CN102952747B - 一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统 - Google Patents

Abstract

一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统，由废水资源输送子系统、藻类培育池、生物质收集子系统、干燥系统、外运、碳纤维水质调节池、CO₂充气系统、照明系统、水量水质监控系统、废水资源调控子系统等组成。调节池将废水资源降低有机和氮磷污染物浓度，去除悬浮物、重金属和有毒物，增加水体透明度；培育池用来培育高产油高蛋白着生藻类和微藻的生物质，通过高产油高蛋白藻类进一步降解氮磷和固定CO₂。本发明是一种利用废水资源，实现水质净化—藻类培育—温室气体减排的综合产品及设备系统，解决了富营养化水体控制和CO₂减排的技术瓶颈，减缓了治理水污染物和温室气体的经济压力，充分利用废水资源实现环境效益、经济效益和社会效益最大化。

Description

一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统

技术领域

本发明属于环保治理技术领域和新能源技术交叉领域，尤其是涉及一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统。

背景技术

全球变化、环境和资源是当今世界三大主题。废水一方面是污染来源，另一方面又是可利用资源。将废水治理、二氧化碳减排与废水资源综合利用结合为一体，实现良性的生态环境、资源循环利用、能量平衡是维持可持续发展的重要议题。在这条链上，微藻类生物充当了主角。世界经济的现代化，得益于石化能源，然而这一经济的资源载体将在21世上半叶迅速地接近枯竭。世界已探明的可采石油，大约只可供应人类41年的需要，天然气为60～70年，煤炭约200年，人类正面临能源危机对能源安全的威胁。近十几年来，我国河流、湖泊、水库、沟渠、池塘、景观池等水体都存在不同程度污染，生活污水、面源污染主要是有机污染和富营养因子，是重要的废水资源。本系统可以综合利用废水资源来培育高产油高蛋白藻类作为第三代生物能源的原料和提取高附加值产品，同时又可控制日趋严重的富营养化问题和温室气体固定，减少环保成本，缓解水资源短缺和我国能源短缺危机，实现社会经济可持续发展。

目前，我国水污染主要是有机污染和氮磷污染，湖泊水体的富营养化治理的研究热点集中在对营养盐的控制技术上。有机污染物和氮磷污染物主要来自生活污水、面源污染和部分工业污染源。2009年城市生活污水排放量354.7亿吨，同比增长7.5%，占全国污水排放总量的60%。2009年我国化肥施用量达5404.4万吨，2008年底全国耕地面积121715.9万公顷，全国施肥平均水平444公斤/公顷。农药污染、畜禽粪便污染也是面源污染的主要来源。根据第一次全国污染普查公告：2007年,我国农业面源污染的污染物总排放量为1057×104t,其中,COD排放量为825.9×104t,总氮为187.2×104t,总磷为21.6×104t,氨氮为22.4×104t.据2009年《中国环境统计年报》显示,全国废水中的氨氮排放总量为122.6万吨,相当于受纳水体环境容量的4倍左右。截至2009年末，污水处理行业投资总额达到682亿元，同比增长37%。、“十二五”末期污水处理率将接近发达国家水平。污水处理能力将达到25000万立方米/日，年均增长15%。污水治理排放标准将提高，再生水回用率将达到10%。整个“十二五”期间，再生水利用投资额将达到230亿。  

目前用于培养藻类的光生物反应器主要可以分为开放式、密闭式和混合式。不同的研究者针对不同的藻类、不同的用途开发了不同的培养方式。研究初期，为了解决粮食的短缺问题，人们主要是以开放式的培养方式获得藻类。然而随着研究的深入，为了解决开放式培育系统的缺点，实现高密度培养，密闭式光生物反应器得到了广泛的发展。但是由于密闭式光生物反应器操作及运行成本高等问题，密闭式光生物反应器一直没有得到大规模的利用。加之近些年来，水体污染加剧和迫于低碳减排的压力，人们发现开放式的藻类培育系统在降低成本，低碳减排和废水利用方面有着不可比拟的优势。

