CN109456878A - 一种塔式流化床光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种塔式流化床光生物反应器，属于微藻培养技术领域。包括废水发酵单元，对收集在其内部容腔中的废水进行搅拌发酵，得到微藻培养液；集液单元，与废水发酵单元相连，收集和储存所述微藻培养液；培养处理单元，为塔式结构，其内由上至下依次设置有喷淋装置、若干层带孔的培养结构，位于培养结构中部设置有固定化活性污泥球珠，位于培养结构外侧部设置有固定化藻球，培养结构上还设有防水灯带；所述喷淋装置连接集液单元；吸附杀菌单元，位于培养处理单元顶部，对由培养处理单元顶部进入的空气进行过滤及杀菌。本发明实现了藻类培养、收集和废水发酵的一体化，节约了微藻培养成本的同时，净化水质和空气，同时收获大量藻类生物质。

Description

一种塔式流化床光生物反应器
技术领域
本发明涉及微藻培养技术领域，特别是一种塔式流化床光生物反应器。
背景技术
微藻是光能自养型生物，广泛分布在地球上的淡水、海洋和各种土壤里，具有生长迅速、 光合效率高、适应性强和通过无性繁殖等特点。微藻可利用光能、CO2、废水中的有机碳、氨 氮、有机磷等物质为碳源、氮源和磷源，并吸附重金属净化废水；也可吸收大气中的CO2等气 体作为自身代谢碳源，产生O2净化空气；同时微藻中含多种高附加值生物活性物质，如多不 饱和脂肪酸、藻类多糖、藻蓝素、虾青素、胡萝卜素等，具有抗生素、抗心血管疾病、增强 免疫力、抗肿瘤、抗辐射、抗突变和抗艾滋病等药用价值和保健功能，对人类的疾病有预防、 治疗和保健功能。微藻作为饲料、医疗、生物工程、食品、轻化工、生物燃料等行业的重要 原料，其产业化生产与利用愈发为人们所重视。
活性污泥是现代化污水处理厂中深度生物处理的必然用到的，活性污泥中含有大量的微 生物，包括噬磷菌、亚硝化细菌、硝化细菌等，污水处理厂一直存在着三方面的大问题,即1. 好氧池曝气消耗污水处理厂60％以上的能源；2.活性污泥的膨胀、腐化变质增加了运营难度与 专业性；3.剩余活性污泥过盛导致剩余污泥处理成本的增加与对环境的二次污染。目前几乎 80％以上的污水处理产均存在以上问题，研究和开发新的污水处理工艺、降低污水处理成本与 运营难度是目前最需要探索与研究的，这也是对环境保护的必然要求。
对于微藻能源的开发方面，目前国内外的主要研究方向是利用微藻处理废水、微藻都得 生物固碳、微藻规模化养殖及高附加值产物的提取方向，而微藻对废水的处理、规模化养殖 及高附加值产物的提取上，存在以下问题，1.微藻需要光才能将CO2及碳源转化为O2，进行 生物固碳；2.微藻对污水的COD降解有限，超过一定时间后污水的COD还会呈增加趋势，但对 营养元素如N、P等，降解效果突出；3.微藻较小，且难以沉降了，这也导致了微藻在悬浮状 态下收集的成本将大大增加，这也是制约微藻规模化养殖的主要原因；4.微藻处理废水所需 要的水里停留时间较长，且处理完污水后不能很好地去除微藻，导致水体的浊度、色度等升 高；5.微藻的生物固碳量较低，因为悬浮状态下空气中的CO2需要从空气介质进入液态培养 基自由扩散进入藻细胞，之后才能被吸收固定并在光的作用下发生光合作用，将CO2转化为 O2，但CO2在液体中的溶解度较低，要想提高CO2在培养基中的溶解度，就必须是培养基呈碱 性，但由于微藻适宜生长的pH范围在6-10左右，所以CO2的生物固定依然受很大制约与影响。
目前，微藻可与污水和工业废气的处理相结合，在处理污水和工业废气的同时合成高附 值物质，降低培养成本。研究方向主要为探究微藻的培养方法和不同废液类型与不同微藻类 型的藕合，对于如何实现废液发酵与微藻培养、回收、剩余污泥过剩等一体化生产等问题上， 关注较少，因此，有必要提出一种塔式流化床光生物反应器来实现废液发酵和微藻培养、回 收及剩余污泥过剩等一体化生产，从而降低生产成本，净化废水和空气。
发明内容
