一种沼液处理系统及方法与流程

本发明实施例涉及污水处理领域，更具体地，涉及一种沼液处理系统及方法。

背景技术：

随着现代畜牧产业体系的逐渐完善和经济的快速发展，畜牧业的生产方式已经发生重大转变，逐步由分散型、粗放型向规模化、集约化经营转变，畜禽粪便排放量随之急剧增长以及产生的环境问题日益突出。厌氧发酵产沼气技术由于其具备控制畜禽粪便环境污染和缓解农村能源日益增长需求压力的双重功能，近年来在世界范围内受到普遍关注和快速发展。我国自19世纪70年代开始大力发展建设户用沼气池，截止到2010年底其数量已达到3850万口。然而，随着我国农村城镇化进程的加快以及农村养殖模式逐渐由原始的农户散养向集约化养殖转变，大中型沼气工程逐渐替代户用沼气工程成为了沼气技术发展的新趋势。因此，国家出台了一系列政策加大规模化畜禽养殖场大中型沼气工程的建设。根据农业部《中国农村能源年鉴2009-2013》的数据显示，截止到2012年底我国处理农业废弃物的沼气工程中日产沼气量不低于300m³的大中型及特大型沼气工程达到15026座，年总产气量12.8亿m³。其中北京京郊地区特大型沼气工程1座，大中型沼气工程133座，年沼气总产量2325万m³。

规模化沼气工程为养殖场以及村镇带来了大量的生物能源，增加了经济和环境效益，但与此同时也会产生大量沼液。沼液中除含有丰富的氮、磷、钾外还含有铁、铜、锰等微量元素，作物利用率高，其农田施用不但能提高作物产量和品质，还具有防病抗逆作用。虽然沼液农田土地消纳是一种低成本的资源性利用方式，然而往往由于沼液养分浓度相对较低，肥效和施肥便捷性均低于化肥，同时由于种植业的利润低农户不愿意花费太多精力等原因，使得真正愿意使用沼液作为农肥的比例仍然较低(<35％)。而且，我国农田土地管理分散、农户拥有土地面积小，这也使得大中型沼气工程产生的沼液充分还田仍无法广泛实施。因此，部分大中型沼气工程面对每日排出的大量沼液而无法消纳感到苦不堪言，甚至在一些偏僻的沟渠进行暗排，其不仅对地下水体环境造成了严重的污染，同时也是对于沼液中养分资源的一种浪费。因此，沼液的合理处置是制约当前规模化沼气工程可持续发展的重要因素。

人工湿地生态污水处理技术具有建造成本低、维护方便、处理效果好等优势，逐渐成为一种新兴的沼液处理方法。传统的人工湿地在应用过程中，虽然湿地植物可以吸收和利用污水中的营养物质，根系还会释放出一定量的氧气来改善湿地床体的氧环境，从而提高湿地的净化能力。但是湿地床体自然吸氧能力有限，在利用人工湿地处理高浓度污染物的废水时，传统人工湿地不足以满足有机物及氨氮的氧化去除。在传统人工湿地中配置人工曝气装置可以有效的解决人工湿地床体供氧不足的问题，进而促进高浓度的污染物充分的氧化降解去除。

为最大程度的增加人工湿地床体的氧环境，传统的人工曝气装置经常被安装在湿地床体的底部，使曝气充分布满整个湿地床体。虽然此种配置形式可以使沼液中高浓度的氨氮充分的经过硝化反应去除，但是会导致人工湿地中缺少厌氧/缺氧的环境，硝化反应产生的大量硝态氮无法进一步在厌氧/缺氧条件下通过反硝化作用去除，从而极大地限制了总氮的去除效率。同时，人工曝气装置的加入也增加了人工湿地的运行成本。

除此之外，畜禽粪便经过厌氧发酵后产生的沼液，其中会残留一定量的锌、铬、铅等重金属，虽然沼液中此类重金属的浓度一般较低，但是在农田中连续的施用沼液，会造成土壤的重金属累积，进而对生态环境以及人体安全造成潜在的危害。人工湿地对于重金属的去除机理主要依靠湿地植物的吸收，可是当植物在冬天枯萎或死亡之后，重金属又从植物体内释放出来，无法实现重金属的彻底去除。

技术实现要素：

针对运用现有技术进行沼液处理时，存在的处理系统运行成本高、沼液中总氮去除效率低以及沼液中重金属无法彻底去除的问题，本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的沼液处理系统及方法。

