CN110981119A - 一种微藻生物反应装置和污水处理方法 - Google Patents

一种微藻生物反应装置和污水处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微藻生物反应装置，包括微藻膜生物反应模块、光照模块和砂滤池，微藻膜生物反应模块包括布水盘和阵列式膜组件，布水盘包括布水管和中空圆盘，布水管设在中空圆盘上，中空圆盘的上端设有进水管，阵列式膜组件包括滤膜和膜支架，滤膜通过膜支架与布水管连接，光照模块包括支架、LED灯带和反光板，支架顶端与中空圆盘连接，LED灯带和反光板均设在支架内部，砂滤池内部设有安装底座，砂滤池通过安装底座与支架连接，砂滤池内设有化学纤维滤膜、沸石混料层和沙石层；利用本发明能够解决传统方式的光能利用率低，微藻去除难，占地面积大，能耗高，投资成本高等问题，并且能够满足污水深度处理需求。

Description

一种微藻生物反应装置和污水处理方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种微藻生物反应装置和污水处理方法。
背景技术
迄今为止，藻类技术应用于污水处理领域，尤其是在污水脱氮除磷方面，已经有60余年的历史，而且，微藻对于污水，尤其是低碳污水的深度处理具有很好的应用前景。但是由于实际应用方面具有诸多的技术弊端，所以目前未能广泛的推广。
虽然近年来，国内外的学者们在开发微藻污水深度净化方面进行了大量研究，在污水净化机理，筛选驯化优势藻种，设计相应的反应器及工艺条件控制等方面取得了一些进展，但是，微藻细胞在低能耗情况下高效增殖以及低成本的分离、收集和去除仍然是一个难以攻克的技术瓶颈。
目前，微藻培养反应器主要为开放式和封闭式两种方式。开放式主要以传统的培养池为代表，虽然结构简单，建设成本低，但是，池体透光性极差，能耗大，需要曝气、搅拌，而且藻密度较低，占地面积大，收集难；封闭式主要包括柱式、管式和板式等形式。相比开放式培养，封闭式培养可有效提高微藻培养密度，增加光能利用效率。但是，存在投资成本高，需要曝气，管道传输动力消耗大，占地面积大、收集、分离成本高等问题。
所以，如何实现在确保微藻培养密度的前提下，减少投资成本，减少占地面积，提高光能利用率，减少传输能耗，简化微藻分离、去除方法是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种微藻生物反应装置和污水处理方法，具备设计科学、结构合理、投资成本低，占地面积少，光能利用率高，能耗低，以及微藻分离、去除方法简单等特点。
本发明的技术方案为：一种微藻生物反应装置，包括微藻膜生物反应模块、光照模块和砂滤池；微藻膜生物反应模块包括布水盘和阵列式膜组件，布水盘包括布水管和中空圆盘，布水管呈星射线状排布在中空圆盘上，且布水管中心汇集与中空圆盘相连通，布水管底侧设计有1-2排微孔，微孔的孔径为1-2mm，中空圆盘的上端设置有进水管，进水管上设置有流量阀；阵列式膜组件包括滤膜和膜支架，滤膜通过膜支架与布水管连接，以重力滴加行式布水，维持整张滤膜膜面的浸润状态，实现微藻，气，水成膜化，加强彼此之间的接触及物质交换；光照模块包括支架和LED灯带，支架为圆筒状结构，支架的顶端与中空圆盘连接，LED灯带设置在支架内部，砂滤池为圆柱形池体，砂滤池的直径大于微藻膜生物反应模块的直径，砂滤池内部中心位置设置有安装底座，安装底座的高度大于砂滤池的高度，砂滤池通过安装底座与支架的底端连接，砂滤池外壁上设置有外排管，外排管上设置有循环支管，循环支管能够与进水管导通，砂滤池内部从上至下依次设置有化学纤维滤膜、沸石混料层和沙石层。
进一步地，滤膜采用开放式，无密封外罩，有利于滤膜与外部空气充分接触，为滤膜提供充足的CO2和O2，实现高效的气体交换充分利用.