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种塔式流化床光生物反应器，通过将固定 化微藻球珠与固定化活性污泥球珠作为填料相结合，实现了藻类培养、收集和废水发酵的一 体化，节约了微藻培养成本的同时，净化水质和空气，同时收获大量藻类生物质。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种塔式流化床光生物反应器，包括
废水发酵单元，对收集在其内部容腔中的废水进行搅拌发酵，得到微藻培养液；
集液单元，与废水发酵单元相连，收集和储存所述微藻培养液；
培养处理单元，为塔式结构，其内由上至下依次设置有喷淋装置、若干层带孔的培养结 构，位于培养结构中部设置有固定化活性污泥球珠，位于培养结构外侧部设置有固定化藻球， 培养结构上还设有防水灯带；所述喷淋装置连接集液单元；
吸附杀菌单元，位于培养处理单元顶部，对由培养处理单元顶部进入的空气进行过滤及 杀菌；
自动控制单元，包括控制台以及与其连接的温度传感器、pH传感器、光照传感器、冷热 交换器，所述温度传感器、pH传感器和冷热交换器均设置在集液单元内，所述光照传感器设 置在培养处理单元内。
优选的，所述培养处理单元包括筒体，筒体顶部设有气孔，所述吸附杀菌单元设置在筒 体内且位于气孔下方；所述培养结构设置在筒体内，且培养结构之间通过细格栅间隔，细格 栅与筒体内壁相连；所述培养结构包括钢丝网内胆、若干圆台托盘和若干外环托盘，所述钢 丝网内胆为筒状结构位于细格栅中间且与细格栅垂直；所述圆台托盘内表面设有向上凸起的 孔槽，所述圆台托盘盘口竖直朝上设置且与钢丝网内胆内侧连接，若干所述圆台托盘依次间 隔设置；所述外环托盘为环状结构，其内环口对应套设在钢丝网内胆外侧面上并与圆台托盘 盘口对齐，所述外环托盘外缘倾斜朝下并与筒体内侧对应贴合；所述外环托盘均匀设置通孔。
优选的，所述筒体为透光材料制成；所述外环托盘由光学亚克力材料构成；所述圆台托 盘由不锈钢材料构成，其孔槽半径1-3mm，孔槽凸起高1-3mm。
优选的，所述圆台托盘内均匀装入直径为3-5mm的固定化活性污泥球珠；所述外环托盘 内装入直径为3-5mm的固定化微藻球珠。
优选的，所述废水发酵单元包括废水发酵罐；所述废水发酵罐底部设有过滤装置、带导 液阀的导液管和带蠕动泵的排料管，所述过滤装置设置在导液管位于废水发酵罐内的一端， 过滤装置由上到下依次为纱布、海绵、石砾、活性炭、纱布和过滤格栅；所述导液管连通集 液单元；所述集液单元包括集液罐。
优选的，所述培养处理单元底部高于集液单元，且与集液单元顶部通过阀门连通。
优选的，所述吸附杀菌单元包括紫外灯、多层间隔设置的吸附杀菌层，紫外灯位于吸附 杀菌层上方，所述吸附杀菌层由上至下依次为吸附碳层、吸光黑布和细网格栅。
优选的，所述喷淋装置包括喷头、导管和水泵，所述喷头设置在培养处理单元培养结构 的顶部，所述水泵位于集液单元内；所述导管连通喷头和水泵。
优选的，还包括导气系统，所述导气系统包括气泵、导气管、曝气装置、气阀和气阀流 量计；所述导气管一端通过两支管分别与气泵和废水发酵单元连接，且支管上均设置气阀和 气阀流量计，所述导气管的另一端连接曝气装置，所述曝气装置设置在培养处理单元内底部。
优选的，所述集液单元与废水发酵单元为一体式结构，废水发酵单元位于集液单元的上 方，所述废水发酵单元与集液单元框体结构为混泥土结构。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1.本发明可分为五部分，在废水发酵单元进行废水发酵，获得二氧化碳和甲烷气体通过 气阀流量计控制流量，缓缓导入布气管给微藻提供碳源；发酵液用作藻类生长的培养基，发 酵所产沼渣通过蠕动泵排除，在废水发酵罐因发酵产生大量发酵气体使得废水发酵罐中的压 强增大，并经过过滤装置将所得滤液经导液管压入集液罐，沼渣经导渣管导出并回收，作为 生物肥的原料，通过模拟层式生物流化床实现微藻细胞的浸润与生长，将废水发酵、微藻培 养与收集有机的结合在一起，净化废水的同时培养和收获具有高附值生物活性物质的藻，并 且吸收了CO2释放出氧气，净化了空气，有效降低了微藻生长过程中的培养成本。
