含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法

技术领域

本发明涉及养猪废水处理，尤其是涉及一种含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法。

背景技术

作为最大的农业国之一，中国畜禽养殖规模不断提高，同时产生了大量畜禽粪污。根据《中国统计年鉴》，我国2011～2018年生猪养殖年产量达6～7亿头，尽管近几年我国生猪养殖规模略有下降，但养殖规模依旧庞大，据统计2019年我国生猪出栏量达5亿多头，同时粪污排放量约38亿吨，这些粪便如果不妥善处理、随意排放，将造成空气、水体和土壤的污染。

我国每年抗生素产量约为21万吨，其中9.7万吨被用于畜牧养殖业，其中约60～90％以其本身或初级代谢物形式排出，因此畜禽粪污中含有大量的抗生素。畜禽粪污未经有效处理，其中的抗生素将残留在土壤和水体中，并通过生物链进入人体免疫系统，进而威胁人类安全，因此有必要严格控制含抗生素废水的处理及排放。

兽用抗生素主要分为四环素类、大环内酯类、磺胺类、喹诺酮类和β-内酰胺类五大类抗生素。在猪粪中检测到的抗生素中四环素类抗生素含量达99％。四环素类抗生素中应用最多的是土霉素，其检出浓度高达1234.8mg/kg。因此有必要以土霉素为对象，提出一种高效去除抗生素的途径。

厌氧发酵是复合菌群在厌氧条件下通过新陈代谢将大分子有机物转化为小分子甲烷和二氧化碳。抗生素本身是复杂大分子有机物，因此厌氧发酵存在有效降解抗生素的潜力。目前我国的厌氧技术已经非常成熟，近几年各个地区大力发展沼气工程，成为目前处理畜禽废水的有效方法之一，应用较多的有升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、搅拌式厌氧反应器(CSTR)、膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)等；根据反应温度可分为中温厌氧发酵和高温厌氧发酵；根据废弃物含固率可分为干式厌氧发酵和湿式厌氧发酵。

微藻是一类单细胞光合自养生物，其光合作用效率高、环境适应力强、生长速度快。畜禽粪污经厌氧发酵后的沼液富含大量的氮、磷等营养物质，可以作为微藻生长的营养物质，因此利用沼液作为营养源培养微藻，不仅去除废水中氮和磷污染物，而且可以获得微藻生物质副产品。目前很多研究实验均表明低浓度抗生素对微藻的光合作用和生长影响很弱，且微藻能够有效去除废水中抗生素污染物。微藻去除抗生素的主要机制有生物表面吸附、生物降解、生物积累和光降解。微藻可以作为去除抗生素的有效吸附剂，主要依靠微藻细胞表面的官能团和聚合物。生物积累是指抗生素可穿过微藻细胞膜，进而被微藻细胞吸收。生物降解描述了细胞内外的微藻降解抗生素过程，抗生素先被吸附到微藻细胞表面，再缓慢移动到细胞壁上，最后被酶降解。在无微藻条件和直接光照条件下，可以直接光降解去除某些抗生素，微藻可以通过间接光降解来增强抗生素的去除。

因此通过厌氧发酵技术和微藻净化技术相结合能够有效处理养猪废水中的抗生素，大幅降低废水中氮、磷、化学需氧量COD等污染物含量，并获得具利用价值的微藻生物质产品。

发明内容

本发明旨在提供一种含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法，其特征在于:该方法包括如下步骤：

第一步：在厌氧发酵罐内填充厌氧污泥，将含抗生素养猪废水经沉降池沉降后通入在厌氧发酵罐；

第二步：对厌氧发酵罐内的厌氧污泥进行驯化，驯化过程中废水COD或悬浮物含量过高时，采用发酵出水回流法或稀释法调节，使发酵废水COD、悬浮物含量分别低于4000mg/L和2000mg/L；

