CN108163972B - 一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统及应用 - Google Patents

一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统及应用 Download PDF

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Abstract

一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统及应用是将藻细胞附着于贴壁材料，并固定在可旋转装置上，旋转于营养物质丰富的废水和富含CO2的空气中，微藻膜长至一定厚度时经刮刀采收当作微藻肥料，能降低微藻采收成本和提高经济效益。旋转生物膜反应器系统主要包括活性污泥系统和旋转藻生物膜系统，是在传统活性污泥工艺基础上，融入了微藻废水处理系统，既高效去除废水的COD、N、P等营养物，同时活性污泥中的微生物代谢产生的CO2可促进微藻生长，微藻光合作用为活性污泥中微生物提供O2而部分降低曝气费用，微藻存在可部分降低剩余活性污泥量。

Description

一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统及应用
技术领域
本发明涉及一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统及应用，具体属于废水处理技术领域。
背景技术
传统活性污泥法是以单纯的净化水质为目的，在处理废水的过程中，需要进行长时间的鼓风、机械曝气或联合曝气向废水中微生物提供氧气以降解营养物质，
这个过程需要消耗大量的电能，是一个“以能耗能”的方法。在活性污泥中微生物降解有机废物的过程中，还将释放出微生物呼吸产生的CO2排放进入空气中，加剧了温室效应。此外，标准活性污泥法废水处理工艺剩余污泥量约为入流废水量的1.5%，数量巨大，其后续的处理处置也是一个世界性难题。
自上个世纪50年代以来，微藻对废水中N、P的去除能力得到了研究者的广泛关注，不同于细菌，藻类可同时去除N和P，且工艺操作较简单。藻细胞对P的吸收机制尤为高效和突出，它从环境中吸收的P远超过其正常生长对正磷酸盐的需求，过量的P被藻细胞吸收、积聚。这种独特的功能极大地提高了微藻对废水中磷的去除效率。因此单纯微藻系统或菌藻系统的引入，近年来成为解决传统活性污泥法深度处理不同有机废水局限的新思路，如厦门大学李清彪等人公开了一种《用于处理沼液超标氮磷的膜式光生物反应器及其处理方法》（CN103910434），其方法特点是将培养好的微藻与沼液在圆柱形中空纤维膜内部和外部分别循环，利用微藻吸收沼液中氮磷达到废水处理的目的。然而微藻的采收一直是微藻处理废水的限制因素，这是由于微藻个体微小并且细胞表面带负电荷造成的，研究表明，大规模培养过程中微藻采收成本约占总成本的20%以上。现阶段的研究多采用微藻固定化培养来达到在废水处理中降低采收成本的目的。如赵永军等申请了专利《一种处理沼液的菌藻共生系统及其应用》（CN106219765A），公开了一种将微藻和真菌固定化小球处理沼液废水的方法，然而该方法需要另外添加化学药剂以形成菌藻共生球，增加了处理成本。南昌大学巫小丹等人公开了《一种光生物膜反应器及在污水处理、固碳和微藻采收中的应用》（CN107012072A），该发明利用的是传统的废水在膜材料上循环的方式，利用垂直悬挂的膜材料高密度培养微藻并去除废水中营养物质，最后通过简单机械收刮收获微藻。以上公开的发明中均采用液体循环的方式，即“水动膜不动”，其液体循环过程需要大量的能耗，而且液体循环会一定程度上限制了微藻细胞的CO2固定效率，虽然巫小丹等人采用了CO2容器系统以提高气体传质速率，但该系统同样需要能耗来运行。