2.本发明通过控制台接收光照传感器、pH传感器、温度传感器的在线监控信号，对信号 做进一步处理并发射信号至LED防水灯带、气泵、冷热交换器，实现对污水处理、废气处理、 微藻和活性污泥生长的实时监控和在线控制，提高了自动化水平，降低了管理难度。
3.本发明实现了在微藻培养时采用间歇补充和混合补充发酵液的方式，解决了发酵液中 高浓度氨氮抑制微藻生长的难题，比一般用净水稀释的方法节约了大量的清洁用水。
4.本发明将固定化微藻和固定化活性污泥相结合，微藻光合作用吸收CO2产生O2与活性 污泥呼吸作用吸收O2产生CO2形成动态平衡状态，因此可以在不曝气的情况下实现污水的高 效处理，可以大大降低对于废水处理的曝气耗能，同时将微藻和活性污泥的优点相结合，利 用微藻对氮磷的高效吸收和活性污泥对COD的快速降解，实现对废水的高效处理。
5.对于微藻回收这一难题，本发明将微藻固定化，生长一段时间后只需要将外环托盘中 的固定化微藻球珠收集起来，再加入0.1mol/l的柠檬酸三钠或碳酸氢钠即可收获包埋载体中 的微藻；固定化活性污泥可有效减少或抑制剩余污泥的产生，减少对剩余污泥的处理成本。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是废水发酵单元与集液单元示意图。
图3是本发明吸附杀菌单元结构示意图。
图4是培养处理单元示意图。
图5是培养结构示意图。
附图中，1-废水发酵单元、11-搅拌机、12-过滤装置、13-导液管、14-排料管、2-集液 单元、3-培养处理单元、31-筒体、32-喷淋装置、33-细格栅、34-钢丝网内胆、35-圆台托盘、 36-外环托盘、37-气孔、4-吸附杀菌单元、41-紫外灯、42-吸附碳层、43-吸光黑布、44-细 网格栅、5-自动控制单元、51-控制台、52-温度传感器、53-pH传感器、54-冷热交换器、55- 光照传感器、6-气泵、7-导气管、8-曝气装置。
具体实施方式
一种塔式流化床光生物反应器，包括
废水发酵单元1，对收集在其内部容腔中的废水进行搅拌发酵，得到微藻培养液；
集液单元2，与废水发酵单元1相连，收集和储存所述微藻培养液；
培养处理单元3，为塔式结构，其内由上至下依次设置有喷淋装置32、若干层带孔的培 养结构，位于培养结构中部设置有固定化活性污泥球珠，位于培养结构外侧部设置有固定化 藻球，培养结构上还设有防水灯带；所述喷淋装置32连接集液单元2；
吸附杀菌单元4，位于培养处理单元3顶部，对由培养处理单元3顶部进入的空气进行 过滤及杀菌；
自动控制单元5，包括控制台51以及与其连接的温度传感器52、pH传感器53、光照传 感器55、冷热交换器54，所述温度传感器52、pH传感器53和冷热交换器54均设置在集液单元2内，所述光照传感器55设置在培养处理单元3内。
上述装置中，废水发酵单元1，用于进行废水发酵，发酵过程中不断搅拌，发酵所产生 的CO2、沼气可以通过气阀流量计供藻类生长所用，当然也也可以直接对培养处理单元3泵 入空气或其他CO2源；所产沼液或叫培养液导入集液单元2，集液单元2经过喷淋装置32抽 提，将培养液喷洒至培养处理单元3内腔中的固定化微藻球珠和固定化活性污泥球珠上。当 然，之后还可以，通过气泵6将外部空气或废水发酵单元1中的沼气、CO2通过导气管7和 布气管，导入培养处理单元3，使得鼓入气体从布气管中的液体界面上升进入培养处理单元3， 与从上至下喷淋所产生的培养液相遇，更充分的吸收鼓入空气中的CO2、NOx和病菌，污水处 理更充分；并通过自动控制单元5实现了对光生物反应器中温度、pH、光照等条件的在线监 控与自动化控制，降低了运营管理难度。
以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。
如图1-5所示,公开了一种塔式流化床光生物反应器，包括废水发酵单元1、集液单元2、 培养处理单元3、吸附杀菌单元4和自动控制单元5。其中，集液单元2与废水发酵单元1为 一体式结构，废水发酵单元1位于集液单元2的下方，所述废水发酵单元1与集液单元2框体结构为混泥土结构。废水发酵单元1，对收集在其内部容腔中的废水通过搅拌机11搅拌发酵，得到微藻培养液。