第三步：驯化阶段完成后进入稳定厌氧发酵阶段，去除废水中的氮、磷、COD和抗生素污染物；厌氧发酵过程产生的沼气可进行燃烧供热或提纯并网；沼气提纯及燃烧获得的含CO

第四步：稳定厌氧发酵完成后，将厌氧发酵罐内的发酵沼液排出至缓冲池，再通入微藻光生物反应器进行微藻培养处理，微藻藻种选择经前期驯化好的藻种，将废水浓度按10～20％、40～50％和70～80％比例进行稀释后，依次对微藻进行驯化培养，微藻培养处理过程中通入含CO

第五步：微藻培养处理完成后，收集微藻，将处理后的废水排出。

本发明利用厌氧发酵与微藻净化两级生物处理方法，实现废水中抗生素、氮、磷和COD等污染物有效去除。同时获得微藻生物质产品，具有处理成本低、资源化利用前景好的优点。厌氧发酵是复合菌群在厌氧条件下通过新陈代谢将大分子有机物转化为小分子甲烷和二氧化碳。抗生素本身是复杂大分子有机物，因此厌氧发酵存在有效降解抗生素的潜力。微藻去除抗生素的主要机制有生物表面吸附、生物积累、生物降解和光降解。微藻可以作为去除抗生素的有效吸附剂，主要依靠微藻细胞表面的官能团和聚合物。生物积累是指抗生素可穿过微藻细胞膜，进而被微藻细胞吸收。生物降解描述了细胞内外的微藻降解抗生素过程，抗生素先被吸附到微藻细胞表面，再缓慢移动到细胞壁上，最后被酶降解。在无微藻条件和直接光照条件下，可以直接光降解去除某些抗生素，微藻可以通过间接光降解来增强抗生素的去除。

根据本发明所述的含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法的优选方案，所述厌氧发酵罐采用升流式厌氧污泥床反应器或搅拌式厌氧反应器，所述升流式厌氧污泥床反应器包括反应器主体、进水口、取样口、保温层、出水口、出气口、排压口、排泥口、三相分离器和密封盖；进水口为含抗生素养猪废水入口，含抗生素养猪废水通过进水口进入反应器主体；保温层设置在反应器主体外部，用于保证反应器主体内部处于一定的温度范围，使发酵过程稳定有效运行；排压口设置在反应器主体顶部，用于避免反应器内部气体压力过大导致废水进入出气口等问题；排泥口设置在反应器主体的底部，为厌氧污泥排出口；三相分离器设置在反应器主体的上部，用于对发酵沼液和厌氧发酵过程产生的沼气进行分离，沼气通过出气口排出，发酵沼液通过出水口排出。

根据本发明所述的含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法的优选方案，所述厌氧发酵罐采用搅拌式厌氧反应器；所述搅拌式厌氧反应器包括反应器主体二、进水口二、出气口二、搅拌器二、出水口二和保温层二；进水口二为含抗生素养猪废水入口，含抗生素养猪废水通过进水口二进入反应器主体二；保温层二设置在反应器主体二外部，用于保证反应器主体二内部处于一定的温度范围，使发酵过程稳定有效运行；出气口二为厌氧发酵过程产生的沼气的排出口，出水口二为发酵沼液排出口；搅拌器二设置在反应器主体二内，用于对反应器主体二内对反应物进行搅拌，使废水和污泥充分混合。

根据本发明所述的含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法的优选方案，所述微藻光生物反应器为跑道池光生物反应器，所述跑道池光生物反应器包括跑道池主体，该跑道池主体为环形跑道池，所述跑道池主体内设有挡板，所述挡板将跑道池主体分隔为左、右循环跑道；所述跑道池主体的壁面设有进水口一和出水口一；所述跑道池主体内设置有浆轮一，该浆轮一依靠电动机驱动，为跑道池内流体流动提供动力；在跑道池主体底部设有曝气器一，曝气器一底部设置进气口一，在跑道池主体的底部还铺设有控温单元，控温单元由回流管道构成，由水泵控制回流管道内换热水流动，与跑道池内的液体构成逆流换热形式；所述跑道池主体的顶部设有补光单元，补光单元采用透明材料制成，使太阳光照射进跑道池主体。

