一种处理含抗生素沼液的生物电强化组合装置

1.本实用新型涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种处理含抗生素沼液的生物电强化组合装置。


背景技术：

2.随着畜牧业的发展，滥用抗生素的现象越来越多，但兽用抗生素并不能完全被动物体所吸收，约30%～90%抗生素会随着畜禽粪便排泄出来。我国处理这类畜禽养殖废水的主流工艺是沼气厌氧发酵，沼气发酵是畜禽粪便减量化、无害化和资源化利用的重要途径，其产生的沼液含作物生长所需的氮、磷、钾、氨基酸、微量元素等营养物质，广泛用于农业生产上。但沼气发酵不能完全去除残留在畜禽粪便中的过量抗生素，将含有抗生素的沼液直接施用于农田会对环境造成一定的危害。
3.为此，人们研究出生物滤塔以去除沼液中的抗生素，生物滤塔是七十年代由国外引进的新型生化处理构筑物。它在普通生物滤池的基础上,吸取了化工洗涤塔的原理,向高空发展,做成竖向的塔体。塔体为内置填料的筒状结构，污水由循环水泵提升至滤塔顶部的布水器配水,在重力的作用下,废水自上至下流经填料并与附着在填料上的微生物充分接触反应。污水中的污染物在填料层的截留过滤和生物膜内微生物降解的双重作用下得以充分去除。此外，可以通过密闭和曝气的方式来给塔内微生物创造厌氧和好氧环境。
4.随着全球能源问题日益突出，传统的生物滤塔已不能满足节能的要求，研发低能耗、少污染的新处理技术迫在眉捷。微生物燃料电池(mfc)作为一种集污水净化和产电为一体的创新性污水处理与能源回收技术已成为近期人们研发的焦点，微生物燃料电池阳极处于厌氧环境中，使得厌氧呼吸细菌可以有效地降解有机物并产生两种物质（质子和电子），所产生的电子被阳极的微生物捕获并通过外部电路将电子转移至阴极，分隔材料pem(即质子交换膜)或电解液将质子直接传送至阴极，在阴极和电子受体发生还原反应，完成电池内部电荷的传递。但是mfc产电功率低，因此反应速率低，因而阻碍了其在水处理中的实际应用。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种处理含抗生素沼液的生物电强化组合装置以解决上述的至少一个技术问题。
6.为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供的一个技术方案如下：
7.一种处理含抗生素沼液的生物电强化组合装置，包括生物滤塔，所述生物滤塔内设置有过滤层和淹没层，所述过滤层位于所述淹没层上方，所述过滤层和淹没层之间设置有滴滤层，所述过滤层和所述淹没层内均填充有沼渣生物炭层；还包括电阻，所述过滤层内的沼渣生物炭层与电阻的一端电连接，所述淹没层内的沼渣生物炭层与电阻的另一端电连接；所述淹没层内还填充有fe0铁屑，所述fe0铁屑位于淹没层内的沼渣生物炭层下方。
8.优选的，所述过滤层为细砂形成的，所述细砂的下方固定有微孔过滤板，所述微孔
过滤板形成对细砂的支撑；所述淹没层为中砂形成的，所述中砂的下方固定有中孔过滤板，所述中孔过滤板形成对中砂的支撑；所述淹没层和所述微孔过滤板有间距，形成滴滤层。
9.优选的，所述中孔过滤板的下方设置有排水层，所述排水层为砾石形成的，所述砾石填充于所述生物滤塔内的底面；所述排水层与所述中孔过滤板之间有间距形成滴滤层；所述生物滤塔内的顶面与过滤层之间有间距形成溢流层，所述溢流层内固定有进水头，所述进水头连接有进水管，所述进水管延伸出所述生物滤塔外，所述生物滤塔的底部设置有排水管，所述排水管与所述排水层连通。
10.优选的，所述细砂的粒径范围为0.15~1.00mm；所述中砂粒径范围为0.25~0.5mm；所述砾石的粒径范围为0.5~1.00mm。
11.优选的，生物滤塔中由上至下形成溢流层、第一过滤层、沼渣生物炭层、第二过滤层、滴滤层、第一淹没层、沼渣生物炭层、第二淹没层、滴滤层、排水层，相对应比例关系为21:15:3:15:5:15:3:15:5:15；
12.所述铁屑的体积占比为淹没层总体积的5%。
13.优选的，所述微孔过滤板的微孔孔径与所述中孔过滤板的中孔孔径分别小于其所承托的填料粒径。