将开放式藻类培养与污水处理结合起来，达到多元化的生产-治理-再利用的循环模式一直是人们追求和研究的热点。然而针对于开放式的藻类培养系统的研究和多元化利用还不多。

发明内容

   本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题而提供一种碳纤维和尼龙材料为主的产品，根据水质监控系统检测分析，利用培育池及废水资源输送系统实现废水资源配置，构成集水质净化—藻类培育—温室气体减排于一体的一种废水资

源利用的碳素纤维微藻培育系统，充分利用废水资源实现环境效益、经济效益和社会效益最大化。

本发明的目的是这样实现的：

一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统，其特征在于：

所述的培育系统包括：

废水资源输送子系统（0）：该子系统根据需要向藻类培育池输送废水资源；

藻类培育池（5）：该培育池为高产油高蛋白的着生藻类和微藻培育池，其内布设有碳纤维净水产品，并设置有出水口（15）；通过光合作用、氮磷控制、光照控制，促进藻类生长，同时降解氮磷和固定CO_2，使得出水水质变清，成为比较干净的中水资源；

生物质收集系统：该子系统用于收获和储存藻类培育池产生的藻类生物质。

所述的培育系统还包括碳纤维水质调节池（6），碳纤维水质调节池通过其上设置的带有控制阀门的污水进水口（11）与废水资源输送子系统相连通，碳纤维水质调节池和藻类培育池之间通过控制闸门（12）相连通；碳纤维水质调节池内布设有降解有机物和氮磷浓度、去除悬浮物和重金属及有毒物、增加水体透明度的碳纤维净水产品。

所述的培育系统还包括水量水质监控子系统（1）和废水资源调控子系统（2），所述的水量水质监控子系统对碳纤维水质调节池和藻类培育池的水文、水质和CO₂进行检测，检测内容包括流量、水深、流速、温度、PH、DO、氨氮、硝氮、电导率、盐度、叶绿素、CO₂、NH₄、N₂O、BOD₅、TN、TP、碳酸根离子、磷酸根离子，了解水量水质变化过程及分布，为废水资源调控子系统进行调控提供依据。

所述的培育系统还包括CO₂充气子系统（4）和光照子系统（3）；CO₂充气子系统根据废水资源调控子系统的指令在藻类培育池CO₂  不足时对其进行CO₂充气，光照子系统根据废水资源调控子系统的指令在阴天或藻类培育池光照不足时对其进行灯光照射。

    所述的培育系统还包括干燥子系统（8）和外运（9），干燥子系统对生物质收集系统收获和储存的藻类生物质进行干燥后交外运。

所述的藻类培育池内设有多个用于藻类附着生长的V型网（14），V型网与V型网之间设有碳纤维净水产品。

    所述的V型网为尼龙网、或聚乙烯网、或聚酯纤维网；其长度为10m，宽度为1m，夹角为150；其位于藻类培育池的水面下。

    所述的碳纤维净水产品的布设方式采用有利于微生物附着生长的悬挂式或上浮式，上浮式由尼龙绳、固定架、浮筒和碳纤维净水产品所形成，悬挂式由尼龙绳、固定架、吊环和碳纤维净水产品所形成。

    所述的生物质收集子系统的构成包括平板载体、电动耙、干燥箱和储存室。

    所述的光照系统由太阳能灯或活性污泥与藻构成的生物燃料电池与照明灯组成，其布设在藻类培育池的周围；所述的CO₂充气子系统（4）由CO₂气体钢瓶、气体计和充气管组成，其充气管连接至藻类培育池的两侧。