一方面本发明实施例提供了一种沼液处理系统，所述系统包括电解处理单元、人工湿地处理单元以及回流单元，其中，

所述电解处理单元包括电解池4、电解池阳极板3以及电解池阴极板2，所述电解池阳极板3和所述电解池阴极板2布置在所述电解池4内；

所述人工湿地处理单元包括厌氧区6、好氧区9、微生物电池阳极板7、微生物电池阴极板10、质子交换隔膜8以及曝气装置11，所述曝气装置11的曝气管道布设在所述厌氧区6和所述好氧区9之间，且所述曝气管道上的出气口开口向上，所述曝气管道上部为所述好氧区9、下部为所述厌氧区6，所述厌氧区6的基质中含有反硝化微生物，所述好氧区9的基质中含有硝化微生物，所述质子交换隔膜8紧靠所述曝气管道下方布置，所述微生物电池阳极板7布置在所述厌氧区6中，且所述微生物电池阳极板7与所述电解池阳极板3之间电连接，所述微生物电池阴极板10布置在所述好氧区9中，且所述微生物电池阴极板10与所述电解池阴极板2之间电连接；

所述回流单元包括出水池12和回流管道13，所述出水池12位于所述人工湿地处理单元的出水口下方，用于收集所述人工湿地处理单元排出的处理后的沼液，所述回流管道13连接所述出水池12和所述电解池4，用于将所述出水池12中收集到的沼液回流至所述电解池4中；

所述电解池4与所述人工湿地处理单元通过进水管道5连接，所述进水管道5一端与所述电解池4的出水口连接，所述进水管道5另一端的部分管道埋设于所述厌氧区6底部，且所述部分管道的管壁上设置有多个出水口。

其中，所述系统还包括沉淀池1，所述沉淀池1与所述电解池4相连，所述沉淀池1用于对沼液进行预处理。

其中，所述好氧区9表层种植有湿地植物14。

其中，所述微生物电池阳极板7紧靠所述质子交换隔膜8下方布置，所述微生物电池阴极板10紧靠所述湿地植物根系14下方布置。

其中，所述厌氧区6采用生物碳或钢渣作为基质。

其中，所述好氧区9采用沸石、炉灰渣或蛭石作为基质。

其中，所述电解池4的出水口的水平高度高于所述进水管道另一端的水平高度，所述电解池4中沼液利用虹吸效应流入所述人工湿地处理单元。

另一方面本发明实施例提供了一种沼液处理方法，所述方法包括：

将沼液加入所述电解池4，沼液中的重金属离子在所述电解池阴极板2处发生絮凝反应，并沉淀到所述电解池4底部；

经所述电解处理单元处理后的沼液通过所述进水管道5进入所述人工湿地处理单元，在所述厌氧区6中，所述反硝化微生物对沼液中的硝态氮进行反硝化去除；经反硝化处理的沼液进入所述好氧区9，所述曝气装置11通过曝气管道从所述好氧区9底部进行强化曝气，所述硝化微生物对沼液中的氨氮进行硝化处理，将所述氨氮转化为硝态氮；同时，在所述人工湿地处理单元中形成的微生物电池，通过所述微生物电池阳极板7与所述电解池阳极板3电连接、所述微生物电池阴极板10与所述电解池阴极板2电连接形成电解回路15，向所述电解处理单元供电；

出水池12接收由所述人工湿地处理单元排出的沼液，沼液通过所述回流管道13回流至所述电解池4中。

其中，在所述将沼液加入所述电解池4之前，还包括：

将沼液加入沉淀池1进行预处理。

本发明实施例提供的一种沼液处理系统及方法，与现有技术相比本发明实施例的有益效果在于：

(1)通过在电解处理单元中电解池阴极板电解水生成的氢氧根离子，与沼液中重金属离子结合生成氢氧化物絮凝，沉淀在电解池底部，实现沼液中重金属的去除；

(2)通过人工湿地处理单元好氧区中硝化微生物的硝化作用将沼液中的氨氮转化为硝态氮，再通过厌氧区中反硝化微生物的反硝化作用将硝态氮转化为氮气去除，提高沼液中总氮的去除效率；

(3)通过人工湿地处理单元中形成的微生物电池向电解处理单元供电，实现了系统内的自供能，降低了运行成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种沼液处理系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种沼液处理方法流程图。