根据本发明所述的含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法的优选方案，所述微藻光生物反应器为平板式光生物反应器。

根据本发明所述的含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法的优选方案，所述补光单元的大小与跑道池主体大小一致，侧壁采用可拆卸式壁面，当环境温度低于设定值时，采取封闭侧壁面减少热量排放，当跑道池反应器内湿度过高，上壁面出现水凝结影响光照时，打开侧壁面及时通风处理；补光单元内安装有LED补光灯和光强传感器，补光单元顶部设置有遮阳帘，所述遮阳帘用于对太阳光的进光量进行调节，LED补光灯在光照强度弱时进行补光。

根据本发明所述的含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法的优选方案，在跑道池主体内还设有流速传感器，所述流速传感器输出信号控制电动机工作。

本发明所述的含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法的有益效果是：

1、本发明所采用的多级微生物处理方法同其他方法相比，厌氧发酵技术和微藻净化技术两级处理不仅能够降解抗生素，同时能够大幅度降低废水中的氮、磷、COD等污染物。

2、本发明所采用的技术成本低廉，厌氧发酵过程产生的沼气可进行燃烧供热或提纯并网。沼气燃烧供热可提高发酵过程中厌氧污泥对污染物的降解效果，沼气提纯及燃烧获得的含CO

3、本发明所采用的微藻技术，每立方沼液可获得1～3kg微藻干基生物质，微藻生物质作为第三代生物质能源，可作为化工原料、生物燃料等高附加值产品。同时微藻通过光合作用能够有效固定二氧化碳，缓解温室效应。

本发明可广泛应用在养殖、环保等领域。

附图说明

图1为本发明含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法流程图。

图2为实施例1结构示意图。

图3为跑道池光生物反应器的结构示意图。

图4为实施例2结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的说明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围，对本发明作各种改动和修改的等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

参见图1，一种含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法，该方法包括如下步骤：

第一步：在厌氧发酵罐内填充厌氧污泥，将含抗生素养猪废水经沉降池沉降后通入在厌氧发酵罐；

第二步：对厌氧发酵罐内的厌氧污泥进行驯化，驯化过程中废水COD或悬浮物含量过高时，采用发酵出水回流法或稀释法调节，使发酵废水COD、悬浮物含量分别低于4000mg/L和2000mg/L；

第三步：驯化阶段完成后进入稳定厌氧发酵阶段，去除废水中的氮、磷、COD和抗生素污染物；厌氧发酵过程产生的沼气可进行燃烧供热或提纯并网；沼气提纯及燃烧获得的含CO

第四步：稳定厌氧发酵完成后，将厌氧发酵罐内的发酵沼液排出至缓冲池，再通入微藻光生物反应器进行微藻培养处理，微藻藻种选择经前期驯化好的藻种，将浓度按10～20％、40～50％和70～80％比例进行稀释后，依次对微藻进行驯化培养，微藻培养处理过程中通入含CO

第五步：微藻培养处理完成后，收集微藻，将处理后对废水排出。

在具体实施例中，所述厌氧发酵罐采用UASB升流式厌氧污泥床反应器或搅拌式厌氧反应器CSTR，所述升流式厌氧污泥床反应器包括反应器主体2、进水口3、取样口4、保温层5、出水口6、出气口7、排压口8、排泥口9、三相分离器10和密封盖11；进水口3为含抗生素养猪废水入口，含抗生素养猪废水通过进水口3进入反应器主体2；保温层5设置在反应器主体2外部，用于保证反应器主体内部处于一定的温度范围，使发酵过程稳定有效运行；排压口8设置在反应器主体2顶部，用于避免反应器内部气体压力过大导致废水进入出气口等问题；排泥口9设置在反应器主体2的底部，为厌氧污泥排出口；三相分离器10设置在反应器主体2的上部，用于对发酵沼液和厌氧发酵过程产生的沼气进行分离，沼气通过出气口7排出，发酵沼液通过出水口6排出。

