CN111849704A - 一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器，包括反应器主体和反应器顶板，反应器主体为顶端开口的矩形盒体，反应器顶板设置在反应器主体的顶端；其特征在于：反应器主体内设置有“V”型槽、生物膜基底、布气装置和若干导光板；布气装置设置在反应器主体的底部，布气装置上设置有若干出气孔；“V”型槽设置在反应器主体的上部，所有导光板从上往下设置，且位于“V”型槽的下方；从上往下位于奇数层的导光板的左端嵌入反应器主体的左侧壁，右端与反应器主体的右侧壁留有缝隙，且左端比右端高；从上往下位于偶数层的导光板的右端嵌入反应器主体的右侧壁，左端与反应器主体的左侧壁留有缝隙；可广泛应用于生物、环保等领域。

Description

一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器

技术领域

本发明涉及微藻生物膜反应器，具体涉及一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器。

背景技术

随着我国市场经济的快速发展，可持续发展理念越来越受到人们生活的主流，伴随经济发展而来的废弃物处理也越来越成为当务之急，“WtE”技术以能源、环境、资源相互转化的理念备受关注。结合实际国情，我国农业、林业和畜牧业的生产活动每年都会产生大量的废弃物，这些废弃物通过厌氧发酵技术利用后仍会残留大量的发酵尾液，俗称沼液，具有浊度高、氨氮浓度高等特点，若直接排放将会导致土壤板结，甚至污染地下水源。传统的废水处理技术如活性污泥法对沼液的处理效果不佳，而新兴的微藻技术可以利用沼液中富含的氮磷等元素进行光合作用，生产藻基多功能产品的同时实现沼液的达标排放，已成为废水处理领域中的研究热点。

微藻是一类在地球上分布广泛、营养丰富且光合利用程度高的微型自养植物，具有光合效率高、生长速度快、环境适应能力强、成熟微藻生物质用途广泛等优点。微藻的培养方式主要包括悬浮式培养和生物模式培养。悬浮式培养是指微藻细胞在培养基中分散呈悬浮态；生物膜式培养是指微藻细胞在静电力、表面张力、范德华力、粘附力的作用下固定于载体表面生长。目前大部分的微藻光生物反应器主要对微藻进行悬浮式培养，但随着微藻浓度的富集，光强在悬浮液内将呈指数型衰减，且沼液浊度高，光强衰减性更为严重，因而悬浮式的培养方式无法满足微藻的光强要求，更无法克服光衰减问题。此外，沼液净化后必须得到纯净的水源，而悬浮式的培养方式又面临着藻、液分离的问题，悬浮式培养时微藻的采收能耗占整个工艺30％～40％，大大增加了工艺的运行成本。而微藻的生物膜培养方式则可在基底表面打光，成膜后的微藻直接接触外部光强，克服了悬浮液培养光衰减的问题，且成膜的微藻可以通过一种低能耗的方式如刮除等进行采收，降低了藻、液分离的成本，故生物膜培养的方式净化沼液相比悬浮式培养具有极大的优势。此外，微藻净化沼液处理周期长，必须保证足够的水力停留时间才能保证一定的净化效率，这将大大增加了微藻生物膜反应器的占地面积，为尽量减少反应器实际运行中的基建成本，则必须考虑水力停留时间和占地面积之间的关系。

综上所述，亟需设计一种光传递效率强、占地面积小的微藻生物膜反应器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器。

本发明的技术方案是,一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器，包括反应器主体和反应器顶板，所述反应器主体为顶端开口的矩形盒体，反应器顶板设置在反应器主体的顶端；其特征在于：反应器主体内设置有“V”型槽、生物膜基底、布气装置和若干导光板；布气装置设置在所述反应器主体的底部，布气装置上设置有若干出气孔；“V”型槽设置在所述反应器主体的上部，所有导光板从上往下层叠设置在所述“V”型槽的下方；从上往下位于奇数层的导光板的左端嵌入反应器主体的左侧壁，右端与反应器主体的右侧壁留有缝隙，且位于奇数层的导光板的左端比右端高；从上往下位于偶数层的导光板的右端嵌入反应器主体的右侧壁，从上往下位于偶数层的导光板的左端与反应器主体的左侧壁留有缝隙，且位于偶数层的导光板的右端比左端高；所述“V”型槽的底端设置有缝隙，生物膜基底的上端嵌入“V”型槽底端的缝隙内，生物膜基底的下端位于最底层的导光板下方；所述生物膜基底呈S型铺设在导光板上；所述反应器主体设置有出液口、进气口、进液口和出气口，出液口和进气口设置在最底层的导光板下方，进气口与布气装置连通，出液口与进液口通过蠕动泵连通，进液口与“V”型槽连通，出气口设置在反应器顶板上。