进一步地，滤膜材质为高分子化学纤维制成的具有亲水性、孔径为微米级的膜，高分子化学纤维材料包括为聚丙烯、碳纤维、玻璃纤维、聚酯、涤纶中的一种，由上述材料制备的滤膜能够为微藻增殖提供附着的介质，并且具有一定的透光性。
进一步地，支架由透光性好、可塑性强的材料制成，具体为透明有机玻璃或亚克力板，LED灯带的排布方式可采用紧贴光照模块内壁螺旋式、斜式或垂直式排布，通过设置可透光的支架，在LED灯带的作用下，能够为滤膜提供充足的光照，有利于提高装置的污水处理效率。
进一步地，光照模块还包括反光板，所述反光板32与砂滤池的外壁固定连接，且位于滤膜外侧，通过设置反光板，利用反光板在夜晚是为该装置提供光照。
进一步地，安装底座与砂滤池连接处设置有旋转电机，旋转电机外部设置有防水罩，通过旋转电机能够带动滤膜旋转，从而提高滤膜对外界自然光照的利用率。
进一步地，应用装置能够实现原位诱导、驯化优势微藻种群，包括小球藻、集球藻、椭圆小球藻、斜生栅藻、二形栅藻、四尾栅藻、针形纤维藻、镰形纤维藻奇异变种和卷曲纤维藻，通过微藻细胞的不断增殖实现对于污水的净化作用。
进一步地，沸石混料层包括沸石，方解石和石灰岩，对于净化后水体中残留的总磷等物质进行进一步吸收去除。
利用上述微藻生物反应装置进行污水处理的方法，包括以下步骤：
S1、通过外部集水池收集的生活污水通过进水管注入空圆盘中，然后通过布水管上的微孔以重力滴加的形式为滤膜供水，并始终保持滤膜处于浸润状态；外部空气为滤膜提供充足的CO2和O2，实现高效的气体交换；
S2、通过外部电源装置为LED灯带供电，LED灯带在反光板的作用下向架外反射光线，为滤膜提供充足光源；实现膜原位诱导、驯化优势微藻种群，通过微藻细胞的不断增殖实现对于污水的净化作用；此过程中，通过旋转电机带动滤膜连同膜支架一起转动，提高外界自然光照的利用率；
S3、经过膜组件净化后的中水汇集流入砂滤池中，通过砂滤池中设置的化学纤维滤膜进行简单的过滤，去除被水流冲刷掉落到砂滤池中的微藻细胞，通过沸石混料层和沙石层对中水中残余的总磷等物质进一步吸收；处理完成的中水通过外排管排出，亦可将循环支管与进水管连接，对污水进行循环处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的微藻膜生物反应装置以及利用该装置进行处理污水的方法，突破传统微藻培养方式介质的束缚，有效减少占地面积，提高光能利用率，促进气体等物质交换，无需曝气搅拌，减少能耗，并且简化微藻的分离和去除方法；本发明的装置不仅限于应用于微藻养殖方面，而且也适用于污水处理方面，由于微藻可以通过吸收大气中的CO2来当作碳源，因此也适用于污水厂处理后的低碳源中水的深度处理，具有广阔的应用范围。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的的纵剖图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明的砂滤池的内部结构示意图；
图5是本发明的实施例2的结构示意图；
其中，1-布水盘、11-布水管、12-中空圆盘、13-进水管、14-流量阀、2-阵列式膜组件、20-滤膜、21-膜支架、3-光照模块、30-支架、31-LED灯带、32-反光板、4-安装底座、40-旋转电机、41-防水罩、5-砂滤池、51-外排管、52-循环支管、53-化学纤维滤膜、54-沸石混料层、55沙石层。
具体实施方式
实施例1：如图1、2、3所示的一种微藻生物反应装置，包括微藻膜生物反应模块、光照模块3和砂滤池5；微藻膜生物反应模块包括布水盘1和阵列式膜组件2，布水盘1包括布水管11和中空圆盘12，布水管11呈星射线状排布在中空圆盘12上，且布水管11中心汇集与中空圆盘12相连通，布水管11底侧设计有1-2排微孔，微孔的孔径为2mm，孔间距2mm，中空圆盘12的上端设置有进水管13，进水管13上设置有流量阀14；