附图标记：

1-沉淀池； 2-电解池阴极板；

3-电解池阳极板； 4-电解池；

5-进水管道； 6-厌氧区；

7-微生物电池阳极板； 8-质子交换隔膜；

9-好氧区； 10-微生物电池阴极板；

11-曝气装置； 12-出水池；

13-回流管道； 14-湿地植物；

15-电解回路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。

图1为本发明实施例提供的一种沼液处理系统的示意图，如图1所示，所述系统包括：电解处理单元、人工湿地处理单元以及回流单元，其中：

所述电解处理单元包括电解池4、电解池阳极板3以及电解池阴极板2，所述电解池阳极板3和所述电解池阴极板2布置在所述电解池4内。

其中，电解池阴极板2与微生物电池阴极板10电连接、电解池阳极板3与微生物电池阳极板7电连接形成电解回路15，所述电解处理单元的电量由所述人工湿地处理单元中形成的微生物电池供给，从而降低了整个系统的运行成本，便于在农业生产中推广应用。电解池阴极板2和电解池阳极板3均选用石墨或低碳钢等材料。

具体地，电解处理单元用于通过电解絮凝作用去除沼液中的重金属离子。将沼液加入电解池4中，电解池阳极板3和电解池阴极板2浸没在沼液中，电解池阴极板2附近因电解水过程中产生大量的氢氧根离子，沼液中的重金属离子(铁、铬、锌、铜等)会聚集在电解池阴极板2处与氢氧根离子结合生成的氢氧化物，进而产生絮凝，沉淀到电解池4底部，从而达到去除沼液中重金属的效果。

所述人工湿地处理单元包括厌氧区6、好氧区9、微生物电池阳极板7、微生物电池阴极板10、质子交换隔膜8以及曝气装置11，所述曝气装置11的曝气管道布设在所述厌氧区6和所述好氧区9之间，且所述曝气管道上的出气口开口向上，所述曝气管道上部为所述好氧区9、下部为所述厌氧区6，所述厌氧区6的基质中含有反硝化微生物，所述好氧区9的基质中含有硝化微生物，所述质子交换隔膜8紧靠所述曝气管道下方布置，所述微生物电池阳极板7布置在所述厌氧区6中，且所述微生物电池阳极板7与所述电解池阳极板3之间电连接，所述微生物电池阴极板10布置在所述好氧区9中，且所述微生物电池阴极板10与所述电解池阴极板2之间电连接。

其中，曝气装置11的曝气管道布设在人工湿地处理单元竖直方向的中间位置，将所述人工湿地处理单元分隔成上下两个区域，且所述曝气管道上的出气口开口朝上，在曝气装置11通过曝气管道的出气口进行强化曝气时，曝气装置11将空气大量充入所述曝气管道的上方区域，这样既可以提高所述曝气管道上方区域的含氧量，同时又可以保留所述曝气管道下方区域的缺氧环境，从而在人工湿地处理单元中形成上部含氧量高的好氧区9和下部含氧量低的厌氧区6，进而既提高了好氧区9中好氧微生物的活性，同时也为厌氧区6中厌氧微生物的活动保留了合适的环境。其中，所述反硝化微生物在厌氧环境下可以通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气；所述硝化微生物在有氧环境下可以通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮。

另外，质子交换隔膜8为非导电性多孔材料制成，如玻璃纤维等，将其布置在厌氧区6和好氧区9之间，可有效阻止电子在厌氧区6和好氧区9之间的传递。微生物电池阳极板7和微生物电池阴极板10均采用具有较高导电性、比表面积大的非氧化型石墨材料制成，且微生物电池阳极板7和微生物电池阴极板10表面都设置有均匀的穿孔，以便人工湿地内部沼液流动的通畅。

具体地，经电解处理单元处理后的沼液在人工湿地处理单元的厌氧区6中，通过反硝化微生物的反硝化作用使得沼液中的硝态氮转化为氮气而去除，然后沼液在人工湿地处理单元中自下而上的流动进入好氧区9，曝气装置11通过曝气管道从好氧区9底部进行强化曝气，沼液在好氧区9中，通过硝化微生物的硝化作用使得沼液中的氨氮转化为硝态氮，这里产生的硝态氮将在后续处理中进入厌氧区6进行反硝化反应。通过人工湿地处理单元中厌氧区6和好氧区9对沼液的循环处理，可以使得沼液中的氨氮最终转化为氮气去除，提高了沼液中总氮的去除效率。

同时，沼液中污染物在微生物电池阴极板10处发生氧化反应，产生电子，沼液中污染物在微生物电池阳极板7处发生还原反应消耗电子，质子交换隔膜8的存在阻止了电子在厌氧区6和好氧区9之间的传递。又由于微生物电池阳极板7与电解池阳极板3之间电连接，微生物电池阴极板10与电解池阴极板2之间电连接，则在电解池阳极板3和电解池阴极板2之间形成电压差，以供电解处理单元对沼液中的水进行电解。整个过程实现了人工湿地处理单元向电解处理单元供电，从而降低了整个系统的运行成本，便于在农业生产中推广应用。

