CN112830641A - 一种基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器及其藻培养方法 - Google Patents

一种基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器及其藻培养方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器及其藻培养方法，微藻生物膜反应器包括废水培养液箱、光生物反应器主体、复合中空纤维膜组件、曝气组件、光照组件、藻生物膜培养填料、浓缩藻液箱、反冲洗系统等。微藻生物膜反应器的培养方法，废水通过废水培养液箱进入光生物反应器主体，为固定藻生物膜提供生长所需的营养，复合中空纤维膜组件联合曝气组件为固定藻生物膜提供生长所需的二氧化碳，光照组件为固定藻生物膜提供生长所需的光照，废水处理液由中空纤维膜组件过滤排入出水箱，剩余的浓缩藻液一部分收集到浓缩藻液箱，一部分继续固定在培养填料表面用于下一周期微藻生物膜反应器的培养。

Description

一种基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器及其藻 培养方法
技术领域
本发明涉及属于藻类培养反应器技术领域，具体涉及一种基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器及其藻培养方法。
背景技术
微藻是指只能在显微镜下才能看到的微小藻类的统称。微藻具有生长迅速、光合效率高等特点，能有效利用太阳能通过光合作用将无机营养盐、二氧化碳、水等物质转化为有机化合物，因含油量高、易于培养、单位面积产量高、不占耕地等优点而被认为是目前已知的唯一可能替代化石燃料的原料，而且，可用于食品、饲料、生物质原材料以及精细化工原料等，或用作遗传学和分子生物学实验材料。此外，微藻在生长过程中还能固定空气中二氧化碳为减轻温室效应做出贡献。
悬浮式培养是目前微藻培养耦合废水处理技术中应用研究中最广泛且已实现工业化应用的微藻培养方式，通常分为开放式跑道池及封闭式光生物反应器。开放式跑道池具有结构简单、建造费用、运行成本低等优势，大多工程化应用采用该技术。封闭式光生物反应器通常由主体培养装置(管式、平板式、袋式等)、气体交换单元以及循环动力系统组成，可根据微藻的生理学特征精准控制体系温度、营养、CO2等关键培养参数，实现更高的微藻培养效率。但悬浮培养模式存在微藻培养浓度较低、微藻细小颗粒难分离及微藻浓缩采收能耗较高等诸多问题。因此，难以建立较大规模、可持续且经济可行的整体系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种藻类培养方法，通过复合中空纤维膜组件实现二氧化碳供给和浓缩藻液/废水固液分离，填料提供微藻生物膜载体，从而提升微藻培养效率、有机废水处理负荷和微藻浓缩分离效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器及其藻培养方法，
其中基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器包括反应池，所述反应池上设置有进液口以及浓缩液排液口，所述反应池中设置有浓缩曝气装置，所述浓缩曝气装置包括中空纤维膜组件、汇流管、曝气管以及出水管，在出水管上设置有阀门，所述中空纤维膜组件用于浓缩过滤反应池的藻液，浓缩过滤后藻液进入汇流管，汇流管连接出水管以及曝气管；所述反应池中还设置有填料用于藻生物膜培养，在填料区域还设置有光照组件用于提供光照促进藻类生长，曝气管连接二氧化碳气源；
包括如下步骤：
(1)废水通过废水培养液箱进入光生物反应器主体；
(2)向步骤(1)中的光生物反应器主体接种藻液，藻液浓度为0.5～0.8g/L，培养时间为5～8天，
其中，光照强度控制3000～6000lux,光暗时间比12h:12h；在培养过程中持续或者隔间进行曝气；
(3)培养完毕后，利用中空纤维膜组件对藻液进行过滤浓缩，过滤液排出反应池，剩余的浓缩藻液一部分收集到浓缩藻液箱，一部分继续固定在培养填料表面用于下一周期微藻生物膜反应器的培养，下一周期的微藻培养不再接种新菌种。
进一步的，所述浓缩过滤完毕，对中空纤维膜组件进行反冲洗。
进一步的，藻生物膜培养填料为PE/PP载体，表面积为0.005m2，比表面积为3.73m2/m3，填料的填充比为30％-45％。
进一步的，所述中空纤维膜组件包括若干个中空膜丝，中空膜丝一端固定在底板上，另一端连通汇流管。
进一步的，所述中空纤维膜丝外径、壁厚、内径分别为1.8mm、0.3mm、1.2mm，孔隙率为50％-80％；膜丝长度为0.3-0.8m。
进一步的，所述光源组件包括LED灯源以及导光板，导光板采用纳米导光板，导光板厚度为4mm， LED灯源从导光板的一个端面射入作为入射光源，导光板的另一端面未做光出射面，导光板的其他面粘贴反光膜。
从上述技术方案可以看出本发明具有以下优点：
1.由于能分别控制水力停留时间和微藻停留时间，相比于传统光生物反应器能以更高的水力负荷运行。
