CN105621783B

CN105621783B - 利用序批式微藻反应器去除污水中氮磷的方法

Info

Publication number: CN105621783B
Application number: CN201410603392.0A
Authority: CN
Inventors: 汪靓; 孙予罕; 魏伟; 赵权宇; 刘金丽; 林钟铨
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2019-04-23
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: CN105621783A

Abstract

本发明公开了一种利用序批式微藻反应器去除污水中氮磷的方法，步骤包括：1)富氮磷污水预处理；2)序批式微藻反应器接种微藻；3)引进污水，根据污水总氮含量控制容积交换率；4)曝气反应；5)静置沉淀，排出上清液；6)闲置，根据需要重复步骤3)～6)；7)定期排出藻泥。该方法用微藻代替活性污泥作为反应主体，以单个可编程控制的序批式反应器作为微藻光生物反应器，通过控制反应器内的微藻浓度，在较短停留时间内，一步实现了对污水中氮、磷的高效去除，其工艺效果稳定，无二次污染，并可同时实现氮磷的资源化利用，对污水处理具有较好的应用潜力。

Description

利用序批式微藻反应器去除污水中氮磷的方法

技术领域

本发明涉及污水生物处理领域，特别是涉及一种利用序批式微藻反应器(Sequencing Batch Algae Reactor，简称SBAR)去除污水中氮磷的处理工艺。

背景技术

近年来，随着工农业生产发展、城镇化进程的提速，以及人口数量的增加，我国水污染情况十分严峻。全国大部分的湖泊、水库、流域水体水质接近富营养化，或者已经处于富营养化程度。氮、磷是引起水体富营养化的主要营养元素。“十二五”期间，国家在巩固化学需氧量减排的基础上，将加强对氨氮以及总氮、总磷和重金属等污染物的排放控制及总量削减。我国多数污水处理厂将不可避免地面临强化脱氮除磷的升级改造。同时，新建的污水处理厂也将不得不采用高效节能型的生物降碳、脱氮、除磷技术。研发可以有效去除氮、磷，并最大限度回收利用这些营养物的污水处理技术，对原有污水厂的提标改造和新建污水处理设施的工艺设计都具有十分重要的意义。

传统的以活性污泥为主的生物脱氮除磷技术通过厌氧、缺氧、好氧多级工艺的串联，实现氮和磷由水相向气相和固相的转移，表面看似氮和磷从水中脱除了，其实潜藏着二次污染。比如，氨氮的硝化反硝化脱除过程中会产生数量可观的NOx，排放进入大气中是导致温室气体效应的重要因素；磷通过微生物的过量吸收或化学沉淀进入污泥相，随着污泥的后续处置会重新释放进入环境。更为重要的是，传统生物脱氮除磷方法面临能耗高、药剂成本高、效果不稳定等诸多缺点，也没有实现营养物质的资源化回收利用。

微藻污水处理技术最早源于20世纪50年代美国加州大学伯克利分校Oswald等提出的稳定塘设计，随后发展为高效藻类塘技术(HRAP)。该技术通过优化深度设计和搅拌混合，使得塘中藻类的生长得以强化，在藻类和细菌的协同作用下，有机物、氮、磷和其他污染物的去除效率得到大幅提高。Nurdogan对比了藻类塘与传统活性污泥的二级处理效果，证实了藻类在氨氮和磷的去除上的优越性(Nurdogan and Oswald,Wat.Sci.Tech.,1995,31(12):33-43)。高效藻类塘技术由于基建成本低、能耗低等优势，在美国及其它国家有几百例的应用。随着工业和城市的发展，藻类塘的应用近几十年来又呈现走下坡的趋势，主要原因是塘内生物浓度低(≤0.3g/L)，处理效果受温度、阳光混合条件等因素的影响很大，同时水力停留时间长(4-20天)，占地面积大。近年来，又演变出固定法微藻污水处理技术，主要代表技术是用水力藻类床(ATS)、填料附着藻膜、藻的包埋固定化等方法来提高优势藻的稳定性和对氨毒性的抵制作用，达到了较理想的去除氮磷效果，但仍存在膜内藻对光的利用受限制、停留时间过长等缺点。相比活性污泥工艺，目前所有的藻类处理方法的最大弱势就是浓度低、停留时间长(4～20天)，因而处理构筑物需很大的占地面积，若能开发新型微藻反应器新工艺将会更大程度地发挥微藻去除氮磷的优势。

