一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置和沼液处理方法与流程

本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置和沼液处理方法。

背景技术

随着经济发展和生活水平的提高，人们对畜禽肉类及其副产品的需求与日俱增，由此加速了大规模集约化畜禽养殖业的发展，导致产生大量畜禽粪污。畜禽养殖业污染已成为继工业污染和生活污染之后的第三大污染源。畜禽粪污含有高浓度有机物和氮、磷营养物，直接排放或处理不充分可导致环境水体富营养化。同时，在畜禽饲养过程中普遍使用抗生素防治畜禽疾病和促进畜禽生长，且多数随畜禽粪便排出，导致畜禽粪污中含有大量抗生素，进入环境可导致直接的生态系统损害，并可产生抗性基因，威胁人类健康。

目前，广泛采用厌氧发酵产沼气处理畜禽粪污，由此产生大量低c/n沼液，不利于后续生物脱氮，且厌氧发酵无法有效去除抗生素，直接用作有机肥可导致环境污染。

藻作为生长速度最快的太阳能利用生物体，是最具应用前景的生物质能源和多功能产品之一。利用水中氮、磷产藻用于生产高附加值藻产品是畜禽沼液资源化的有效途径。同时，藻可通过自身代谢和与细菌协同去除水中多种污染物。藻生物量的增长主要依赖于藻的光合代谢。理论上，增大光强可增强藻光合代谢。然而，由于强光下藻细胞光合作用的核心单元—光系统ⅱ下游反应动力学限制导致光电子积累，使光系统ⅱ的初级电子受体质体醌多数以还原态存在，无法再接受光电子，限制了强光下藻的光合代谢速率。因此，克服光抑制，突破藻光合代谢能力上限，是强化藻菌协同处理沼液中氮等营养物和抗生素、同步高效产藻的关键。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置和沼液处理方法。该装置和方法可以强化去除沼液中抗生素、氮等营养物，并高效产藻。

其具体技术方案如下：

本发明提供了一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置，包括：反应室、阴极、阳极、隔膜、第一太阳能光电极板、第二太阳能光电极板、第一继电开关控制器、第二继电开关控制器、电阻器、储能元件和流体管道；

所述隔膜设置在所述反应室内，将所述反应室分隔为左右分布的阳极室和阴极室；

所述阳极设置在所述阳极室内，且所述阳极表面附着藻菌电活性生物膜；

所述阴极设置在所述阴极室内，且所述阴极表面附着藻菌生物膜的阴极；

所述第一太阳能光电极板与所述第一继电开关控制器和所述电阻器串联形成回路；

所述电阻器的两端分别与所述阴极和所述阳极连接，且所述储能元件并联在所述电阻器的两端，所述第二继电开关控制器串联在所述储能元件与所述电阻器之间；

所述第二太阳能光电极板并联在所述储能元件两端；

所述流体管道与所述阳极室与所述阴极室联通；

所述阳极室设置有进水口，所述阴极室设置有出水口。

优选地，所述电阻器与所述第一太阳能光电极板之间还连接有稳压二极管。

优选地，还包括：信号采集器；

所述信号采集器的两端分别与所述阳极和所述阴极连接。

优选地，所述阳极和所述阴极均为导电碳材料块。

优选地，还包括：设置在所述阳极室内的耐腐蚀导电金属电子收集体与所述导电碳材料块连接。

优选地，所述隔膜为纳滤膜或超滤膜。

优选地，还包括：气体管道；

所述气体管道与所述阳极室与所述阴极室连通。

优选地，所述储能元件为超级电容。

优选地，所述流体管道为单向止逆阀管道。

本发明还提供了一种上述太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置处理养殖沼液的方法，包括以下步骤：