2.实现在反应器内微藻和培养液的原位分离。
3.相比传统培养方式的环绕式光源，通过在内部配置光源和导光板的方式可以使微藻受光更加充分，单位时间内生长代谢速率提升，从而极大增加其生长速率。
4.实现在反应器内二氧化碳的均匀传质，复合中空纤维膜组件可实现微纳曝气，与传统的曝气方式相比，二氧化碳以分子形式进入生物膜中被利用，二氧化碳传质的效率要远远高于传统的微孔曝气或者表面曝气系统，这样既能满足微藻对无机碳的需求，同时又大大降低了能耗，并且在处理含挥发性污染物废水时也不会带来二次污染。在供气过程中，微纳曝气使得生物膜不会受到如机械曝气产生的气泡摩擦，也不会因曝气膜表层的剪切力而脱落；传质过程由气相不经过液相主体直接到固相，传质阻力要小于常规机械曝气法。
附图说明
图1为本发明中的反应器的结构示意图；
图2为本发明的功能框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做具体说明。
本发明采用的基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器如图1所示，包括反应池1，所述反应池1上设置有进液口11以及浓缩液排液口5，进液口用于通入藻液原液以及废水等，在反应池中设置有曝气分离一体化装置，包括中空纤维膜组件、汇流管2、曝气管8以及出水管6，在出水管6上设置有阀门7，所述中空纤维膜组件用于浓缩过滤反应池的藻液，浓缩过滤后藻液进入汇流管，汇流管连接出水管以及曝气管，曝气管连接二氧化碳气源。中空纤维膜组件包括若干个中空膜丝3，中空膜丝3一端固定在底板4 上，另一端连通汇流管2。中空膜丝外径、壁厚、内径分别为1.8mm、0.3mm、1.2mm，空隙率为50％-80％；膜丝长度为0.5-0.8m。孔径为0.01-0.1μm；膜丝数量为400-500根，摆放形式为吊帘式，通气形式为贯通式。
反应池中还设置有填料12用于藻生物膜培养，在填料区域还设置有光照组件用于提供光照促进藻类生长，曝气管连接二氧化碳气源。藻生物膜培养填料为PE/PP载体，表面积为0.005m2，比表面积为3.73 m2/m3，填料的填充比为30％-45％。
所述光源组件包括LED灯源10以及导光板9，导光板9采用纳米导光板，导光板9厚度为4mm， LED灯源10从导光板的一个端面射入作为入射光源，导光板的另一端面未做光出射面，导光板的其他面粘贴反光膜。光照强度控制3000-6000lux，光暗时间比12h:12h。
废水通过废水培养液箱进入光生物反应器主体，为固定藻生物膜提供生长所需的营养，复合中空纤维膜组件联合曝气组件为固定藻生物膜提供生长所需的二氧化碳，光照组件为固定藻生物膜提供生长所需的光照，废水处理液由中空纤维膜组件过滤排入出水箱，剩余的浓缩藻液一部分收集到浓缩藻液箱，一部分继续固定在培养填料表面用于下一周期微藻生物膜反应器的培养。
以下两个实施例以某淀粉加工废水厌氧发酵液和某畜禽养殖废水发酵沼液作为微藻培养液，淀粉厌氧废水和畜禽养殖废水发酵沼液成分特征指标如表所示。
Figure BDA0002969384390000031
Figure BDA0002969384390000041
实施例1：
如图2所示，取淀粉加工废水厌氧发酵液培养普通小球藻，厌氧发酵液通过废水培养液箱进入光生物反应器主体，调节曝气组件控制中空纤维膜组件进入反应器的二氧化碳流量，达到微纳曝气状态，同时使反应器内微藻膜负载填料保持悬浮生长状态，通气量控制在0.15-0.2L/min，中空纤维膜组件为微滤膜，材料是有机硅中空纤维膜丝，孔径为0.01-0.1μm，调正光照组件，使光照强度控制3000～6000lux，光暗时间比12h:12h。微藻生物膜达到稳定生长阶段时的水力停留时间为5～8天，此时，反应器内微藻浓度最高可达4.5～6.5g/L，废水中溶解性有机物、总氮和总磷去除率分别为76.0-83％、83.1-85.4％和95％-97.0％，油脂含量可达20％-25％。利用有机硅中空纤维膜实现处理发酵液和微藻的固液分离，当浓缩液达到20-30 g/L时回收70-80％的藻泥进入到浓缩藻液箱，保留少量藻液作为下一周期的种藻。
实施例2：
如图2所示，取畜禽养殖废水发酵沼液培养蛋白核小球藻，酸化液通过废水培养液箱进入光生物反应器主体，调节曝气组件控制中空纤维膜组件进入反应器的二氧化碳流量，达到微纳曝气状态，同时使反应器内微藻膜负载填料保持悬浮生长状态，通气量控制在0.15-0.2L/min，中空纤维膜组件为微滤膜，材料是有机硅中空纤维膜丝，孔径为0.01-0.1μm，调正光照组件，使光照强度控制3000～6000lux，光暗时间比 12h:12h。微藻生物膜达到稳定生长阶段时的水力停留时间为5～8天，此时，反应器内微藻浓度最高可达 3.89～5.27g/L，废水中溶解性有机物、总氮和总磷去除率分别为63.4-72.5％、76.5-85.7％和87.2-96.4％，油脂含量可达23％-29％。利用有机硅中空纤维膜实现处理发酵液和微藻的固液分离，当浓缩液达到 20-30g/L时回收70-80％的藻泥进入到浓缩藻液箱，剩余的藻泥作为下一周期的种泥。