如图1、2所示，阵列式膜组件2包括滤膜20和膜支架21，滤膜20通过膜支架21与布水管11连接，以重力滴加行式布水，维持整张滤膜20膜面的浸润状态，实现微藻，气，水成膜化，加强彼此之间的接触及物质交换；滤膜20采用开放式，无密封外罩，有利于滤膜20与外部空气充分接触，为滤膜20提供充足的CO2和O2，实现高效的气体交换充分利用；滤膜20材质为高密度聚丙烯吸水无纺布，孔径约80μm，厚度5mm；单片膜宽0.5m，高2m；
如图2所示，光照模块3包括支架30和LED灯带31，支架30为圆筒状结构，支架30的顶端与中空圆盘12连接，LED灯带31设置在支架30内部；支架30由透光性好、可塑性强的材料制成，具体为透明有机玻璃，LED灯带31的排布方式为垂直式排布，灯管的使用数量满足膜表面的平均光照强度达到3500lx，通过设置可透光的支架30，在LED灯带的作用下，能够为滤膜20提供充足的光照，有利于提高装置的污水处理效率；
如图1、2、4所示，砂滤池5为圆柱形池体，砂滤池5的直径为1.5m，高为0.5m，砂滤池5的直径大于微藻膜生物反应模块的直径，砂滤池5内部中心位置设置有安装底座4，安装底座4的高度大于砂滤池5的高度，砂滤池5通过安装底座4与支架30的底端连接，安装底座4与砂滤池5连接处设置有旋转电机40，旋转电机40外部设置有防水罩41，旋转电机40采用上海益速电机有限公司生产的YEJ100L1-4型三相异步电动机，通过旋转电机40能够带动滤膜20旋转，从而提高滤膜20对外界自然光照的利用率；砂滤池5外壁上设置有外排管51，外排管51上设置有循环支管52，循环支管52能够与进水管13导通，砂滤池5内部从上至下依次设置有化学纤维滤膜53、沸石混料层54和沙石层55，沸石混料层54包括沸石，方解石和石灰岩，对于净化后水体中残留的总磷等物质进行进一步吸收去除，应用装置能够实现原位诱导、驯化优势微藻种群，包括小球藻、集球藻、椭圆小球藻、斜生栅藻、二形栅藻、四尾栅藻、针形纤维藻、镰形纤维藻奇异变种和卷曲纤维藻，通过微藻细胞的不断增殖实现对于污水的净化作用。
利用上述微藻生物反应装置进行污水处理的方法，包括以下步骤：
S1、通过外部集水池收集的生活污水通过进水管13注入空圆盘12中，然后通过布水管11上的微孔以重力滴加的形式为滤膜20供水，并始终保持滤膜20处于浸润状态；外部空气为滤膜20提供充足的CO2和O2，实现高效的气体交换；
S2、通过外部电源装置为LED灯带31供电，LED灯带31为滤膜20提供充足光源；实现膜20原位诱导、驯化优势微藻种群，通过微藻细胞的不断增殖实现对于污水的净化作用；此过程中，通过旋转电机40带动滤膜20连同膜支架21一起转动，提高外界自然光照的利用率；
S3、经过膜组件20净化后的中水汇集流入砂滤池5中，通过砂滤池5中设置的化学纤维滤膜53进行简单的过滤，去除被水流冲刷掉落到砂滤池5中的微藻细胞，通过沸石混料层54和沙石层55对中水中残余的总磷等物质进一步吸收；处理完成的中水通过外排管51排出，亦可将循环支管52与进水管13连接，对污水进行循环处理。
实施例2：本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：
如图5所示，照模块3还包括反光板32，反光板32与砂滤池5的外壁固定连接，且位于滤膜20的外侧，通过设置反光板，能够在夜晚为装置提高光照，延长装置的污水处理时间，进而提高污水处理效率。
应用例：应用本发明的实施例1和实施例2分别对本市某化工厂生产污水进行净化处理，处理前测得污水中BOD为1548mg/L，COD位1788mg/L，悬浮物为130mg/L，氨氮240mg/L，总磷为13mg/L；分别处理一周后，污水中各项污染物浓度检测结果如表1所示：
表1 经实施例1、2处理后的污水中各项污染物浓度检测结果：
Figure BDA0002350642310000061
Figure BDA0002350642310000071
由表1可知，应用本发明实施例1和实施例2分别进行污水净化处理，均能够实现CO2减排和生物能源生产、氮、磷及CO2高去除效率，达到保护环境和生产生物资源的双重效果；同时，使用反光板后，污水中BOD、COD、悬浮物、氨氮、总磷的去除率均有所提高，适于大规模推广应用。

Claims (8)