根据本发明所述的一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器的优选方案，光源设置在所述反应器主体外侧。

根据本发明所述的一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器的优选方案，所述反应器主体和反应器顶板均由透光材料制成。

根据本发明所述的一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器的优选方案，所述反应器主体与反应器顶板之间设置有硅胶垫片。来实现反应器主体5和反应器顶板9的密封配合，其目的是防止二氧化碳气体逃逸，在反应器主体5内部腔体内营造一个高二氧化碳浓度的气体氛围。

本发明所述的一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器的有益效果是:阶梯式的结构使得沼液在重力作用下依次流过各个导光板，大大增加了沼液在生物膜上的停留时间，提高了反应器内沼液的净化效率；该反应器将多种强化手段耦合在一起，提高了微藻生物膜反应器净化沼液的效率，强化了光的传递、提高了水力停留时间、减小了占地面积，并采用多种方式进行强化，提高了微藻生物膜反应器的净化性能，可广泛应用于生物、环保等领域。

附图说明

图1是本发明所述的一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器的结构示意图。

图2是本发明所述的生物膜基底12的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器，包括反应器主体5和反应器顶板9，所述反应器主体5为顶端开口的矩形盒体，反应器顶板9设置在反应器主体5的顶端；反应器主体5内设置有“V”型槽7、生物膜基底12、布气装置15和若干导光板13；布气装置15设置在所述反应器主体5的底部，布气装置15上设置有若干出气孔；“V”型槽7设置在所述反应器主体5的上部，所有导光板13从上往下层叠设置在所述“V”型槽7的下方；从上往下位于奇数层的导光板的左端嵌入反应器主体5的左侧壁，右端与反应器主体5的右侧壁留有缝隙，且位于奇数层的导光板的左端比右端高，使导光板从左往右往下倾斜；从上往下位于偶数层的导光板的右端嵌入反应器主体5的右侧壁，从上往下位于偶数层的导光板的左端与反应器主体5的左侧壁留有缝隙，且从上往下位于偶数层的导光板的右端比左端高，使导光板从右往左往下倾斜；所述“V”型槽7的底端设置有缝隙，生物膜基底12的上端嵌入“V”型槽7底端的缝隙内，生物膜基底12的下端位于最底层的导光板下方；所述生物膜基底12呈S型依次铺设在导光板上；所述反应器主体5设置有出液口1、进气口2、进液口6和出气口11，出液口1和进气口2设置在最底层的导光板下方，进气口2与布气装置15连通，出液口1与进液口6通过管路以及蠕动泵4连通，进液口6与“V”型槽7连通，出气口11设置在反应器顶板9上。

在具体实施例中，光源14设置在所述反应器主体5外侧。所述反应器主体5和反应器顶板9均由透光材料制成。

所述反应器主体5与反应器顶板9之间设置有硅胶垫片10，并通过固定螺栓8连接，来实现反应器主体5和反应器顶板9的密封配合，其目的是防止二氧化碳气体逃逸，在反应器主体5内部腔体内营造一个高二氧化碳浓度的气体氛围。

其中，出液口1主要用于将反应器主体内部底端未处理完全的混合液取出经蠕动泵4再次泵入反应器主体内部的“V”型槽7内；进气口2用于向反应器内补充微藻所需的二氧化碳；取样口3主要用于从反应器主体内部的混合液定期取样，用于测定微藻细胞生物量、氨氮浓度、COD、TP等相关参数。反应器顶板9上设有进液口6和出气口11，进液口6一是用于初始培养时向反应器加入一定浓度的微藻细胞悬浮液和原生沼液，二是培养过程中将反应器主体内部底端的混合液经进液口泵入反应器内部；出气口11为直径大小7mm的圆型开孔，为反应器主体5内部二氧化碳的主要出口，在反应器主体5内部形成高二氧化碳浓度范围的同时引导二氧化碳的流动路径为自下而上。

“V”型槽7由两块材质与反应器主体5相同的长方形透明材料组装成“V”字型结构，可固定在反应器主体内部上端前、后壁上，“V”型槽7的顶端与反应器顶板留有间隙，“V”型槽7的底端的拼接处留有2mm缝隙，生物膜基底12则嵌入“V”字底端缝隙内并与之过密配合，其目的在于从进液口6进入反应器主体5的混合液集聚在“V”型槽后会在重力的作用下均匀的流入生物膜基底内部，实现了混合液在生物膜基底内均匀分布的目的。