14.优选的，微孔过滤板的孔径小于细砂粒径，中孔过滤板的孔径小于中砂粒径。
15.优选的，所述生物滤塔的内径与两层沼渣生物炭距离的比值为8:3。
16.优选的，所述生物滤塔包括第一生物滤塔和第二生物滤塔，所述第一生物滤塔为厌氧生物滤塔，所述第二生物滤塔为好氧生物滤塔；所述厌氧生物滤塔进水管上安装有污水提升泵，所述厌氧生物滤塔的出水管与好氧生物滤塔的进水管连接；所述好氧生物滤塔上至少设置有两个排水管，其中一个排水管与厌氧生物滤塔的进水管通过连接管连接，连接位置位于污水提升泵和厌氧生物滤塔之间；好氧生物滤塔的进水管与所述连接管上均安装有回流泵，所述回流泵用于将相应的排水管排出的液体引流至对应的进水管中。
17.优选的，所述好氧生物滤塔的顶部设置有通风管，所述通风管与所述溢流层连通；所述好氧生物滤塔的排水层中设置有穿孔曝气管，所述穿孔曝气管连接有鼓风机。
18.本实用新型提供的处理含抗生素沼液的生物电强化组合装置，将生物滤塔的两层沼渣生物炭相连，生物滤塔中以过滤层为阴极、淹没层为阳极，构建以沼渣生物炭为两极的微生物燃料电池，使生物滤塔内部产生生物电强化作用，同时在阳极的下方添加fe0铁屑，提供电子受体，加速电子的释放，加快反应速率。
附图说明
19.图1示出了本技术提供的一种处理含抗生素沼液的生物电强化组合装置的局部剖面结构示意图之一；
20.图2示出了本技术提供的一种处理含抗生素沼液的生物电强化组合装置的局部剖面结构示意图之二；
21.附图中标记：
22.污水提升泵1、进水头2、进水管3、回流泵4、鼓风机5、排水管6、连接管7、溢流层8、过滤层9、沼渣生物炭层10、淹没层11、排水层12、fe0铁屑13、微孔过滤板14、中孔过滤板15、滴滤层16、电阻17、铜制导线18、穿孔曝气管19、通风管20、第一生物滤塔100、第二生物滤塔
100a。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
24.实施例1，请参阅图1，本技术实施例提供了一种处理含抗生素沼液的生物电强化组合装置，包括生物滤塔，所述生物滤塔内设置有过滤层9和淹没层11，所述过滤层位于所述淹没层上方，所述过滤层和淹没层之间设置有滴滤层16，所述过滤层和所述淹没层内均填充有沼渣生物炭层10；还包括电阻17，所述过滤层内的沼渣生物炭层与电阻的一端电连接，所述淹没层内的沼渣生物炭层与电阻的另一端电连接，本实施例中电连接可以使用铜制导线18连接；所述淹没层内还填充有fe0铁屑13，所述fe0铁屑13位于淹没层内的沼渣生物炭层下方；其中，所述过滤层为细砂形成的，所述细砂的下方固定有微孔过滤板14，所述微孔过滤板形成对细砂的支撑；所述淹没层为中砂形成的，所述中砂的下方固定有中孔过滤板15，所述中孔过滤板形成对中砂的支撑；所述淹没层和所述微孔过滤板有间距，形成滴滤层；所述中孔过滤板的下方设置有排水层12，所述排水层为砾石形成的，所述砾石填充于所述生物滤塔内的底面；所述排水层与所述中孔过滤板之间有间距形成滴滤层；所述生物滤塔内的顶面与过滤层之间有间距形成溢流层8，所述溢流层内固定有进水头2，进水头可以使用现有的喷头等进水结构，本实施例中优选使用丰字型进水头，以便于布水均匀；所述进水头连接有进水管3，所述进水管延伸出所述生物滤塔外，所述生物滤塔的底部设置有排水管6，所述排水管与所述排水层连通；本实施例中，所述细砂的粒径范围为0.15~1.00mm；所述中砂粒径范围为0.25~0.5mm，相应的，微孔过滤板的孔径小于0.15mm，中孔过滤板的孔径小于0.25mm；所述砾石的粒径范围为0.5~1.00mm；生物滤塔中由上至下形成溢流层、第一过滤层、沼渣生物炭层、第二过滤层、滴滤层、第一淹没层、沼渣生物炭层、第二淹没层、滴滤层、排水层，相对应各层高度比例关系为21:15:3:15:5:15:3:15:5:15；所述铁屑的体积占比为淹没层总体积的5%；制作时，所述生物滤塔的内径与两层沼渣生物炭距离的比值为8:3左右，生物滤塔的内径与总高度比例为1:3左右。