本发明提供了一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统及应用，可有效克服上述问题，本发明独创性地采用了旋转膜方式，即“膜动水不动”，在藻膜缓慢旋转出废水外而暴露在空气中时可大大提高微藻的固碳效率，并充分利用光源，由于旋转速度缓慢，系统所需能耗较低。因此本发明不仅能高效低成本地采收微藻生物质，还能高效去除污水中的COD、N和P，同时大幅度减少传统活性污泥法所需的曝气能耗，且活性污泥法排放的CO2能被微藻光合作用吸收利用，减少了CO2的排放量，同时通过菌藻共生系统，可部分减少剩余污泥的排放量，从而达到污水处理效益的最大化，而且采收后的微藻还能用于制备微藻肥料，提高了其经济和社会价值。
发明内容
为克服传统活性污泥法处理废水和微藻采收过程中存在的不足，本发明提出了一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统及应用，该系统不仅可以低成本地采收微藻，还能提高污水处理效果，减少处理过程中的曝气能耗和CO2排放量，同时部分降低剩余污泥产量，实现污水资源化利用的目的，解决传统活性污泥工艺氮磷去除效率低，能耗高，CO2排放量大，剩余污泥产量大、难处理等问题，且采收后的微藻可作为微藻肥料，提高经济和社会效益。
本发明一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统及应用中所述的反应器系统包括活性污泥系统和旋转藻生物膜系统两部分。
活性污泥系统主体为曝气池（1），还包括活性污泥（2）和鼓风机（3），以及位于曝气池（1）底部的曝气支管（4）和曝气主管（5）。
旋转藻生物膜系统为传送带式或滚筒式旋转藻生物膜系统。
所述的传送带式旋转藻生物膜系统包括传送带支撑钢架（6）、转轴（7）、动力传送带（8）、传送带刮刀（9）、传送带微藻收集槽（10）、传送带电机（11）和传送带藻膜（12）。
所述的滚筒式旋转藻生物膜系统包括滚筒藻膜（14）、搅拌叶片（15）、滚筒刮刀（16）、滚筒微藻收集槽（17）、滚筒支撑钢架（18）、滚筒电机（19）、膜支柱（13）和轴（20）。
所述的菌藻旋转生物膜反应器系统的装置高度为0.1~100m；传送带或滚筒的运转速率为0.01~1000转/分钟；曝气流量为0.001~1000升/分钟；旋转生物膜贴壁材料面积为0.001~10000m2；刮刀采收微藻的频率0.001~100天/次；菌藻旋转生物膜反应器系统运行时环境温度为0~50℃，光照强度为0~100000Lux，水力停留时间为0.01~100天。
所述的应用步骤为：
步骤1：微藻的培养
将长势良好的微藻转入微藻培养基中培养，于光照摇床中培养，光照强度为0~100000Lux，温度为0~50℃，转速为0~300转/分钟，获得光密度值为0.001~10的藻液。
步骤2：微藻的贴壁
将步骤1培养所得的藻液稀释0.001~10000倍后，通过喷头均匀地喷洒到贴壁材料上或将贴壁材料浸泡于藻液中培养0~30天。
步骤3：微藻膜的形成
将微藻贴壁后的贴壁材料安装于转轴（7）或膜支柱（13）上。
步骤4：微藻的收获
当微藻膜生长至一定厚度时，可通过调节传送带刮刀（9）或滚筒刮刀（16）将贴壁材料上的微藻刮下，微藻被收集在传送带微藻收集槽（10）或滚筒微藻收集槽（17）内。
所述的微藻藻种包括小球藻属、筒柱藻属、硅藻、菱形藻、裂壶藻、杜氏藻属、栅藻、微绿球藻、衣藻属、扁藻或空球藻属。
所述的微藻培养基包括BG-11培养基、F/2培养基、walne培养基、TAP培养基、生活污水或动物粪便废水。
所述的贴壁材料为海绵泡沫、静电植绒、纯棉帆布、泡沫塑料或尼龙。