1.一种微藻生物反应装置，其特征在于，包括微藻膜生物反应模块、光照模块(3)和砂滤池(5)；所述微藻膜生物反应模块包括布水盘(1)和阵列式膜组件(2)，所述布水盘(1)包括布水管(11)和中空圆盘(12)，所述布水管(11)呈星射线状排布在中空圆盘(12)上，且布水管(11)中心汇集与中空圆盘(12)相连通，布水管(11)底侧设计有1-2排微孔，所述微孔的孔径为1-2mm，所述中空圆盘(12)的上端设置有进水管(13)，所述进水管(13)上设置有流量阀(14)；所述阵列式膜组件(2)包括滤膜(20)和膜支架(21)，所述滤膜(20)通过膜支架(21)与布水管(11)连接；所述光照模块(3)包括支架(30)和LED灯带(31)，所述支架(30)为圆筒状结构，支架(30)的顶端与中空圆盘(12)连接，所述LED灯带(31)设置在支架(30)内部，所述砂滤池(5)为圆柱形池体，砂滤池(5)的直径大于微藻膜生物反应模块的直径，砂滤池(5)内部中心位置设置有安装底座(4)，所述安装底座(4)的高度大于砂滤池(5)的高度，砂滤池(5)通过安装底座(4)与支架(30)的底端连接，砂滤池(5)外壁上设置有外排管(51)，所述外排管(51)上设置有循环支管(52)，所述循环支管(52)能够与进水管(13)导通，砂滤池(5)内部从上至下依次设置有化学纤维滤膜(53)、沸石混料层(54)和沙石层(55)。
2.根据权利要求1所述的一种微藻生物反应装置，其特征在于，所述滤膜(20)采用开放式，无密封外罩。
3.根据权利要求1所述的一种微藻生物反应装置，其特征在于，所述滤膜(20)材质为高分子化学纤维制成的具有亲水性、孔径为微米级的膜，所述高分子化学纤维材料包括为聚丙烯、碳纤维、玻璃纤维、聚酯、涤纶中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种微藻生物反应装置，其特征在于，所述支架(30)由透光性好、可塑性强的材料制成，具体为透明有机玻璃或亚克力板，所述LED灯带(31)的排布方式可采用紧贴光照模块(3)内壁螺旋式、斜式或垂直式排布。
5.根据权利要求1所述的一种微藻生物反应装置，其特征在于，所述光照模块(3)还包括反光板(32)，所述反光板(32)设置在与砂滤池(5)的外壁固定连接，且位于滤膜(20)外侧。
6.根据权利要求1所述的一种微藻生物反应装置，其特征在于，所述安装底座(4)与砂滤池(5)连接处设置有旋转电机(40)，所述旋转电机(40)外部设置有防水罩(41)。
7.根据权利要求1所述的一种微藻生物反应装置，其特征在于，应用所述装置能够实现原位诱导、驯化优势微藻种群，包括小球藻、集球藻、椭圆小球藻、斜生栅藻、二形栅藻、四尾栅藻、针形纤维藻、镰形纤维藻奇异变种和卷曲纤维藻。
8.利用权利要求1-6任一所述的微藻生物反应装置进行污水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:通过外部集水池收集的生活污水通过进水管(13)注入空圆盘(12)中，然后通过布水管(11)上的微孔以重力滴加的形式为滤膜(20)供水，并始终保持滤膜(20)处于浸润状态；外部空气为滤膜(20)提供充足的CO2和O2，实现高效的气体交换；
S2：通过外部电源装置为LED灯带(31)供电，LED灯带(31)在反光板(32)的作用下向架(30)外反射光线，为滤膜(20)提供充足光源；实现膜(20)原位诱导、驯化优势微藻种群，通过微藻细胞的不断增殖实现对于污水的净化作用；此过程中，通过旋转电机(40)带动滤膜(20)连同膜支架(21)一起转动，提高外界自然光照的利用率；
S3：经过膜组件(20)净化后的中水汇集流入砂滤池(5)中，通过砂滤池(5)中设置的化学纤维滤膜(53)进行简单的过滤，去除被水流冲刷掉落到砂滤池(5)中的微藻细胞，通过沸石混料层(54)和沙石层(55)对中水中残余的总磷等物质进一步吸收；处理完成的中水通过外排管(51)排出，亦可将循环支管(52)与进水管(13)连接，对污水进行循环处理。
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