除此之外，沼液中还会含有大量的生物病原体，如大肠杆菌等，在沼液农田施用过程中会对农田和自然生态环境造成危害。微生物电池阴极板10附近在工作过程中会生成过氧化氢，从而可以实现对沼液中的生物病原体的杀菌去除。

所述回流单元包括出水池12和回流管道13，所述出水池12位于所述人工湿地处理单元的出水口下方，用于收集所述人工湿地处理单元排出的处理后的沼液，所述回流管道13连接所述出水池12和所述电解池4，用于将所述出水池12中收集到的沼液回流至所述电解池4中。

具体地，出水池12收集的沼液中还含有经人工湿地处理单元好氧区9处理后得到硝态氮，为了将沼液中的氮元素彻底去除，需要在厌氧区6中经过反硝化微生物的反硝化作用，所以需要将出水池12中的沼液回流至电解池然后再通过进水管道5进入人工湿地处理单元的厌氧区6。

所述电解池4与所述人工湿地处理单元通过进水管道5连接，所述进水管道5一端与所述电解池4的出水口连接，所述进水管道5另一端的部分管道埋设于所述厌氧区6底部，且所述部分管道的管壁上设置有多个出水口。

具体地，沼液在所述系统中先经过电解处理单元的电解处理后通过进水管道5进入人工湿地处理单元的厌氧区6，沼液再自下而上进入好氧区9，经人工湿地处理单元处理后的沼液通过出水口流出至出水池12中，出水池12中的部分沼液再经回流管道13回流至电解池4与电解池4中的沼液混合，其中出水池12中沼液的回流量可以根据实际情况确定，例如可以设置回流量为出水池12容量的50％。

本发明实施例提供了一种沼液处理系统，与现有技术相比本发明实施例的有益效果在于：

(1)通过在电解处理单元中电解池阴极板电解水生成的氢氧根离子，与沼液中重金属离子结合生成氢氧化物絮凝，沉淀在电解池底部，实现沼液中重金属的去除；

(2)通过人工湿地处理单元好氧区中硝化微生物的硝化作用将沼液中的氨氮转化为硝态氮，再通过厌氧区中反硝化微生物的反硝化作用将硝态氮转化为氮气去除，提高沼液中总氮的去除效率；

(3)通过人工湿地处理单元中形成的微生物电池向电解处理单元供电，实现了系统内的自供能，降低了运行成本。

在上述实施的基础上，所述系统还包括沉淀池1，所述沉淀池1与所述电解池4相连，所述沉淀池1用于对沼液进行预处理。

具体地，沼液进入沉淀池1中后，静置一段时间以使沼液中的残渣等杂质进行物理沉淀，经沉淀后的沼液再进入电解处理单元进行进一步处理。

本发明实施例通过设置沉淀池可以去除沼液中的残渣，便于沼液在后续处理单元中的流动和处理。

在上述实施例中，所述好氧区9表层种植有湿地植物14。

其中，人工湿地植物14可选取根系发达的芦苇，湿地植物14根部释氧性能可以进一步的提高好氧区9的含氧量，减少曝气装置11的能量损耗；另外湿地植物14对沼液中污染物的吸收作用可以进一步提高系统的污染物去除能力；湿地植物14根系还可以为更多微生物提供附着表面，进而可以进一步的提高系统的污染物去除能力。

本发明实施例通过在人工湿地处理单元的好氧区表层种植湿地植物，利用湿地植物的特性进一步提高了系统的污染物去除能力。

在上述实施例中，所述微生物电池阳极板7紧靠所述质子交换隔膜8下方布置，所述微生物电池阴极板10紧靠所述湿地植物根系14下方布置。

具体地，由于沼液在人工湿地处理单元中从下至上流动，为使所述微生物电池达到最大产电效率，分别将微生物燃料电池阳极板7设置在厌氧区6的顶端、微生物电池阴极板10设置在靠近湿地植物根系位置。