所述的废水资源调控子系统是根据水量水质监控子系统的监控数据及评价，调控藻类培育池内的水质浓度、CO₂浓度、光照强度、藻类生物量在最佳范围。当藻类培育池内水质浓度、CO₂浓度、光照强度、藻类生物量达不到最佳范围时可以自动发出调控命令，启动闸、阀装置，调节水质浓度、CO₂浓度、光照强度和藻类生物量。通过废水资源调控系统调节闸门开启，从碳纤维水质调节池调出废水资源补充藻类培育池的水、氮、磷和有机物浓度。

本发明取得了以下的技术效果：

本发明对有机污染物和氮磷废水的治理是高效显著的，处理污染物同时利用废水资源培育高产油高蛋白清水环境藻类，藻类生物质炼油时可以减排二氧化碳达80%左右，经济环保、促进水生态多样性、有利水资源和生物能源的可持续利用。藻类生物质干燥后作为生物塑料、生物造纸、生物电池、保健品、饲料、肥料等综合利用时，固碳可达80%~100%。因此，本系统在藻类生物质培育的同时具有水质、空气净化的环保作用；具有缓解能源危机和可持续发展社会经济的综合利用价值。

通过碳纤维高比表面积高效快速吸收、吸附、截留污染水体中的各种污染物在碳纤维净水产品上，在富含有机物和营养物水体，碳纤维表面1个小时出现水膜，1天~3天时间可以生成生物膜，10天~15天时间可形成活性污泥团。其形成的生物膜或活性污泥团中微生物活性高，能够快速生化降解污染物调节水质，碳纤维和微生物共同作用可以迅速提高水体透明度，为高产油高蛋白藻类生长创造环境条件，碳纤维还可以达到营养物质缓释补充微藻的功能，减少藻类培育费用。

尼龙绳布设在碳纤维中间，起连接悬挂碳纤维的辅助作用，将尼龙网V形板布设在悬挂碳纤维间隔空档的水面处，有利于有益藻类和其它生物的附着生长。生长在尼龙绳和尼龙网上藻类在光合作用下，固定CO₂，吸收碳纤维上的氮磷供自身生长。碳纤维对氮磷具有缓释效果，可以充分利用氮磷资源。通过水质自动监控系统、废水资源调控系统对水利闸坝工程进行废水资源优化配置，实现高产油高蛋白藻类的高产，并突破价格瓶颈。

本发明首先是将废水资源综合利用于高产油高蛋白藻类培育，解决污水净化同时，通过废水资源优化配置，实现藻类的高产，同时固定温室气体。实现废水资源的循环利用和高效利用的同时，排放尾水又能够达到水功能区环保目标。在我国环境污染治理任务艰巨、治理费用有限、水资源短缺、能源枯竭的背景下，本发明是目前世界领先的、成本低廉、经济效益和环保效益显著的可持续性技术产品。

本新型发明是材料、水利、环保、能源等交叉学科技术，具有结构简单，易操作，适应范围宽，既适应沟渠、湖泊和池塘，也适合污水处理厂，同时净水效果好，减排温室气体经济，有利于降低污水治理成本和温室气体减排成本，所培育的着生藻类生物质易从水体分离，具有高附加值，是生物燃料、生物电池、生物塑料、高蛋白产品、医疗保健品的上好原料，其残渣还可以作为生物肥料和动物饲料。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1本发明的系统结构示意图；

图2一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统装置；

图3 V型网装置示意图。

图中：0-废水资源输送子系统，1-水量水质监控与评价子系统，2-废水资源调控子系统，3-光照子系统，4- CO₂充气子系统，5-碳纤维水质调节池，6-藻类培育池，7-生物质收集子系统，8-干燥子系统，9-外运，10-污水进水口，11-控制闸门，12-出水口，13- V型网。

具体实施方式

下面结合附图所示具体实施方式对本发明作进一步介绍：

如图1-3所示，一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统装置，包括：

废水资源输送子系统（0）：该子系统根据需要向藻类培育池输送废水资源；藻类培育池（5）：该培育池为高产油高蛋白的着生藻类和微藻培育池，其

内布设有碳纤维净水产品，并设置有出水口（15），通过光合作用、氮磷控制、光照控制，促进藻类生长，同时降解氮磷和固定CO_2，使得出水水质变清，成为比较干净的中水资源；