所述厌氧发酵罐采用搅拌式厌氧反应器；所述搅拌式厌氧反应器包括反应器主体二22、进水口二23、出气口二24、搅拌器二25、出水口二26和保温层二27；进水口二23为含抗生素养猪废水入口，含抗生素养猪废水通过进水口二23进入反应器主体二22；保温层二25设置在反应器主体二外部，用于保证反应器主体二内部处于一定的温度范围，使发酵过程稳定有效运行；出气口二24为厌氧发酵过程产生的沼气的排出口，出水口二26为发酵沼液排出口；搅拌器二25设置在反应器主体二22内，用于对反应器主体二22内对反应物进行搅拌。

所述微藻光生物反应器采用跑道池光生物反应器或者平板式光生物反应器。跑道池光生物反应器包括跑道池主体41，该跑道池主体41为环形跑道池，所述跑道池主体41内设有挡板47，所述挡板47将跑道池主体41分隔为左、右循环跑道；所述跑道池主体41的壁面设有进水口一42和出水口一46，进水口一42和出水口一46间隔一段距离；所述跑道池主体41内设置有浆轮一45，该浆轮一45依靠电动机驱动，为跑道池内流体流动提供动力；在跑道池主体底部设有曝气器一16，曝气器一16底部设置进气口，在跑道池主体41的底部还铺设有控温单元17，控温单元17由回流管道构成，且由水泵控制回流管道内换热水流动，与跑道池内的液体构成逆流换热形式；所述跑道池主体41的顶部设有补光单元18、光强传感器20和白光LED补光灯14，补光单元18采用透明亚克力材料制成，使太阳光照射进跑道池主体41。

在具体实施例中,控温单元17由高导热性的钢材构成蛇形形式均匀铺设在跑道池底部，控温单元17内的换热水采用自来水或者由余热水源热泵机组提供，余热水源热泵机组通过对沼气燃烧的热量进行回收获得余热水，进水换热水温度控制在30～50℃，在夏季换热水由自来水提供，进行换热冷却；换热水的进水口一44和换热水的出水口一43设于跑道池壁面处。

在具体实施例中,所述补光单元的大小与跑道池主体41大小一致，高度设计为20～30cm，侧壁采用可拆卸式壁面15，当环境温度低于设定值25℃时，采取封闭侧壁面减少热量排放，当跑道池反应器内湿度过高，上壁面出现水凝结影响光照时，打开侧壁面及时通风处理；补光单元18内安装有LED补光灯14和光强传感器20，补光单元18顶部设置有遮阳帘，所述遮阳帘用于对太阳光的进光量进行调节，当夏季光强过高时，展开遮阳帘减弱光照强度；LED补光灯14在光照强度弱时进行白光LED灯补光。

在具体实施例中,在跑道池主体41的左、右循环跑道内均设有曝气器一，曝气一内均设有进气口，曝气器一16采用曝气井形式，曝气井深度设计在40～20cm，曝气井设置微孔出气口，使气体和藻液混合更加均匀，气体采用沼气燃烧后残余的废气，气体温度为40～60℃，控制气体流量为0.005～0.01vvm。

在具体实施例中,在跑道池主体41内还设有流速传感器40，所述流速传感器40输出信号控制电动机工作。

在具体实施例中，跑道池主体41和挡板47优选采用透明亚克力材料，液面高度一般不超过20cm，跑道池主体41高度在35cm。

在具体实施例中，浆轮一45可以采用亚克力板材料或不锈钢材料构成，其叶片长度要达到底部上方2cm左右，浆轮45的驱动力由发动机输出，发动机由沼气燃烧供电。

在具体实施例中，曝气器16所通入气体流量为0.005～0.01vvm，气体采用沼气燃烧后残余的废气，温度控制在40～60℃，通过进气口19进入曝气器16中，曝气器16对称安装在跑道池跑道底部，曝气器深度为20cm，曝气井设置微孔出气口，使气体和藻液混合更加均匀。