25.上述的处理含抗生素沼液的生物电强化组合装置在使用时，沼液经进水管进入后经进水头排至溢流层，然后经过滤层，部分无机物和有机物颗粒被细砂吸附过滤；过滤层中填放的沼渣生物炭具有较强的吸附作用，其巨大的比表面积可以为微生物提供良好的生长环境，有利于其降解抗生素等难降解物质，同时也可以通过离子交换等作用对有机物、nh
4+
、no
3-、po
43-等物质进行直接的吸附，之后的沼液通过微孔过滤板14滴滤到淹没层，再次被处理，在此过程中，过滤层为阴极、淹没层为阳极，构建以沼渣生物炭为两极的微生物燃料电池，使生物滤塔内部产生生物电强化作用，同时在阳极的下方添加fe0铁屑，提供电子受体，加速电子的释放，加快反应速率。
26.实施例2，实施例2是在实施例1的基础上做的进一步改进，参见图2，其生物滤塔包括第一生物滤塔100和第二生物滤塔100a，所述第一生物滤塔为厌氧生物滤塔，所述第二生物滤塔为好氧生物滤塔；所述厌氧生物滤塔进水管上安装有污水提升泵1，所述厌氧生物滤
塔的出水管与好氧生物滤塔的进水管连接；所述好氧生物滤塔上至少设置有两个排水管6，其中一个排水管与厌氧生物滤塔的进水管通过连接管7连接，连接位置位于污水提升泵和厌氧生物滤塔之间；好氧生物滤塔的进水管与所述连接管上均安装有回流泵4，所述回流泵用于将相应的排水管排出的液体引流至对应的进水管中。为了便于通风，所述好氧生物滤塔的顶部设置有通风管20，所述通风管与所述溢流层连通；所述好氧生物滤塔的排水层中设置有穿孔曝气管19，所述穿孔曝气管连接有鼓风机5。
27.该处理含抗生素沼液的生物电强化组合装置在使用时，启动污水提升泵和回流泵，沼液在达到厌氧生物滤塔溢流层8后进入到过滤层9，过滤层9由粒径较小的细砂填充而成，沼液流经时，部分无机物和有机物颗粒被填料吸附过滤，同时厌氧生物滤塔的厌氧环境可以使得兼氧菌和厌氧菌将淀粉、纤维、碳水化合物等有机物降解为有机酸，将大分子有机物转化为小分子有机物，更利于过滤层的微生物降解。过滤层9中填放的沼渣生物炭10具有较强的吸附作用，其巨大的比表面积可以为微生物提供良好的生长环境，有利于其降解抗生素等难降解物质，同时也可以通过离子交换等作用对有机物、nh
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、no
3-、po
43-等物质进行直接的吸附。之后的沼液通过微孔过滤板14滴滤到淹没层，在厌氧微生物的作用下抗生素等难降解有机物进一步被降解，同时发生反硝化反应，氨氮硝氮等被去除，提升了装置整体的脱氮效能，最后，沼液通过中孔过滤板15滴滤到排水层12。
28.沼液经厌氧生物滤塔排出后，回流到好氧生物滤塔溢流层8的沼液进入到好氧环境，由于通风管20的存在，过滤层9与空气接触，形成非饱和好氧环境，未降解完全的大分子有机物、氨氮等，将在过滤层9、沼渣活性炭层10、淹没层11被进一步降解，沼液在滴滤到下方排水层后，由于距离穿孔曝气管19较近，溶解氧含量较充足，且砾石填料为微生物提供较大的比表面积，此时抗生素等难降解的非常规污染物更容易被去除，最后排水层的沼液将通过底层两侧的排水管6，一部分通过回流泵4回流至厌氧生物滤塔溢流层8，另一部分直接排出。
29.本实施例中，两个生物滤塔中的沼渣生物炭10作为微生物燃料电池的两极也具有刺激微生物活性的作用。沼液在流过生物滤塔过滤层9和淹没层11时受到生物燃料电池阴阳两极的电极刺激，微生物活性大大增加，在生物电强化的作用下，污染物的降解速率和效率进一步加强；生物滤塔中的淹没层中fe0铁屑作为电极材料填充物，可以作为电子供体，可提供fe
2+
，提高电子的产生和利用率，提高反应速率。
30.作为一种使用方式，结合图2所示，沼液仅从装置中厌氧生物滤塔进入，进入时进水管垂直穿过密封罐7与丰字型进水头2相连，达到均匀布水的目的，从厌氧生物滤池排水层排出的沼液将通过回流泵4回流至好氧生物滤塔的溢流层8，回流进水管垂直穿过密封罐7与丰字型进水头2相连，流经好氧生物滤塔的沼液在排水层12排出，一部分经回流泵回流，回流管与进水管3相连，另一部分排出，如此循环往复，循环过程中，进水流量与好氧生物滤塔进水流量比例为1:1，两塔回流量比例为1:1。