生物质收集系统：该子系统用于收获和储存藻类培育池产生的藻类生物质；

碳纤维水质调节池（6）：碳纤维水质调节池通过其上设置的带有控制阀门的污水进水口（11）与废水资源输送子系统相连通，碳纤维水质调节池和藻类培育池之间通过控制闸门（12）相连通，碳纤维水质调节池内布设有降解有机物和氮磷浓度、去除悬浮物和重金属及有毒物、增加水体透明度的碳纤维净水产品；

水量水质监控子系统（1）和废水资源调控子系统（2）：所述的水量水质监控子系统对碳纤维水质调节池和藻类培育池的水质和大气质量进行检测，检测内容包括流量、水深、流速、温度、PH、DO、氨氮、硝氮、电导率、盐度、叶绿素、CO₂、NH₄、N₂O、BOD₅、TN、TP、碳酸根离子、磷酸根离子，了解水量水质变化过程及分布，为废水资源调控子系统进行调控提供依据；

CO₂充气子系统（4）和光照子系统（3）：CO₂充气子系统根据废水资源调控子系统的指令在藻类培育池CO₂  不足时对其进行CO₂充气，光照子系统根据废水资源调控子系统的指令在阴天或藻类培育池光照不足时对其进行灯光照射；

干燥子系统（8）和外运（9）：干燥子系统对生物质收集系统收获和储存的藻类生物质进行干燥后交外运。

所述的藻类培育池内设有多个用于微生物、藻类附着生长的V型网（14），V型网与V型网之间设有碳纤维净水产品。

    所述的V型网为尼龙网、或聚乙烯网、或聚酯纤维网；其长度为10m，宽度为1m，夹角为150；其位于藻类培育池的水面下。

    所述的碳纤维净水产品的布设方式采用有利于着生藻类和其它生物附着生长的悬挂式或上浮式，上浮式由尼龙绳、固定架、浮筒和碳纤维净水产品所形成，悬挂式由尼龙绳、固定架、吊环和碳纤维净水产品所形成。

    所述的生物质收集子系统的构成包括平板载体、电动耙、干燥箱和储存室。

    所述的光照系统由太阳能灯或活性污泥与藻构成的生物燃料电池与照明灯组成，其布设在藻类培育池的周围；所述的CO₂充气子系统（4）由CO₂气体钢瓶、气体计和充气管组成，其充气管连接至藻类培育池的两侧。

本具体实施方式是一种利用废水资源，实现水质净化—藻类培育—温室气体减排的开放式综合产品及设备系统，既经济又环保，解决了富营养化水体控制和CO₂减排的技术瓶颈，减缓了治理水污染物和温室气体的经济压力，充分利用废水资源实现环境效益、经济效益和社会效益最大化。

所设计的一套藻类培育池、碳纤维水质调节池及废水资源输送子系统，藻类培育池和碳纤维水质调节池可由水利闸坝工程和天然水体组成；或采用人工水池，配套管网输送系统组成。碳纤维水质调节池为前处理装置，主要将废水资源污染物浓度降解，布设碳纤维净水产品适当降解有机物、氮磷浓度，去除悬浮物、重金属和有毒物，增加水体透明度；藻类培育池用来培育藻类，通过光合作用、氮磷控制、光照控制等，促进藻类生长，同时进一步降解了氮磷和固定CO_2，使得出水水质变清，成为CO₂汇。排放尾水是比较干净的中水资源。随着藻类生物质的生长和收获，池中水量和营养物会下降，通过废水资源调控系统，根据监控的水量水质信息利用计算机自动编制调度废水资源方案和程序，实现自动开闸关闸、管道开关阀开启与关闭，利用废水资源调控使得藻类生物质最大化和培育费用低廉。