Claims (6)

1.一种基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器及其藻培养方法：
其中基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器包括反应池，所述反应池上设置有进液口以及浓缩液排液口，所述反应池中设置有浓缩曝气装置，所述浓缩曝气装置包括中空纤维膜组件、汇流管、曝气管以及出水管，在出水管上设置有阀门，所述中空纤维膜组件用于浓缩过滤反应池的藻液，浓缩过滤后藻液进入汇流管，汇流管连接出水管以及曝气管；所述反应池中还设置有填料用于藻生物膜培养，在填料区域还设置有光照组件用于提供光照促进藻类生长，曝气管连接二氧化碳气源；
包括如下步骤：
(1)废水通过废水培养液箱进入光生物反应器主体；
(2)向步骤(1)中的光生物反应器主体接种藻液，藻液浓度为0.5～0.8g/L，培养时间为5～8天，
其中，光照强度控制3000～6000lux,光暗时间比12h:12h；在培养过程中持续或者隔间进行曝气；曝气的气源为压缩空气或者CO2；
(3)培养完毕后，利用中空纤维膜组件对藻液进行过滤浓缩，过滤液排出反应池，剩余的浓缩藻液一部分收集到浓缩藻液箱，一部分继续固定在培养填料表面用于下一周期微藻生物膜反应器的培养，下一周期的微藻培养不再接种新菌种。
2.根据权利要求1所述的基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器的藻类培养方法，其特征在于：所述浓缩过滤完毕，对中空纤维膜组件进行反冲洗。
3.根据权利要求1所述的基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器的藻类培养方法，其特征在于：藻生物膜培养填料为PE/PP载体，表面积为0.005m2，比表面积为3.73m2/m3，填料的填充比为30％-45％。
4.根据权利要求1所述的基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器的藻类培养方法，其特征在于：所述中空纤维膜组件包括若干个中空膜丝，中空膜丝一端固定在底板上，另一端连通汇流管。
5.根据权利要求1所述的基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器的藻类培养方法，其特征在于：所述中空膜丝外径、壁厚、内径分别为1.8mm、0.3mm、1.2mm，空隙率为50％-80％；膜丝长度为0.3-0.8m。
6.根据权利要求1所述的基于膜曝气和膜浓缩的高密度微藻生物膜反应器的藻类培养方法，其特征在于：所述光源组件包括LED灯源以及导光板，导光板采用纳米导光板，导光板厚度为4mm，LED灯源从导光板的一个端面射入作为入射光源，导光板的另一端面未做光出射面，导光板的其他面粘贴反光膜。
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