集液单元2，与废水发酵单元1相连，收集和储存所述微藻培养液。
培养处理单元3，为塔式结构，其内由上至下依次设置有喷淋装置32、若干层带孔的培 养结构，位于培养结构中部设置有固定化活性污泥球珠，位于培养结构外侧部设置有固定化 藻球，培养结构上还设有防水灯带；所述喷淋装置32连接集液单元2。
吸附杀菌单元4，位于培养处理单元3顶部，对由培养处理单元3顶部进入的空气进行 过滤及杀菌。
自动控制单元5，包括控制台51以及与其连接的温度传感器52、pH传感器53、光照传 感器55、冷热交换器54，所述温度传感器52、pH传感器53和冷热交换器54均设置在集液单元2内，所述光照传感器55设置在培养处理单元3内。
如图2所示是废水发酵单元1与集液单元2示意图。废水发酵单元1包括废水发酵罐， 集液单元2包括集液罐。废水发酵罐与集液罐为一体结构，其中废水发酵罐在集液罐上方， 且废水发酵罐底部伸入集液罐中；废水发酵罐底部倾斜设置。废水发酵罐底部设有过滤装置 12、带导液阀的导液管13和带蠕动泵的排料管14，所述过滤装置12设置在导液管13位于 废水发酵罐内的一端，过滤装置12由上到下依次为纱布、海绵、石砾、活性炭、纱布和过滤 格栅。导液管13连通集液单元2。
如图3所示是本发明吸附杀菌单元4结构示意图。吸附杀菌单元4包括紫外灯41、多层 间隔设置的吸附杀菌层，紫外灯41位于吸附杀菌层上方，所述吸附杀菌层由上至下依次为吸 附碳层42、吸光黑布43和细网格栅44。这里同步实现对反应气体的细菌杂质吸附和杀菌消 毒。
如图4-5所示是培养处理单元3示意图。培养处理单元3包括筒体31，筒体31顶部设有气孔37，所述吸附杀菌单元4设置在筒体31内且位于气孔37下方。所述培养结构设置在筒体31内，且培养结构之间通过细格栅33间隔，细格栅33与筒体31内壁相连；所述培养 结构包括钢丝网内胆34、若干圆台托盘35和若干外环托盘36，所述钢丝网内胆34为筒状结 构位于细格栅33中间且与细格栅33垂直。圆台托盘35内表面设有向上凸起的孔槽，所述圆 台托盘35盘口竖直朝上设置且与钢丝网内胆34内侧连接，若干所述圆台托盘35依次间隔设置。外环托盘36为环状结构，其内环口对应套设在钢丝网内胆34外侧面上并与圆台托盘35盘口对齐，所述外环托盘36外缘倾斜朝下并与筒体31内侧对应贴合；所述外环托盘36均匀设置通孔。收集外环托盘36中的固定化微藻球珠实现微藻的收集，解决了悬浮培养微藻中难 以收集的瓶颈。
这里，筒体31为透光材料制成。外环托盘36由光学亚克力材料构成。圆台托盘35由不 锈钢材料构成，其孔槽半径2mm，孔槽凸起高2mm。圆台托盘35的上凸孔槽底部可储存少量 培养液，使底部固定化球珠可充分吸收培养基中的营养物质。
具体的，圆台托盘35内均匀装入直径为4mm的固定化活性污泥球珠；所述外环托盘36 内装入直径为4mm的固定化微藻球珠。并采用固定化活性污泥和固定化微藻相结合的方式作 为填料处理废水与外界气体中含有的CO2和NOX，不产生剩余污泥，固定化微藻通过光合作 用吸收CO2产生的O2与固定化活性污泥通过呼吸作用吸收O2产生的CO2耦合，形成有机体 系，从而无需外部曝气好氧。
其中，喷淋装置32包括喷头、导管和水泵，所述喷头设置在培养处理单元3培养结构的 顶部，所述水泵位于集液单元2内；所述导管连通喷头和水泵。
还包括导气系统，所述导气系统包括气泵6、导气管7、曝气装置8、气阀和气阀流量计； 所述导气管7一端通过两支管分别与气泵6和废水发酵单元1连接，且支管上均设置气阀和 气阀流量计，所述导气管7的另一端连接曝气装置8，所述曝气装置8设置在培养处理单元3 内底部。
为方便培养处理单元3中培养液回流，可以设置培养处理单元3底部高于集液单元2， 且与集液单元2顶部通过阀门连通。