31.综合上述，本实施例与现有的众多沼液处理装置相比，具有以下有益效果：
32.1.在本发明中，经预处理的沼液将通过进水管和丰字型布水头均匀流入到厌氧生物滤塔的溢流层。此时，沼液在厌氧生物滤塔中自上而下流动，流出厌氧生物滤塔的沼液将通过回流泵进入到好氧生物滤塔，再从好氧生物滤塔的排水层排出，一部分再次回流到厌氧生物滤塔，另一部分直接排除。沼液在进入厌氧生物滤塔时经过溢流层，首先到达过滤
层，由于整个厌氧生物滤塔密封，此时的过滤层为厌氧状态，在兼性菌的协助下，厌氧菌会将淀粉、纤维、碳水化合物等有机物降解为有机酸，将大分子有机物转化为小分子有机物，同时过滤层的填料可以将沼液中的无机物和有机物进行有效的过滤。过滤层下方设置的微孔过滤板对填料其承托作用的同时可以使流经的沼液均匀地滴滤到下方淹没层。当沼液流入到淹没层时厌氧反应将继续发生，由于淹没层中填料的粒径大于过滤层，因此，填料较大的比表面积将为微生物提供良好的生长环境，强化了其对污染物的去除能力。当沼液流经此处时，发生反硝化反应，强化滞留池脱氮效果。最终，沼液通过中孔过滤板，以滴滤的方式进入排水层，最终排出。
33.2.在本发明中，经处理后的沼液从厌氧生物滤塔的排水层流出，通过回流泵打入到好氧生物滤塔的溢流层，此时的沼液进入到好氧反应区，由于溢流层通风管的设施，使得过滤层处于非饱和的好氧状态，流经过滤层的沼液，氨氮转变为亚硝氮和硝氮，除此之外，通风管也可以保证装置内部整体气压与外界的平衡，防止爆炸等意外发生。此后沼液依次经过沼渣生物炭层、过滤层、沼渣生物炭层会对有机物和抗生素等非常规污染物进行进一步去除，在微孔过滤板的作用下均匀滴滤到下方淹没层，由于淹没层中填料的粒径大于过滤层，因此，填料较大的比表面积将为微生物提供良好的生长环境，强化了其对污染物的去除能力。同时，由于穿孔曝气管的作用，淹没层和排水层整体处于好氧环境，当沼液流入到淹没层和排水层时，微生物可以最大程度地强化微生物对有机物的降解作用。经处理后的沼液一部分直接排除，另一部分通过回流泵再进入厌氧生物滤塔溢流层，如此循环往复。
34.3. 在本发明中，填料所用的沼渣生物炭为畜禽粪污厌氧发酵后固液分离后热解制备而成，沼渣生物炭巨大的比表面积可以提供更多的吸附点位，当沼液流经时沼渣活性炭可以通过离子交换作用对nh
4+
、no
3-、po
43-等进行吸附，进一步强化处理，同时，对沼渣的利用充分体现了对畜禽粪污资源化的实施。
35.4.在本发明中，通过导线将生物滤塔的两层沼渣生物炭相连，厌氧生物滤塔和好氧生物滤塔中以过滤层为阴极、淹没层为阳极，构建以沼渣生物炭为两极的微生物燃料电池，使两塔内部产生生物电强化作用，同时在阳极的下方添加零价铁屑，提供电子受体，加速电子的释放加快反应速率。
36.应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。
37.应当容易地理解，应当按照最宽的方式解释本公开中的“在
……
上”、“在
……
以上”和“在
……
之上”，以使得“在
……
上”不仅意味着“直接处于某物上”，还包括“在某物上”且其间具有中间特征或层的含义，并且“在
……
以上”或者“在
……
之上”不仅包括“在某物以上”或“之上”的含义，还可以包括“在某物以上”或“之上”且其间没有中间特征或层（即，直接处于某物上）的含义。
38.此外，文中为了便于说明可以使用空间相对术语，例如，“下面”、“以下”、“下方”、“以上”、“上方”等，以描述一个元件或特征相对于其他元件或特征的如图所示的关系。空间相对术语意在包含除了附图所示的取向之外的处于使用或操作中的器件的不同取向。装置
可以具有其他取向（旋转90度或者处于其他取向上），并且文中使用的空间相对描述词可以同样被相应地解释。
39.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
40.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。