右mbf-cf载体形成尺寸在10厘米左右的、结构稳定的生物载体2。当稳定的生物载体2形成后，开始考察其对实际养猪废水的处理能力及电流输出情况。
63.废水从进水管29进入，经生物载体2处理后从出水管流出，在运行过程中，生物载体2上的微生物存在空间和底物的竞争，由外而内存在无数的好氧-缺氧-厌氧功能微区，为好氧异养菌、自养硝化菌、异养硝化-好氧反硝化菌、异养反硝化菌、以及厌氧发酵菌的协同脱氮除碳创造了条件。有机底物向生物载体2内扩散的过程中，所能提供的碳源和能量逐渐减少，导致自养硝化菌转化氨氮形成的硝酸盐不能被异养反硝化菌进一步转化，此时具有跨膜电子转移能力的反硝化菌可以通过生物载体2内的碳纤维5阴极获取电子，即电子从cf传输给反硝化菌，驱动跨膜电子传递链生成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸nadh和atp，最后nadh释放电子，通过内膜上的电子传递链，完成硝酸盐的还原。本发明通过在mbf中掺入cf制备mbf-cf载体，利用mbf形成的生物载体2生物量巨大、微环境丰富、功能微生物尤其是反硝化菌的优势，对阳极和阴极施加电压同时控制阴极电位，为与cf阴极接触的反硝化菌提供电子，维持存活，解决了养猪废水中c/n比低以及有机碳源无效消耗导致的反硝化菌不能继续脱氮的问题。
64.通过连续6天的监测，发现mbf-cf生物载体2反应器在48h内对tn的去除速率为68％，高于mbf生物载体2反应器52％；其次，在cf电极的辅助下胞外电子向生物载体2内的细菌发生了传输；另外，mbf-cf生物载体2反应器内tn去除率增加间接证明了胞外电子传输强化了反硝化过程。
65.当进水cod介于797.9-838.3mg/l，氨氮介于289.6-302.5mg/l，总氮介于325.5-339.0mg/l时，mbf-cf载体形成的生物载体2对cod、氨氮和总氮的去除率分别为43.9％、74.2％、44.6％。去除单位的总氮所需的cod分别为1.8g cod/gtn；相比而言，仅由mbf载体形成的生物载体2去除单位的总氮所需的cod为2.1g cod/g tn。显然，在mbf生物载体2内掺入导电性碳纤维5，构建电极体系，通过cf向反硝化菌提供电子强化反硝化，可在一定程度上解决养猪废水碳源不足制约反硝化的问题。
66.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
67.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种强化养猪废水生物脱氮的电强化装置，其特征在于，包括：反应器(1)，生物载体(2)，设置在所述反应器(1)内，所述生物载体(2)包括相互贴合缠绕的改性玄武岩纤维(4)和碳纤维(5)；供电组件，包括供电模块(6)，所述供电模块(6)与所述碳纤维(5)电性连接；所述供电模块(6)还与设在所述反应器(1)内腔底端的碳布(7)电性连接；曝气组件，包括设置在所述反应器(1)内的曝气管(8)，所述曝气管(8)呈环形设置并通过锁紧组件与所述反应器(1)固定；所述曝气组件与设置在所述反应器(1)外的曝气泵(9)电性连接；出水组件，包括设置在所述反应器(1)顶端的溢流槽(10)，所述溢流槽(10)与外界连通。2.根据权利要求1所述的强化养猪废水生物脱氮的电强化装置，其特征在于：生物载体(2)设置在芯材(11)上，所述芯材(11)的顶端通过固定环(12)悬吊在所述反应器(1)内，所述芯材(11)的底端设置有悬坠块(13)，所述芯材(11)与所述碳纤维(5)电性连接。3.