在具体实施例中，生物膜基底12由聚丙烯、硝酸纤维膜等成膜性能好的材料加工而成，形状剪切为长条片状，宽度与导光板宽度相同，长度足够长以能够按照S型阶梯的方式铺满反应器主体5内所有导光板13上。

导光板13结合生物膜基底12形成的阶梯式结构的作用主要体现在：将外部光源通过导光板13导入反应器主体5内部，优化反应器导光条件，强化了光传递；阶梯式的结构使得沼液在重力作用下依次流过各个导光板，大大增加了沼液在生物膜上的停留时间，提高了反应器内沼液的净化效率。

布气装置15位于反应器主体5底部，设置为环形，经通气软管与反应器主体5的进气口2连接。布气装置15由PU管、PVC管、不锈钢管等材料制作而成，其上均匀分布多个出气孔。为了保证布气装置气体均匀分布，布气装置15水平放置，且通气软管与布气装置15通过三通连接，保证气体在环形管道进口同时向两端布气，使得经由布气装置后的气泡大小均匀。

使用该高效净化沼液的微藻生物膜反应器时，首先使用75％的酒精将反应器内部清洗干净，再用去离子水将反应器反复清洗三次，待反应器内残留水分蒸发完毕后用紫外线照射五分钟。接种时，将沼液和初始低浓度的微藻经进液口泵入反应器内，混合液首先集聚到“V”型槽内，并逐步渗透到生物膜基底内部，随后调节蠕动泵改变进液流量，使得进液量和渗透量保持平衡，则“V”型槽内液面保持稳定。再将具有一定二氧化碳体积浓度的混合气体(如二氧化碳体积浓度为5％和氮气体积浓度为95％的混合气体)经反应器进气口2送入布气装置15，富含二氧化碳的混合气体则由布气装置上的出气孔以小气泡的形式进入反应器主体内部下端的悬浮液中。而后原生沼液和微藻的混合液则会在各层导光板上的生物膜基底上依次流过，最终落入反应器主体内部底端，再由蠕动泵4将反应器主体内部底端的悬浮液重新泵入“V”型槽中，实现系统循环。在反应器运行期间，定期从反应器主体左侧壁上的取样口抽取少量混合液，用于检测沼液氨氮、总磷、化学需氧量的含量，待沼液达到排放标准后，将液体倒出经过滤后排放，将生物膜基底从反应器内取出并刮除微藻16进行采收，收集后用于制取鱼饵、饲料添加剂等附加值产品。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器，包括反应器主体(5)和反应器顶板(9)，所述反应器主体(5)为顶端开口的矩形盒体，反应器顶板(9)设置在反应器主体(5)的顶端；其特征在于：反应器主体(5)内设置有“V”型槽(7)、生物膜基底(12)、布气装置(15)和若干导光板(13)；布气装置(15)设置在所述反应器主体(5)的底部，布气装置(15)上设置有若干出气孔；“V”型槽(7)设置在所述反应器主体(5)的上部，所有导光板(13)从上往下设置，且位于所述“V”型槽(7)的下方；从上往下位于奇数层的导光板的左端嵌入反应器主体(5)的左侧壁，右端与反应器主体(5)的右侧壁留有缝隙，且从上往下位于奇数层的导光板的左端比右端高；从上往下位于偶数层的导光板的右端嵌入反应器主体(5)的右侧壁，从上往下位于偶数层的导光板的左端与反应器主体(5)的左侧壁留有缝隙，且从上往下位于偶数层的导光板的右端比左端高；所述“V”型槽(7)的底端设置有缝隙，生物膜基底(12)的上端嵌入“V”型槽(7)底端的缝隙内，生物膜基底(12)的下端位于最底层的导光板下方；所述生物膜基底(12)呈S型铺设在导光板上；所述反应器主体(5)设置有出液口(1)、进气口(2)、进液口(6)和出气口(11)，出液口(1)和进气口(2)设置在最底层的导光板下方，进气口(2)与布气装置(15)连通，出液口(1)与进液口(6)通过管路以及蠕动泵(4)连通，进液口(6)与“V”型槽(7)连通，出气口(11)设置在反应器顶板(9)上。

2.根据权利要求1所述的一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器，其特征在于：光源(14)设置在所述反应器主体(5)外侧。

3.根据权利要求1所述的一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器，其特征在于：所述反应器主体(5)和反应器顶板(9)均由透光材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器，其特征在于：所述反应器主体(5)与反应器顶板(9)之间设置有硅胶垫片(10)。

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