本发明的有益效果：本发明系统是在传统活性污泥工艺的基础上，融入了微藻废水处理系统，并独创性地采用了旋转膜方式，不仅能高效去除污水中的COD、N和P，且由于“膜动水不动”的形式，该系统所需能耗较低。通过旋转膜可高效低成本地采收微藻生物质，并大幅度减少传统活性污泥法所需的曝气能耗，且传统活性污泥法排放的CO2能被微藻光合作用吸收利用，减少CO2的排放量，同时通过菌藻共生系统，可部分减少剩余污泥的排放量，从而达到传统污水处理效益最大化。采收后的微藻还能用作微藻肥料，能提高其经济和社会价值。
附图说明
图1：本发明活性污泥系统的主视图；
图中：1、曝气池；2、活性污泥；3、鼓风机；
图2：本发明活性污泥系统的俯视图；图中：4、曝气支管；5、曝气主管；
图3：本发明传送带式旋转藻生物膜系统的主视图；
图中：6、传送带支撑钢架；7、转轴；8、动力传送带、9、传送带刮刀；10、传送带微藻收集槽；
图4：本发明传送带式旋转藻生物膜系统的俯视图；
图中：11、传送带电机；12、传送带藻膜；
图5：本发明滚筒式旋转藻生物膜系统的主视图；
图中：13、膜支柱；14、滚筒藻膜；15、搅拌叶片；16、滚筒刮刀；17、滚筒微藻收集槽；
图6：本发明滚筒式旋转藻生物膜系统的左视图；
图中：18、滚筒支撑钢架；19、滚筒电机；20、轴；
图7：本发明传送带式菌藻旋转生物膜反应器系统；
图8：本发明滚筒式菌藻旋转生物膜反应器系统；
图9：本发明系统与对照池在不同水力停留时间的总磷去除率图；
图中：横坐标为系统类型，纵坐标为总磷去除率（mg/L/d），HRT为水力停留时间，总磷去除率：反应器单位体积每天去除的总磷量；
图10：本发明系统与对照池在不同水力停留时间的总磷去除效率图；
图中：横坐标为系统类型，纵坐标为总磷去除效率（%），HRT为水力停留时间，总磷去除效率：废水中去除总磷的百分比；
图11：本发明系统与对照池在不同水力停留时间的总磷去除能力图；
图中：横坐标为系统类型，纵坐标为总磷去除率（mg/L/d），HRT为水力停留时间，总磷去除能力：单位占地面积每天去除的总磷量。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例所述的一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统及应用，主要包括活性污泥系统和传送带式旋转藻生物膜系统两部分。
活性污泥系统主体为曝气池（1），还包括活性污泥（2）和鼓风机（3），曝气主管（5）和曝气支管（4）位于曝气池的底部。
传送带式旋转藻生物膜系统包括转轴（7）、传送带藻膜（12）、传送带支撑钢架（6）、传送带刮刀（9）、传送带电机（11）、动力传送带（8）和传送带微藻收集槽（10）。
所述应用的过程步骤为
步骤1：微藻的培养
将长势良好的微藻转入微藻培养基中培养，于光照摇床中培养，光照强度为4000Lux，温度为28℃，转速为120转/分钟，获得光密度值为2的藻液。
步骤2：微藻的贴壁
将步骤1培养所得的藻液稀释10倍后通过喷头均匀地喷洒到贴壁材料上。
步骤3：微藻膜的形成
将微藻贴壁后的贴壁材料安装于转轴（7）上。
步骤4：微藻的收获
当微藻膜生长至一定厚度时，可通过调节传送带刮刀（9）将贴壁材料上的微藻刮下，微藻被收集在传送带微藻收集槽（10）内。
所述除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统的装置高度为2m；水力停留时间为1.3天、4.6天和7天；传送带的运转速率为4转/分钟；曝气流量为250毫升/分钟；旋转生物膜贴壁材料的面积为12m2；刮刀采收微藻的频率7天/次。
菌藻旋转生物膜反应器系统运行时环境温度为25℃，光照强度为6000Lux；微藻藻种为小球藻；微藻培养基为BG-11培养基；贴壁材料为纯棉帆布。
实施例2
对废水中磷的去除效果