碳素纤维净水产品主要为比表面积大、生物亲和性好的碳素纤维净水产品，其通过尼龙绳、固定架、浮筒、吊环等设备布设在池中，通过碳素纤维吸附、吸收、截留、电解被污染水体或废污水中的各种污染物，使水体透明度增加，含氮磷浓度比适宜藻类生长，为藻类培育的前处理系统。

亲生物性的藻类载体，主要由尼龙网、尼龙绳、固定架等组成，形成V型载体结构，布设在水体表面，最有效利用太阳光能，减少光照系统能耗，是用于微生物、藻类附着生长的载体。

碳纤维净水产品和藻类生长设备布设方式之一：布设悬挂型碳纤维净水产品，尼龙绳布设在碳纤维中间，起连接悬挂碳纤维的辅助作用。将尼龙、或聚乙烯、或聚酯纤维网制成的V型载体网布设在两两碳纤维间隔空档的水面处，有利于藻类和其它生物的附着生长。碳纤维净水产品和藻类生长设备布设方式之二：布设上浮式碳纤维净水产品，产品之间水面布设尼龙、或聚乙烯、或聚酯纤维网制成的V型载体网，以利于着生藻类和其它生物的附着生长。

水量水质监控系统可实现流量、水深、流速、温度、PH、DO、氨氮、硝氮、电导率、盐度、叶绿素、CO₂、NH₃-N、N₂O等水质、大气质量监测自动化，BOD₅、TN、TP、碳酸根离子、磷酸根离子等不能自动化监测的水质指标通过人工化验分析检测后录入系统，实时了解水量、水质、光照、CO₂和藻类生物量等的变化过程及分布，为废水资源调控和藻类生长提供依据。

照明系统由太阳能灯或活性污泥与藻构成的生物燃料电池与照明灯组成，藻类培育系统主要采用自然阳光，在阴雨天以太阳能光源或生物燃料电池光源为辅助补充光源系统。

CO₂充气系统由CO₂气体钢瓶、气体计和充气管等组成。培育系统充分利用附近发电厂或道路交通车辆排放的 CO_2，不足部分需通过充气系统补充CO_2。

废水资源、光照、CO₂的优化配置系统，在水文水质大气监控分析基础上，形成废水资源、光照、CO₂的优化配置方案，合理配置废水资源、光照、CO₂，既控制水质达标，又满足高产油高蛋白藻类生长，提高藻类生物量生产。

生物质收集系统由平板载体、电动耙、干燥箱、储存室等组成，平板载体结构非常有利于藻类生物量收获。

实施例1 

按照上述具体实施方式，以东湖主湖碳纤维示范区为例，本产品具体的实施方法步骤：

   （1）设计与建设围隔和培育池；

   （2）设计碳纤维净水产品和藻网框架组合布置方案；

   （3）生产碳纤维净水产品和藻网框架；

   （4）组装碳纤维净水产品和藻网框架组合系统；

   （5）安装水量水质监控系统等；

   （6）安装CO₂充气系统；

   （7）安装照明系统；

   （8）计算机上安装废水资源调控系统，并与水量水质监控系统、光照系统、CO₂充气系统等实现实时监控；

    （9）分析气象、水文、水质状况进行废水资源调控；

  （10）拉起藻网框架收获藻生物质，送入干燥系统干燥后储存或外运。

本方案实施以后，具有尾水水质达到III类~IV类水水质，一年中有8~9个月实现藻类高产。

实施例2

按照上述具体实施方式，以污水处理厂为例，污水处理厂实施方法步骤：

（1）在污水处理厂二沉池尾水排放下游设计与建设相应规模的调节池、培育池和管网联通系统；

（2）设计碳纤维净水产品和藻网框架组合布置方案； 

（3）生产碳纤维净水产品和藻网框架；

（4）组装碳纤维净水产品和藻网框架组合系统；

（5）安装水量水质监控系统等；

（6）安装CO₂充气系统；

（7）安装照明系统；

（8）计算机上安装废水资源调控系统，并与水量水质监控系统、光照系统、CO₂充气系统等实现实时监控；

   （9）分析气象、水文、水质状况进行废水资源调控；

（10）拉起藻网框架收获藻生物质，送入干燥系统干燥后储存或外运。

本方案实施以后，污水处理厂处理效率会大幅度提高，BOD₅处理效率可达到95%以上。去氮除磷可提高到80%以上，利用废水资源培育着生藻类，免去污水处理厂去氮除磷投资费用和运行成本，提高污水处理厂达标等级。