本发明实施例通过将微生物电池阴极板和微生物电池阳极板布置在特定位置，提高了人工湿地处理单元的产电效率。

在上述实施例中，所述厌氧区6采用生物碳或钢渣作为基质；所述好氧区9采用沸石、炉灰渣或蛭石作为基质。

其中，生物碳或钢渣等导电性好，有利于厌氧区6中电子快速高效的传递；沸石、炉灰渣或蛭石等比表面积和孔隙率较大，可以为微生物的生长提供更多附着表面。

在上述实施例中，所述电解池4的出水口的水平高度高于所述进水管道另一端的水平高度，所述电解池4中沼液利用虹吸效应流入所述人工湿地处理单元。

图2为本发明实施例提供的一种沼液处理方法流程图，如图2所示，所述方法包括：

S1，将沼液加入所述电解池4，沼液中的重金属离子在所述电解池阴极板2附近发生絮凝反应，并沉淀到所述电解池4底部。

S2，经所述电解处理单元处理后的沼液通过所述进水管道5进入所述人工湿地处理单元，在所述厌氧区6中，所述反硝化微生物对沼液中的硝态氮进行反硝化去除；经反硝化处理的沼液进入所述好氧区9，所述曝气装置11通过曝气管道从所述好氧区9底部进行强化曝气，所述硝化微生物对沼液中的氨氮进行硝化处理，将所述氨氮转化为硝态氮；同时，在所述人工湿地处理单元中形成的微生物电池，通过所述微生物电池阳极板7与所述电解池阳极板3电连接、所述微生物电池阴极板10与所述电解池阴极板2电连接形成电解回路15，向所述电解处理单元供电。

S3，出水池12接收由所述人工湿地处理单元排出的沼液，沼液通过所述回流管道13回流至所述电解池4中。

具体地，步骤S1具体为，将沼液加入电解池4中，电解池阳极板3和电解池阴极板2浸没在沼液中，电解池阴极板2附近因电解水产生大量的氢氧根离子，沼液中的重金属离子(铁、铬、锌、铜等)会聚集在电解池阴极板2处与氢氧根离子结合生成的氢氧化物，进而产生絮凝，沉淀到电解池4底部。

步骤S2具体为，经电解处理单元处理后的沼液经进水管道5进入人工湿地处理单元，沼液在厌氧区6中通过反硝化微生物的反硝化作用使得沼液中的硝态氮转化为氮气而去除，然后沼液在人工湿地处理单元中自下而上的流动进入好氧区9，曝气装置11通过曝气管道从好氧区9底部进行强化曝气，沼液在好氧区9中，通过硝化微生物的硝化作用使得沼液中的氨氮转化为硝态氮，这里产生的硝态氮将在后续处理中进入厌氧区6进行反硝化反应。通过人工湿地处理单元中厌氧区6和好氧区9对沼液的循环处理，可以使得沼液中的氨氮最终转化为氮气去除，提高了沼液中总氮的去除效率。

同时，沼液中污染物在微生物电池阴极板10处发生氧化反应，产生电子，沼液中污染物在微生物电池阳极板7处发生还原反应消耗电子，质子交换隔膜8的存在阻止了电子在厌氧区6和好氧区9之间的传递。又由于微生物电池阳极板7与电解池阳极板3之间电连接，微生物电池阴极板10与电解池阴极板2之间电连接，则在电解池阳极板3和电解池阴极板2之间形成电压差，以供电解处理单元对沼液中的水进行电解。整个过程实现了人工湿地处理单元向电解处理单元供电，从而降低了整个系统的运行成本，便于在农业生产中推广应用。

除此之外，沼液中还会含有大量的生物病原体，如大肠杆菌等，在沼液农田施用过程中会对农田和自然生态环境造成危害。微生物电池阴极板10附近在工作过程中会生成过氧化氢，从而可以实现对沼液中的生物病原体的杀菌去除。

步骤S3具体为，经人工湿地处理单元处理后的沼液通过出水口流出至出水池12中，出水池12中的部分沼液在经回流管道13回流至电解池4与电解池4中的沼液混合，其中出水池12中沼液的回流量可以根据实际情况确定，例如可以设置回流量为出水池12容量的50％。

本发明实施例提供了一种沼液处理方法，与现有技术相比本发明实施例的有益效果在于：

(1)通过在电解处理单元中电解池阴极板电解水生成的氢氧根离子，与沼液中重金属离子结合生成氢氧化物絮凝，沉淀在电解池底部，实现沼液中重金属的去除；

(2)通过人工湿地处理单元好氧区中硝化微生物的硝化作用将沼液中的氨氮转化为硝态氮，再通过厌氧区中反硝化微生物的反硝化作用将硝态氮转化为氮气去除，提高沼液中总氮的去除效率；

(3)通过人工湿地处理单元中形成的微生物电池向电解处理单元供电，实现了系统内的自供能，降低了运行成本。

在上述实施例中，所述方法在步骤S1之前还包括：

将沼液加入沉淀池1进行预处理。

沼液进入沉淀池1中后，静置一段时间以使沼液中的残渣等杂质进行物理沉淀，经沉淀后的沼液再进入电解处理单元进行进一步处理。

本发明实施例通过设置沉淀池可以去除沼液中的残渣，便于沼液在后续处理单元中的流动和处理。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。