根据权利要求2所述的强化养猪废水生物脱氮的电强化装置，其特征在于：所述芯材(11)内设置有用于导电的第一导线(14)，所述第一导线(14)位于所述反应器(1)内的一端与所述碳纤维(5)电性连接，所述第一导线(14)的另一端伸出所述反应器(1)并所述供电模块(6)电性连接。4.根据权利要求1所述的强化养猪废水生物脱氮的电强化装置，其特征在于：所述供电组件还包括悬吊设置在所述反应器(1)内腔的参比电极(15)，所述参比电极(15)通过第二导线(16)与所述供电模块(6)电性连接。5.根据权利要求1所述的强化养猪废水生物脱氮的电强化装置，其特征在于：所述锁紧组件包括若干等间隔设置在所述曝气管(8)上的固定块(17)，所述固定块(17)的底端滑动连接有锁定杆(18)，所述锁定杆(18)与开设在所述反应器(1)侧壁的锁定槽(26)对应设置，所述锁定杆(18)与所述锁定槽(26)可拆卸连接。6.根据权利要求5所述的强化养猪废水生物脱氮的电强化装置，其特征在于：所述锁定杆(18)包括滑动连接在所述固定块(17)内的活动杆(19)，所述活动杆(19)的一端伸出所述固定块(17)并固接有旋钮(20)，所述活动杆(19)的另一端转动连接有连接杆(21)，所述连接杆(21)伸出所述固定块(17)并固接有与所述锁定槽(26)相适配的锁定块(22)；所述活动杆(19)朝向所述锁定块(22)的一端固接有两个对称设置的定位杆(23)，所述定位杆(23)与所述固定块(17)的侧壁抵接。7.根据权利要求6所述的强化养猪废水生物脱氮的电强化装置，其特征在于：所述固定块(17)朝向所述反应器(1)侧壁的一端固接有定位弹簧(24)，所述定位弹簧(24)远离所述固定块(17)的一端固接有与所述反应器(1)侧壁抵接的接触环(25)，所述接触环(25)和所述定位弹簧(24)套设在所述连接杆(21)上。8.根据权利要求1所述的强化养猪废水生物脱氮的电强化装置，其特征在于：所述反应器(1)的顶端侧壁开设有若干溢流孔(27)，所述溢流孔(27)的底端高于所述溢流槽(10)的内腔底端；所述溢流槽(10)的底端倾斜设置并在低点设置排水管(28)。9.一种强化养猪废水生物脱氮的电强化方法，根据权利要求1-8任意一项所述的强化
养猪废水生物脱氮的电强化装置，其特征在于，包括以下步骤：将碳布(7)固定在反应器(1)的底端并与供电模块(6)通电；将环形的曝气管(8)通过锁紧组件固定在反应器(1)内并位于碳布(7)的上方，然后将曝气管(8)与曝气泵(9)连通；根据反应器(1)的规格选择合适的改性玄武岩纤维(4)和碳纤维(5)，二者贴合铰接构成成生物载体(2)，并将碳纤维(5)与供电模块(6)电性连接；向反应器(1)注入污水，同时进行曝气和通电，然后将处理完的污水溢流到溢流槽(10)内排出。10.根据权利要求9所述的强化养猪废水生物脱氮的电强化方法，其特征在于：设备运行前，生物载体(2)接种市政活性污泥。

技术总结
本发明公开一种强化养猪废水生物脱氮的电强化装置与方法，属于污水处理技术领域；包括生物载体，设置在反应器内，生物载体包括相互贴合缠绕的改性玄武岩纤维和碳纤维；供电组件，包括供电模块，供电模块与碳纤维电性连接；供电模块与设在反应器内腔底端的碳布电性连接；曝气组件，包括设置在反应器内的曝气管，曝气管通过锁紧组件与反应器固定；曝气组件与设置在反应器外的曝气泵电性连接；出水组件，包括设置在反应器顶端的溢流槽，溢流槽与外界连通。本发明结构简单，使用方便，方便在碳源不足的前提下实现对低碳氮比的养猪场废水的脱氮处理，处理效率高，处理效果好，处理成本低。处理成本低。处理成本低。


技术研发人员：周向同 魏玉庆 徐宏 吴智仁 刁庆鑫
受保护的技术使用者：宜兴锡凌环保科技有限公司
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/9/19