步骤1：将养殖沼液从进水口进入阳极室经过阳极处理，得到阳极处理液；

步骤2：将所述阳极处理液通过液体管道进入阴极室，经阴极处理后得到处理后的养殖沼液。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置中，白天，第一太阳能光电极板接收太阳光，将太阳能转换为电能，为阳极与阴极之间施加电场，促进阳极提取藻的光合电子和细菌的呼吸电子，改变藻菌代谢途径，使藻菌以阳极为电子受体进行生长，以此强化藻的光合代谢和细菌的呼吸代谢及在阳极表面的覆膜生长，实现强化获取藻生物量的同时强化藻菌去除沼液中有机物、氨氮和抗生素。阳极处理液通过流体管道进入阴极室，同时，阴极藻菌通过细胞代谢吸收、好/厌氧氧化、硝化和反硝化等多途径去除上一周期阳极处理液中残留的有机物、氨氮、硝酸盐/亚硝酸盐(氨氮硝化产物)和抗生素。同时，第二太阳能光电极板为储能元件充电。夜晚，储能元件放电，替代白天的第一太阳能光电极板为阳极与阴极之间施加电场，从而强化驱动阳极提取藻菌的呼吸电子，促进夜晚藻菌的呼吸代谢和覆膜生长，以强化阳极藻菌夜晚呼吸代谢去除沼液污染物。同时，阴极藻菌通过细胞摄取、自养反硝化、厌氧反硝化和阴极还原等途径去除上一周期阳极处理液中残留的有机物、抗生素、氨氮、硝酸盐/亚硝酸盐和重金属。该装置原位利用太阳光能与生物能，可在能量自持条件下强化藻菌深度处理沼液并强化获取藻生物量。实验结果表明，该装置的cod去除率为95.6％，氨氮去除率为98.8％，土霉素去除率为84％；硝酸盐氮和亚硝酸盐氮均低于5mg/l，运行120小时后，平均藻产量提高了38％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置的阳极和阴极电势；

图3为本发明实施例提供的太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置阳极室去除有机物和氨氮性能；

图4本发明实施例提供的太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置阳极室去除土霉素的性能；

图5为本发明实施例提供的太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置协同阳极藻生长规律；

图6为本发明实施例提供的太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置藻菌阴极对阳极出水进一步处理效果；

其中，附图标记如下：

1、隔膜；2、阳极；3、阴极；4、进水口；5、出水口；6、流体管道；7、气体管道；8、第一继电开关控制器；9、第二继电开关控制器；10、第一太阳能光电极板；11、第二太阳光电极板；12、稳压二极管；13、电阻器；14、储能元件；15、信号采集器；16、耐腐蚀导电金属电子收集体。

具体实施方式

本发明的目的在于提供了一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置和沼液处理方法。该装置和方法可以强化去除沼液中抗生素、氮和磷，并高效产藻。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置的结构示意图。

本发明提供的一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置的包括：反应室、阴极3、阳极2、隔膜1、第一太阳能光电极板10、第二太阳能光电极板11、第一继电开关控制器8、第二继电开关控制器9、储能元件14和流体管道6。