本发明的保护范围并不限于上述的具体实施方式和实施案例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (6)

1.一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统，其特征在于：

所述的培育系统包括：

废水资源输送子系统（0）：该子系统根据需要向藻类培育池输送废水资源；

藻类培育池（5）：该培育池为高产油高蛋白的着生藻类和微藻培育池，其内布设有碳纤维净水产品，并设置有出水口（15）；通过光合作用、氮磷控制、光照控制，促进藻类生长，同时降解氮磷和固定CO_2，使得出水水质变清，成为比较干净的中水资源；

碳纤维水质调节池（6）：碳纤维水质调节池通过其上设置的带有控制阀门的污水进水口（11）与废水资源输送子系统相连通，碳纤维水质调节池和藻类培育池之间通过控制闸门（12）相连通；碳纤维水质调节池内布设有降解有机物和氮磷浓度、去除悬浮物和重金属及有毒物、增加水体透明度的碳纤维净水产品；

废水资源调控子系统、CO₂充气子系统（4）和光照子系统（3）：CO₂充气子系统根据废水资源调控子系统的指令在藻类培育池CO₂  不足时对其进行CO₂充气，光照子系统根据废水资源调控子系统的指令在阴天或藻类培育池光照不足时对其进行灯光照射；

生物质收集子系统：该子系统用于收获和储存藻类培育池产生的藻类生物质；

上述藻类培育池内设有多个用于微生物、藻类附着生长的V型网（14），V型网与V型网之间设有碳纤维净水产品，V型网为尼龙网、或聚乙烯网、或聚酯纤维网，V型网的长度为10m、宽度为1m、夹角为150°，V型网位于藻类培育池的水面下。

2.如权利要求1所述的一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统，其特征在于：

所述的培育系统还包括水量水质监控子系统（1）和废水资源调控子系统（2），所述的水量水质监控子系统对碳纤维水质调节池和藻类培育池的水质和大气质量进行检测，检测内容包括流量、水深、流速、温度、PH、DO、氨氮、硝氮、电导率、盐度、叶绿素、CO₂、NH₄、N₂O、BOD₅、TN、TP、碳酸根离子、磷酸根离子，了解水量水质变化过程及分布，为废水资源调控子系统进行调控提供依据。

3.如权利要求1或2所述的一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统，其特征在于：

   所述的培育系统还包括干燥子系统（8）和外运（9），干燥子系统对生物质收集系统收获和储存的藻类生物质进行干燥后交外运。

4.如权利要求1或2所述的一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统，其特征在于：

   所述的碳纤维净水产品的布设方式采用有利于着微生物附着生长的悬挂式或上浮式等方式，上浮式由尼龙绳、固定架、浮筒和碳纤维净水产品所形成，悬挂式由尼龙绳、固定架、吊环和碳纤维净水产品所形成。

5.如权利要求1或2所述的一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统，其特征在于：

   所述的生物质收集子系统的构成包括平板载体、电动耙、干燥箱和储存室。

6.如权利要求4所述的一种废水资源利用的碳素纤维微藻培育系统，其特征在于：

    所述的光照子系统由太阳能灯或活性污泥与藻构成的生物燃料电池与照明灯组成，其布设在藻类培育池的周围；所述的CO₂充气子系统（4）由CO₂气体钢瓶、气体计和充气管组成，其充气管连接至藻类培育池的两侧。

Images