将长势良好的小球藻从试管斜面上活化至BG-11培养液中，于转速为120转/分钟，温度为28℃，光照强度为4000Lux的光照摇床中培养7天，获得光密度值为0.8的较高细胞密度的藻液，将贴壁材料浸泡于藻液中并与光照条件下培养24小时使微藻细胞附着与贴壁材料上，于当地某城市污水处理厂取得市政废水及活性污泥，将市政废水转入活性污泥系统的曝气池（1）中，同时加入所取活性污泥，打开鼓风机（3）设置曝气量为250毫升/分钟，将传送带式旋转藻生物膜系统与该曝气系统组合，使藻生物膜系统下端浸没于曝气池的废水中，启动旋转藻生物膜系统中的传送带电机（11），同时设置一对照池，仅采用活性污泥系统进行处理，保持系统稳定运行，并定期取样检测水质变化情况。结果如图9、图10和图11所示，可以明显看出本发明系统的处理效果优于对照池。
实施例3
本实施例一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统包括活性污泥系统和滚筒式旋转藻生物膜系统两部分。
活性污泥系统主体为曝气池（1），还包括活性污泥（2）和鼓风机（3），曝气主管（5）和曝气支管（4）位于曝气池的底部。
滚筒式旋转藻生物膜系统包括滚筒藻膜（14）、搅拌叶片（15）、滚筒刮刀（16）、滚筒微藻收集槽（17）、滚筒支撑钢架（18）、滚筒电机（19）、膜支柱（13）和轴（20）。
应用的过程步骤为
步骤1：微藻的培养
将长势良好的微藻转入微藻培养基中培养，于光照摇床中培养，光照强度为4000Lux，温度为28℃，转速为120转/分钟，获得光密度值为2的藻液。
步骤2：微藻的贴壁
将步骤1培养所得的藻液稀释10倍后通过喷头均匀地喷洒到贴壁材料上。
步骤3：微藻膜的形成
将微藻贴壁后的贴壁材料安装于膜支柱（13）上。
步骤4：微藻的收获
当微藻膜生长至一定厚度时，可通过调节传送带刮刀（16）将贴壁材料上的微藻刮下，微藻被收集在传送带微藻收集槽（17）内。
除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统的装置高度为0.5m；水力停留时间为7天；滚筒的运转速率为6转/分钟；曝气流量为250毫升/分钟；旋转生物膜贴壁材料的面积为1200cm2；刮刀采收微藻的频率7天/次。
菌藻旋转生物膜反应器系统运行时环境温度为25℃，光照强度为6000Lux；微藻藻种为小球藻；微藻培养基为BG-11培养基；贴壁材料为纯棉帆布。
在微藻生物质产量上的优势
利用BG-11培养基培养获得光密度值为2的藻液，将藻液以浸泡的方式接种于本系统的附着面积为1200cm2的贴壁材料上。于当地某城市污水处理厂取得市政废水及适量的活性污泥，将活性污泥接种于系统的活性污泥池内并进行曝气，曝气量为250毫升/分钟，启动旋转藻生物膜系统中的电机，使系统的旋转速率处于6转/分钟。装置置于可接收光照的区域稳定运行，光照强度为6000Lux，环境温度为25℃。对照组为平板式光生物反应器，长宽高分别为60×80×60cm，工作容积为16L，在光照强度为6000Lux，环境温度为25℃，并通入含2.5%CO2的空气，曝气量为1L/min的条件下，连续培养5天后比较比本系统与对照组微藻的生长情况，结果表明：本系统的微藻生物质产量为24.57±3.36g/m2，对照组为1.81g/L；生物质产率为3.51±0.48g/m2，对照组为0.26g/L。

Claims (5)

1.一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统的应用，其特征在于：所述的应用采用由活性污泥系统和旋转藻生物膜系统两部分构成的菌藻旋转生物膜反应器系统；
活性污泥系统主体为曝气池（1），还包括活性污泥（2）和鼓风机（3），以及位于曝气池（1）底部的曝气支管（4）和曝气主管（5）；
旋转藻生物膜系统为传送带式旋转藻生物膜系统；