隔膜1设置在反应室内，将反应室分隔为左右分布的阳极室和阴极室。

本发明实施例中，隔膜1为纳米或微米级孔径隔膜。

阳极室和阴极室的体积可根据实际应用进行调整，此处不做具体限定，本发明实施例中，阴极室和阳极室体积相同。

阳极室和阴极室优选为薄层长方体构型，本发明实施例中，阳极室和阴极室都为长×宽×高为8cm×8cm×4cm的长方体。

阳极室和阴极室由强透光、耐腐蚀和绝缘的材料制成。

本发明实施例中，阳极室和阴极室透明，阳极室密封，产生气体导入阴极室。阴极室为开放式，与大气连通。

本发明实施例中，阳极2表面和阴极3表面镀有导电聚合物-过渡金属介体层。

阳极2设置在阳极室内，且阳极2表面附着藻菌电活性生物膜。

阴极3设置在阴极室内，且阴极3表面附着藻菌生物膜。

阳极2和阴极3藻菌都能够降解沼液中有机污染物、脱氮和去除抗生素和重金属。

在本发明实施例中，阳极2表面附着的藻菌电活性生物膜和阴极3表面附着的藻菌生物膜通过以下方法驯化得到的：

在阳极室内加入待处理的养殖沼液，阴极3第一个周期加入与阳极2相同的待处理的养殖沼液，第二个周期则加入经过阳极2去除有机物之后的沼液，同时在阳极2和阴极3接种光合绿藻，之后阳极2密封，阴极3开放，并对阳极2和阴极3实施光照。将阳极2和阴极3分别接入参比电极，并连接电阻器13和第一太阳能光电极板10和第二太阳能光电极板11及储能元件14。在交替光/暗条件下启动和运行反应装置。监控阳极2电势和阴极3电势，判断电子提取和传递情况。

可以利用信号采集器15监控阳极2电势和阴极3电势。

阳极室设置有进水口4，阴极室设置有出水口5。

本发明实施例中，进水口4设置在阳极室侧上方，出水口5设置在阴极室侧下方。

第一太阳能光电极板10与第一继电开关控制器8和电阻器13串联形成回路。

本发明实施例中，电阻器13为可调电阻器，用于调节通过阴极3、阳极2的电子传递阻力。

电阻器13的两端分别与阴极3和阳极2连接，且储能元件14并联在电阻器13的两端，第二继电开关控制器9串联在储能元件14与电阻器13之间。

第二太阳能光电极板11并联在储能元件14两端。

流体管道6与阳极室与阴极室联通。

具体地，白天，第一继电开关控制器8闭合，第一太阳能光电极板10接收太阳光，将太阳能转换为电能，为阳极2与阴极3之间施加电场，促进阳极2提取藻的光合电子和细菌的呼吸电子，改变藻菌代谢途径，使藻菌以阳极2为电子受体进行生长，以此强化藻的光合代谢和细菌的呼吸代谢及在阳极2表面的覆膜生长，实现强化获取藻生物量的同时强化藻菌去除沼液中有机物、氨氮和抗生素。阳极2处理液通过流体管道6进入阴极室，同时，阴极3藻菌通过细胞代谢吸收、好/厌氧氧化、硝化和反硝化等多途径去除上一周期阳极2处理液中残留的有机物、氨氮、硝酸盐/亚硝酸盐(氨氮硝化产物)和抗生素。同时，第二继电开关控制器9打开，第二太阳能光电极板11为储能元件14充电。夜晚，第二继电开关控制器9闭合，储能元件14放电，替代白天的第一太阳能光电极板10为阳极2与阴极3之间施加电场，从而强化驱动阳极2提取藻菌的呼吸电子，促进夜晚藻菌的呼吸代谢和覆膜生长，以强化阳极2藻菌夜晚呼吸代谢去除沼液污染物。阴极3藻菌通过细胞摄取、自养反硝化、厌氧反硝化和阴极3还原等途径去除上一周期阳极2处理液中残留的有机物、抗生素、氨氮、硝酸盐/亚硝酸盐和重金属。

运行过程中可根据太阳光照强度来匹配不同太阳能转换效率的光电极板和不同电容大小的储能元件14，为阴极3和阳极2施加最佳电场，实现阳极2藻菌的代谢与覆膜速率及污染物的去除速率的最大化。

流体管道6设置在反应室的底端。

运行时，养殖沼液从进水口4注入，沼液经阳极室反应后，在重力作用下从流体管道6流入阴极室，在阴极室反应完后，从出水口5排出。

以上是对本发明提供的一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置的一个实施例进行详细地说明，以下将对本发明提供的一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置的另一个实施例进行详细地说明。

本发明提供的一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置中，电阻器13与第一太阳能光电极板10之间还连接有稳压二极管12。