序批式活性污泥反应器(SBR)是由美国Irvine在20世纪70年代初开发的，是典型的完全混合式反应器系统，被广泛地应用在活性污泥法污水处理中。利用程序逻辑控制器(PLCs)、电频传感器以及自动阀，实现活性污泥污水处理工艺的所有处理步骤。所有SBR系统都有进水、反应(曝气)、沉淀、排水和闲置5个阶段。在所有循环中，混合液始终保留在反应器中，因此不需要独立的沉淀池。反应器内部的生物固体可通过控制排泥量的多少维持在高浓度。反应以批次式进行，如需连续运行，则设置2个或以上SBR池，这样当一个池完成整个处理过程后，其它池可以继续运行。SBR工艺简单，不需要二沉池和回流泵，设备紧凑、运行灵活。将序批式反应器运行上的优点与微藻脱除氮磷的优势结合起来，将可能发挥出很好的叠加效应。

公开号为CN102336498A的中国发明专利申请披露了一种序批式反应器耦合光生物反应器处理氮磷污水的方法，该发明中提到高浓度氮磷污水需经过预处理后首先进入序批式反应器，再经过膜生物反应器，然后到光生物反应器，最后絮凝沉淀后清液排放。该序批式反应器中的反应媒介仍旧是活性污泥，污水经过两种生物反应器后水里残留的氮和磷再通过一个常见的光生物反应器养藻来去除氮磷，光反应器本身并不是序批式操作，停留时间为6天。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用序批式微藻反应器去除污水中氮磷的方法，它工艺效果稳定，无二次污染，并可实现氮磷营养元素的回收利用。

为解决上述技术问题，本发明的利用序批式微藻反应器去除污水中氮磷的方法，步骤包括：

1)富氮磷污水预处理，去除大杂质颗粒，将难降解毒性有机物厌氧转化为小分子有机物；

2)序批式微藻反应器接种微藻；

3)向序批式微藻反应器引进经步骤1)预处理后的污水，根据污水中的总氮含量控制不同的容积交换率；

4)开启外加光源，曝气反应；

5)关闭外加光源，将藻液静置沉淀，排出上清液；

6)闲置，根据需要重复步骤3)～6)；

7)定期排出步骤5)沉淀下来的藻泥。

步骤2)，所述微藻为从常见的环境微藻中筛选得到的具有优良生长性能的微藻，包括栅藻、小球藻、螺旋藻、盐藻、衣藻、绿球藻、微拟球藻、念珠藻等。

序批式微藻反应器接种微藻的方法为：在光反应器或发酵罐中用标准培养基培养微藻，当微藻浓度达到2g/L以上时，将藻液浓缩至含固率5～30％，将浓缩的微藻浓液接种入序批式微藻反应器，接种量以微藻细胞浓度在0.5g/L以上为准。

序批式微藻反应器包括有反应器主体、中央控制器、电磁阀、气泵、水泵、pH探头和光源，通过调整可编程中央控制器控制电磁阀、水泵、气泵等的开关来实现不同工况条件的序批式操作。反应器主体为光径在3～30cm范围的平板式、管道式、柱状式或吊袋式反应器，材质为透光性≥95％的玻璃或塑料。

步骤3)，当污水中的总氮浓度在30～150mg/L时，系统的容积交换率保持在0.5～0.9；当污水中的总氮浓度在150～300mg/L时，系统的容积交换率保持在0.25～0.5；当污水中的总氮的浓度在300～600mg/L时，系统的容积交换率保持在0.1～0.25。

步骤4)，曝气是通入含有CO₂的空气，CO₂通气速率以保持反应体系pH≤9为准。所述光源可以是自然光源或人工光源，人工光源可以是日光灯、荧光灯或LED灯等，光源的光强为50～2000μmol/m²/s。

步骤7)，排出藻泥的量以使序批式微藻反应器中的微藻细胞浓度范围始终维持在0.5～20g/L为准。排出的藻泥可被加工成蛋白饲料或肥料。

一个序批式周期的停留时间为7～24小时，其中，步骤3)的进水时间为0.5～1小时，步骤4)的曝气反应时间为5～20小时，步骤5)的静置沉淀时间为1小时，排上清液时间为0.5～1小时。

本发明用微藻代替传统的活性污泥作为反应的主体，以单个可编程控制的序批式反应器作为微藻光生物反应器，即污水处理反应器，通过工艺控制，在序批式反应器内保持较高的微藻浓度，从而在较短的水力停留时间(7～24h)内，一步实现了对污水中氮、磷的有效去除，收获的微藻富含营养物质可作为饲料、肥料等，实现氮磷的资源化利用。与传统活性污泥法生物脱氮除磷工艺相比，本发明的工艺方法具有工艺效果稳定、无潜在二次污染以及营养元素可回收利用等优点，可作为现有污水处理的脱氮除磷升级改造补充工艺，也可针对特定废水作为独立处理单元，尤其对于温带光照比较充足地区的污水处理具有比较好的应用潜力。