在本说明书的描述中,具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或 示例中以合适的方式结合。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专 利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明 所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种塔式流化床光生物反应器，其特征在于：包括
废水发酵单元，对收集在其内部容腔中的废水进行搅拌发酵，得到微藻培养液；
集液单元，与废水发酵单元相连，收集和储存所述微藻培养液；
培养处理单元，为塔式结构，其内由上至下依次设置有喷淋装置、若干层带孔的培养结构，位于培养结构中部设置有固定化活性污泥球珠，位于培养结构外侧部设置有固定化藻球，培养结构上还设有防水灯带；所述喷淋装置连接集液单元；
吸附杀菌单元，位于培养处理单元顶部，对由培养处理单元顶部进入的空气进行过滤及杀菌；
自动控制单元，包括控制台以及与其连接的温度传感器、pH传感器、光照传感器、冷热交换器，所述温度传感器、pH传感器和冷热交换器均设置在集液单元内，所述光照传感器设置在培养处理单元内。
2.根据权利要求1所述的一种塔式流化床光生物反应器,其特征在于：所述培养处理单元包括筒体，筒体顶部设有气孔，所述吸附杀菌单元设置在筒体内且位于气孔下方；所述培养结构设置在筒体内，且培养结构之间通过细格栅间隔，细格栅与筒体内壁相连；所述培养结构包括钢丝网内胆、若干圆台托盘和若干外环托盘，所述钢丝网内胆为筒状结构位于细格栅中间且与细格栅垂直；所述圆台托盘内表面设有向上凸起的孔槽，所述圆台托盘盘口竖直朝上设置且与钢丝网内胆内侧连接，若干所述圆台托盘依次间隔设置；所述外环托盘为环状结构，其内环口对应套设在钢丝网内胆外侧面上并与圆台托盘盘口对齐，所述外环托盘外缘倾斜朝下并与筒体内侧对应贴合；所述外环托盘均匀设置通孔。
3.根据权利要求2所述的一种塔式流化床光生物反应器,其特征在于：所述筒体为透光材料制成；所述外环托盘由光学亚克力材料构成；所述圆台托盘由不锈钢材料构成，其孔槽半径1-3mm，孔槽凸起高1-3mm。
4.根据权利要求2所述的一种塔式流化床光生物反应器,其特征在于：所述圆台托盘内均匀装入直径为3-5mm的固定化活性污泥球珠；所述外环托盘内装入直径为3-5mm的固定化微藻球珠。
5.根据权利要求1所述的一种塔式流化床光生物反应器,其特征在于：所述废水发酵单元包括废水发酵罐；所述废水发酵罐底部设有过滤装置、带导液阀的导液管和带蠕动泵的排料管，所述过滤装置设置在导液管位于废水发酵罐内的一端，过滤装置由上到下依次为纱布、海绵、石砾、活性炭、纱布和过滤格栅；所述导液管连通集液单元；所述集液单元包括集液罐。
6.根据权利要求1所述的一种塔式流化床光生物反应器,其特征在于：所述培养处理单元底部高于集液单元，且与集液单元顶部通过阀门连通。
7.根据权利要求1所述的一种塔式流化床光生物反应器,其特征在于：所述吸附杀菌单元包括紫外灯、多层间隔设置的吸附杀菌层，紫外灯位于吸附杀菌层上方，所述吸附杀菌层由上至下依次为吸附碳层、吸光黑布和细网格栅。
8.根据权利要求1所述的一种塔式流化床光生物反应器,其特征在于：所述喷淋装置包括喷头、导管和水泵，所述喷头设置在培养处理单元培养结构的顶部，所述水泵位于集液单元内；所述导管连通喷头和水泵。
9.根据权利要求1所述的一种塔式流化床光生物反应器,其特征在于：还包括导气系统，所述导气系统包括气泵、导气管、曝气装置、气阀和气阀流量计；所述导气管一端通过两支管分别与气泵和废水发酵单元连接，且支管上均设置气阀和气阀流量计，所述导气管的另一端连接曝气装置，所述曝气装置设置在培养处理单元内底部。
10.根据权利要求1所述的一种塔式流化床光生物反应器,其特征在于：所述集液单元与废水发酵单元为一体式结构，废水发酵单元位于集液单元的上方，所述废水发酵单元与集液单元框体结构为混泥土结构。
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