稳压二极管12可以在阳极2和阴极3之间施加稳态电场，因为太阳光电场大小会随着太阳光强弱变化也发生变化，额外连接一个稳压二极管12可以确保施加电场的稳定性，更有效的维持电场强化藻光合电子提取的效率，以加速藻光合代谢克服藻光抑制和加速细菌呼吸代谢。

进一步地，太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置还包括：信号采集器15，信号采集器15的两端分别与阳极2和阴极3连接。

运行过程中，阴极3、阳极2两端分别通过漆包导线与信号采集器15连接，实时显示阴极3、阳极2两端电压(或电流)值。

进一步地，阳极2和阴极3均为导电碳材料块。

导电碳材料块可以为导电碳毡或导电石墨板，优选为导电碳毡。

进一步地，太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置还包括：设置在阳极室内的耐腐蚀导电金属电子收集体16。

本发明实施列中，耐腐蚀导电金属电子收集体16为插销式耐腐蚀导电金属电子收集体16。

耐腐蚀导电金属电子收集体16可以获得小的接触电阻，耐腐蚀导电金属电子收集体16与导电碳材料块，用于强化收集单个导电碳材料块捕获的电子。

阳极室内的耐腐蚀导电金属电子收集体16用来收集来自藻的光合电子和藻菌的呼吸电子，阴极室内的耐腐蚀导电金属电子收集体16用来收集来自阳极的电子。

耐腐蚀导电金属电子收集体16的每根分支上连接有独立的导电碳材料块，便于拔插和替换。

进一步地，隔膜1为纳滤膜或超滤膜，优选为超滤膜。

进一步地，太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置还包括：气体管道7。

气体管道7与阳极室与阴极室连通。

需要说明的是，阳极室产生的co2是温室气体，排放到空气中会导致温室效应。将阳极产生的co2通过气体管7道导入阴极作为无极碳源，可以废物利用。除此之外，还可以利用空气中的co2被动扩散进入阴极溶液中作为碳源。也可以通过人工曝气提供co2，但这种方法需要消耗额外能量，增加运行费用。

气体管道7为单向止逆阀管道，使得阳极室中的气体只通向阴极室。

气体管道7设置在反应室的顶端。

本发明实施例中，气体管道为单向止逆阀管道，使得阳极室产生的co2只通向阴极室。

进一步地，储能元件14为超级电容。

进一步地，流体管道6为单向止逆阀管道，使得阳极室中和流体只通向阴极室。

以上是对本发明提供的一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置的一个实施例进行详细地说明，以下将对本发明提供的一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置处理养殖沼液的方法进行详细地说明。

步骤1：将养殖沼液从进水口4进入阳极室经过阳极2处理，得到阳极2处理液；

步骤2：将阳极2处理液通过液体管道进入阴极室，经阴极3处理后得到处理后的养殖沼液。

步骤1具体为：白天，第一继电开关控制器8闭合，第一太阳能光电极板10接收太阳光，将太阳能转换为电能，为阳极2与阴极3之间施加电场，促进阳极2提取藻的光合电子和细菌的呼吸电子，改变藻菌代谢途径，使藻菌以阳极2为电子受体进行生长，以此强化藻的光合代谢和细菌的呼吸代谢及在阳极2表面的覆膜生长，实现强化获取藻生物量的同时强化藻菌去除沼液中有机物、氨氮和抗生素。

步骤2具体为：阳极2处理液和气体分别通过流体管道6和气体管道7进入阴极室，阴极3藻菌通过细胞代谢吸收、好/厌氧氧化、硝化和反硝化等多途径去除上一周期阳极2处理液中残留的有机物、氨氮、硝酸盐/亚硝酸盐(氨氮硝化产物)和抗生素。同时，第二继电开关控制器9打开，第二太阳能光电极板11为储能元件14充电。夜晚，第二继电开关控制器9闭合，储能元件14放电，替代白天的第一太阳能光电极板10为阳极2与阴极3之间施加电场，从而强化驱动阳极2提取藻菌的呼吸电子，促进夜晚藻菌的呼吸代谢和覆膜生长，以强化阳极2藻菌夜晚呼吸代谢去除沼液污染物。同时，阴极3藻菌通过细胞摄取、自养反硝化、厌氧反硝化和阴极3还原等途径去除上一周期阳极2处理液中残留的有机物、抗生素、氨氮、硝酸盐/亚硝酸盐和重金属。

