碳汇型农村生活污水资源化装置及应用的制作方法

本发明属于农村生活污水资源化，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、为实现上述目的，本发明公开了如下的技术方案：

3、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：

4、（1）输入单元

5、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；

6、（2）生物固碳单元

7、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；

8、（3）物理净化单元

9、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；

10、（4）植物培育单元

11、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；

12、（5）光电能源单元

13、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

14、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；

15、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；

16、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；

17、软件体系包括：

18、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；

19、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；

20、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。

21、 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：

22、一、输入水质调控

23、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；

24、二、生物固碳单元污水净化

25、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：

26、（1）固碳材料的制备

27、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；

28、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；

29、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；

30、所述芽孢杆菌为cgmcc 1.9083枯草芽孢杆菌；

31、所述光合细菌为红假单胞菌，编码为accc 10650；

32、所述的小球藻为蛋白核小球藻，编码为fachb-1227或gy-d26；

33、所述的栅藻为斜生栅藻，编码为fachb-416或fachb-417。

34、所述菌藻混合制剂扩大化培养方法：

35、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；

36、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；

37、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；

38、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；

39、（2）生物固碳污水净化协同

40、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；

41、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；

42、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；

43、（3）副产物资源化利用

44、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：

45、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%；

46、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%；

47、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；

48、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%。

49、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；

50、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；

51、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。

52、三、物理净化单元

53、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；

54、四、培育单元

55、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。

56、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。

57、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：

58、（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。

59、（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。

60、（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。