附图说明

图1是本发明实施例的利用序批式微藻反应器去除污水中氮磷的工艺流程图。

具体实施方式

实施例1

选取一株自分离栅藻(Scenedesmus sp.)，在500ml气升式试管中放大培养，通1％CO₂，采用BG-11培养基，5天后栅藻浓度达到5g/L(干重)。将微藻离心浓缩(浓缩后的藻浆浓度约为50g/L)，作为种子。在工作体积为5L的序批式微藻反应器(光径＝10cm的平板式反应器)中放入浓缩的藻种，并同时放入1L自来水，放入4L污水，保持搅拌进水0.5小时，污水为人工配置污水，含COD 600mg/L(乙酸钠)、硝酸盐氮55mg N/L、磷12mg P/L。进水结束后开启空气泵曝气，并在支路接入CO₂，设定pH≥9时开启CO₂阀门。在反应器侧面加照日光灯，光强为200μmol/m²/s。经过15h完全混合式反应后，关闭曝气，使微藻静置沉淀1小时，1小时沉淀后排水0.5小时，排出上清液4L。闲置0.5小时后，又开始进水、反应、沉淀、排水、闲置循环，共持续10个周期，每两个周期排出一半的藻泥。出水中COD始终低于100mg/L，硝酸盐氮低于4.75mg/L，磷低于0.5mg/L。

实施例2

选取一株自分离小球藻(Chlorella sp.)在10个1L的锥形瓶中放大培养，采用Basal培养基，葡萄糖添加浓度为10g/L，3天后小球藻浓度达到4.3g/L(干重)。将微藻离心浓缩(浓缩后的藻浆浓度约为100g/L)，作为种子。在工作体积为80L的序批式微藻反应器(光径＝5cm的吊袋式反应器)中放入浓缩的藻种，并同时放入60L自来水，加入20L污水，保持搅拌进水0.5小时，污水为取自某养猪场厌氧消化后的废水，含氨氮265mg N/L，含磷18mgP/L。进水结束后开启空气泵曝气，在支路接入CO₂，设定pH≥9时开启CO₂阀门。反应器放置于温室中，故以自然的太阳光为光源，白天光强最高可达2000μmol/m²/s。经过10h完全混合式反应后，关闭曝气，使微藻静置沉淀1小时，1小时沉淀后排水0.5小时，排出上清液20L。闲置12小时后，又开始进水、反应、沉淀、排水、闲置循环，共持续20个周期，每两个周期排出一半的藻泥。出水中氨氮始终低于4.5mg N/L，磷低于0.3mg/L。藻泥中蛋白含量超过50％，经压滤、晒干后，又循环用作养猪饲料。

Claims

1.利用序批式微藻反应器去除污水中氮磷的方法，其特征在于，步骤包括：

2)序批式微藻反应器接种微藻；接种量为微藻细胞浓度在0.5g/L以上；

3)向序批式微藻反应器引进经步骤1)预处理后的污水，根据污水中的总氮含量控制不同的容积交换率；当污水中的总氮浓度在30～150mg/L时，系统的容积交换率保持在0.5～0.9；当污水中的总氮浓度在150～300mg/L时，系统的容积交换率保持在0.25～0.5；当污水中的总氮的浓度在300～600mg/L时，系统的容积交换率保持在0.1～0.25；

4)开启外加光源，曝气反应；

5)关闭外加光源，将藻液静置沉淀，排出上清液；

6)闲置，根据需要重复步骤3)～6)；

7)定期排出步骤5)沉淀下来的藻泥；

其中，步骤3)的进水时间为0.5～1小时，步骤4)的曝气反应时间为5～20小时，一个序批式周期的停留时间为7～24小时。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)，所述微藻为从常见的环境微藻中筛选得到的具有优良生长性能的微藻，包括栅藻、小球藻、螺旋藻、盐藻、衣藻、绿球藻、微拟球藻、念珠藻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)，序批式微藻反应器接种微藻的方法为：在光反应器或发酵罐中用标准培养基培养微藻，当微藻浓度达到2g/L以上时，将藻液浓缩至含固率5～30％，将浓缩的微藻浓液接种入序批式微藻反应器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述序批式微藻反应器包括反应器主体、中央控制器、电磁阀、气泵、水泵、pH探头和光源。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述反应器主体包括光径在3～30cm范围的平板式、管道式、柱状式和吊袋式反应器，材质为透光性≥95％的玻璃或塑料。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)，曝气是通入含有CO₂的空气，CO₂通气速率以保持反应体系pH≤9为准。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)，所述光源包括自然光源和人工光源，人工光源包括日光灯、荧光灯、LED灯，光源的光强为50～2000μmol/m₂/s。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤7)，排出藻泥的量以使序批式微藻反应器中的微藻细胞浓度范围始终维持在0.5～20g/L为准。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)的静置沉淀时间为1小时，排上清液时间为0.5～1小时。