参见图2，当本发明所述的含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法具体应用时，采用升流式厌氧污泥床反应器、跑道池光生物反应器和两台水泵1、12。升流式厌氧污泥床反应器主要包括反应器主体2、进水口3、取样口4、保温层5、出水口6、出气口7、排压口8、排泥口9、三相分离器10和密封盖11。

实施例1,参见图2至图3，一种含抗生素养猪废水的两级微生物处理方法，该方法包括如下步骤：

第一步：采集养猪场废水处理厂厌氧发酵罐中的厌氧污泥，将厌氧污泥和废水通入反应器主体2，厌氧污泥占有效体积的40～60％。为反应器主体2通氮，使反应器内保持厌氧条件。通过水泵1经进水口3，pH控制在6.8～7.8，温度设定为中温35±3℃或高温55±3℃。

第二步：对厌氧污泥进行驯化，驯化阶段每周期持续7天，重复三个周期，有机负荷依次提高并控制在1.0～2.0kg COD/(m

第三步：驯化阶段完成后进入稳定厌氧发酵阶段，在发酵稳定阶段，有机负荷为4.0～7.0kg COD/(m

第四步：稳定厌氧发酵完成后，将厌氧发酵罐内的发酵沼液从出水口6排出至缓冲池一12，再由水泵一13经进水口一42进入跑道池主体20进行微藻培养处理。浆轮一45通过电动机驱动跑道池主体20内部的流体流动，液面高度限制在0.2m以内。微藻藻种选择小球藻藻种，先将发酵沼液按20％、40％和60％比例进行稀释后，依次对微藻进行驯化培养，再将经扩培后的微藻加入跑道池主体20，控制微藻接种比为10～20％，具体可为15％，接种浓度为0.1～0.3g/L，具体可为0.2g/L，通过控温单元17控制温度在25±3℃，将含有5％CO

第五步：微藻培养处理完成后，收集微藻，将处理后对废水排出。

实施例2,参见图4，采用搅拌式厌氧反应器和平板式光生物反应器对含抗生素养猪废水进行两级微生物处理，所述搅拌式厌氧反应器包括反应器主体二22、进水口二23、出气口二24、搅拌器二25、出水口二26和保温层二27；进水口二23为含抗生素养猪废水入口，含抗生素养猪废水通过进水口二23进入反应器主体二22；保温层二25设置在反应器主体二外部，用于保证反应器主体二内部处在一定的温度，使发酵过程稳定有效运行；出气口二24为厌氧发酵过程产生的沼气的排出口，出水口二26为发酵沼液排出口；搅拌器二25设置在反应器主体二22内，用于对反应器主体二22内对反应物进行搅拌。平板式光生物反应器主要包括反应器主体三30、进气口三31、曝气器三32、进水口三33和出水口三34。

具体处理方法如下：

第一步：采集养猪场废水处理厂厌氧发酵罐中的厌氧污泥，将厌氧污泥和废水加入反应器主体二22，厌氧污泥占有效体积的50％，再为反应器主体二22通氮，使反应器内保持厌氧条件。通过水泵二21将含土霉素养猪废水从进水口二23持续通入反应器主体二22内部。pH控制在7.6±0.2，温度设定为中温35±3℃。

第二步：对厌氧污泥进行驯化，驯化阶段每周期持续7天，重复三个周期，有机负荷依次提高并控制在1.0kg COD/(m

第三步：驯化阶段完成后进入稳定厌氧发酵阶段，稳定阶段后有机负荷控制在6.0kg COD/(m

第四步：稳定厌氧发酵完成后，将厌氧发酵罐内的发酵沼液从出水口二26排至缓冲池三28，再由水泵三29通过进水口三33进入平板式光生物反应器主体三30。平板式光生物反应器的构建材料优选亚克力板材料，具有高透光性能，微藻藻种选择小球藻藻种，将废水按20％、40％和60％比例进行稀释后，依次对微藻进行驯化培养，再将经扩培后的微藻加入反应器主体三30，控制微藻接种比为15％，接种浓度为0.2g/L，环境控制温度在25±3℃，将含有5％CO

第五步：微藻培养处理完成后，收集微藻，将处理后对废水排出。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。