所述的传送带式旋转藻生物膜系统包括传送带支撑钢架（6）、转轴（7）、动力传送带（8）、传送带刮刀（9）、传送带微藻收集槽（10）、传送带电机（11）和传送带藻膜（12）；所述的转轴（7）包括上方转抽和下方转轴；
所述活性污泥系统置于传送带式旋转藻生物膜系统的下方，下方转轴淹没于曝气池（1）的废水中；
所述的传送带式旋转藻生物膜系统构成的菌藻旋转生物膜反应器系统的装置高度为2m；传送带的运转速率为4转/分钟；曝气流量为250毫升/分钟；旋转生物膜贴壁材料面积为12m2；刮刀采收微藻的频率7天/次；菌藻旋转生物膜反应器系统运行时环境温度为25℃，光照强度为6000Lux，水力停留时间为7天；
所述的应用步骤为：
步骤1：微藻的培养
将长势良好的微藻转入微藻培养基中培养，于光照摇床中培养，光照强度为4000Lux，温度为28℃，转速为120转/分钟，获得光密度值为2的藻液；
步骤2：微藻的贴壁
将步骤1培养所得的藻液稀释10倍后，通过喷头均匀地喷洒到贴壁材料上或将贴壁材料浸泡于藻液中培养；
步骤3：微藻膜的形成
将微藻贴壁后的贴壁材料安装于转轴（7）上；
步骤4：微藻的收获
当微藻膜生长至一定厚度时，通过调节传送带刮刀（9）将贴壁材料上的微藻刮下，微藻被收集在传送带微藻收集槽（10）。
2.一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统的应用，其特征在于：所述的应用采用由活性污泥系统和旋转藻生物膜系统两部分构成的菌藻旋转生物膜反应器系统；
活性污泥系统主体为曝气池（1），还包括活性污泥（2）和鼓风机（3），以及位于曝气池（1）底部的曝气支管（4）和曝气主管（5）；
旋转藻生物膜系统为滚筒式旋转藻生物膜系统；
所述的滚筒式旋转藻生物膜系统包括滚筒藻膜（14）、搅拌叶片（15）、滚筒刮刀（16）、滚筒微藻收集槽（17）、滚筒支撑钢架（18）、滚筒电机（19）、膜支柱（13）和轴（20）；
所述活性污泥系统置于滚筒式旋转藻生物膜系统的下方，滚筒下方淹没于曝气池（1）的废水中；
所述的滚筒式旋转藻生物膜系统构成的菌藻旋转生物膜反应器系统的装置高度为0.5m；滚筒的运转速率为6转/分钟；曝气流量为250毫升/分钟；旋转生物膜贴壁材料面积为0.12m2；刮刀采收微藻的频率7天/次；菌藻旋转生物膜反应器系统运行时环境温度为25℃，光照强度为6000Lux，水力停留时间为7天；
所述的应用步骤为：
步骤1：微藻的培养
将长势良好的微藻转入微藻培养基中培养，于光照摇床中培养，光照强度为4000Lux，温度为28℃，转速为120转/分钟，获得光密度值为2的藻液；
步骤2：微藻的贴壁
将步骤1培养所得的藻液稀释10倍后，通过喷头均匀地喷洒到贴壁材料上或将贴壁材料浸泡于藻液中培养；
步骤3：微藻膜的形成
将微藻贴壁后的贴壁材料安装于膜支柱（13）上；
步骤4：微藻的收获
当微藻膜生长至一定厚度时，通过调节滚筒刮刀（16）将贴壁材料上的微藻刮下，微藻被收集在滚筒微藻收集槽（17）内。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统的应用，其特征在于：所述的微藻藻种为小球藻属、筒柱藻属、硅藻、菱形藻、裂壶藻、杜氏藻属、栅藻、微绿球藻、衣藻属、扁藻或空球藻属中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统的应用，其特征在于：所述的微藻培养基为BG-11培养基、F/2培养基、walne培养基、TAP培养基、生活污水或动物粪便废水中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器系统的应用，其特征在于：所述的贴壁材料为海绵泡沫、静电植绒、纯棉帆布、泡沫塑料或尼龙中的一种。
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