步骤2之后还包括：监控阳极2有机物去除率。

当有机物去除率达到90％以上时，将去除有机物的阳极液注入阴极室，作进一步处理，而阳极室则注入新的沼液，开始新的周期。

本发明实施例中，养殖沼液中氨氮浓度为300～2000mg/l，养殖沼液中溶解性有机物浓度为300～5000mgcod/l，抗生素浓度为10mg/l～50mg/l。

太阳光的光照强度为2500lux～5000lux，更优选为3500lux。本发明实施例中，养殖沼液以批式方式从进水口4进入到阳极室。

以上是对本发明提供的一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置处理养殖沼液的方法的一个实施例进行详细地说明，以下将对本发明提供的一种太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置的应用例进行详细地说明。

装置阴极3、阳极2均为体积为256ml的长方体(8cm×8cm×4cm)，材料均为透光性好的有机玻璃板，阴极3、阳极2通过超滤膜(截留分子量1k)分开，阳极2密封，阴极3开放于大气连通。

(1)阳极2藻菌电活性生物膜和阴极3藻菌生物膜的启动与运行：在阳极2加入模拟养殖沼液(有机物浓度：500mgcod/l，氨氮浓度：500mg/l，土霉素：10mg/l)，并接种小球藻(按阳极2体积的20％接种)。阴极3第一个周期加入与阳极2一样的沼液原液(第二个周期开始加入阳极2处理后的沼液)，同时接种小球藻(按阴极3体积的20％接种)。阳极2密封，阴极3开放，并在阴阳极2同时采用人工光源(全光谱光源模拟太阳光，强度3500lux)进行间接光照(暗/光周期为：12h/12h)。在外接500欧姆电阻、额定电压为1.2v的太阳光电极板和容量为3.3f的超级电容器的条件下运行。

(2)监控阴极3、阳极2电势，同时监测阳极2有机物、氨氮的去除率和监测阴极3氨氮、硝酸盐/亚硝酸盐的去除率。待阳极2电势逐渐升高到可重复的稳定值，及阳极2的cod去除完全后，将处理后的阳极液注入阴极室，而阳极室重新加入新的沼液。如此重复运行，待观察到连续三个周期以上可重复稳定的阴、阳极2电势变化和稳定的cod和氨氮及硝酸盐/亚硝酸盐去除率后，启动过程完成。之后仍按照上述程序运行。设置固定采样时间间隔连续监测阳极2有机物、氨氮和土霉素的去除率，同时监测阴极3氨氮、硝酸盐/亚硝酸盐的去除率。

如图2所示，利用白天太阳能光电极板为电容充电，再在夜晚利用光电极板放电用于强化夜晚系统阴阳极2的生物电化学过程。与夜晚未施加电场的装置相比，施加电场显著提升了本发明太阳能光电场协同藻菌代谢的养殖沼液处理装置的阳极2电势和降低了阴极3电势，强化夜晚阳极2提取藻菌呼吸电子以强化藻菌呼吸代谢，并同时强化阴极3还原硝酸盐。

如图3、图4和图6所示，与未施加电场的对照组相比，本发明实施例养殖处理装置周期末阴极3最终出水cod去除率为95.6％，阳极2出水经过阴极3进一步深度处理后，氨氮去除率为98.8％，土霉素去除率为84％；硝酸盐氮和亚硝酸盐氮均低于5mg/l。

如图5所示，通过昼夜施加电场，白昼强化藻光合代谢，夜晚强化藻呼吸代谢，从而全天候强化了藻生长。与未施加电场相比，运行120小时后，平均藻产量提高了38％。

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。