CN113105991B - 一种微纳米气泡培养采收一体化微藻生物膜反应器及其微藻培养采收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微纳米气泡培养采收一体化微藻生物膜反应器以及藻类培养方法,微藻生物膜反应器包括反应池主体、微纳米曝气膜组件、光照组件、填料、刮藻装置等。废水进入反应池,微纳米曝气膜组件为微藻生物膜提供小直径二氧化碳微纳米气泡,微藻采收时通过微纳米曝气膜组件释放大直径微纳米气泡冲刷气浮藻泥,进而刮藻装置采收气浮藻泥,反应池通过排水装置排水。本装置微藻培养密度高、污染物净化效率高、集微藻培养采收于一体。
Description
技术领域
本发明涉及属于藻类培养反应器技术领域,具体涉及一种基于微纳米气泡培养采收一体化微藻生物膜反应器。
背景技术
能源和水资源都是人类社会发展的重要物质基础,寻找可替代的能源成为了目前世界范围内广泛关注的问题。与此同时,污水的再生利用是解决这水资源危机的重要途径,而进一步降低污水中的COD、氮、磷等营养物质是污水回用于景观用水、补充地表水资源等时所要解决的首要问题。
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氮磷等无机营养盐、CO2、H2O等物质转化为蛋白质、碳水化合物、油脂等具有开发利用价值的有机化合物,可在净化污水的同时实现营养物质的资源化。微藻培养可在滩涂、盐碱地、水域等地方进行,不占耕地,避免了与粮食生产的竞争。微藻培养中所需的氮磷营养盐可来自于污水,微藻光自养过程以CO2作为生长碳源,可有效缓解CO2排放问题,从而能够实现生物柴油生产等与废水处理和温室气体减排等的耦合。但是,目前微藻光生物反应器的污水处理以及营养的传质效果较差,为了保证微藻生物能源的高效利用,必须首先解决微藻生物量的问题,即通过培养得到足量的微藻生物质。此外,培养后产生的藻液浓度较低且处于微藻细胞个体悬浮的状态,给微藻的收获带来了极大的难度,传统絮凝沉淀、离心分离、过滤等操作通常耗时耗力,且较为昂贵,使系统的整体经济效益进一步降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决上述现有技术的不足,提供一种基于微纳米气泡培养采收一体化微藻生物膜反应器及其微藻培养采收方法。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种基于微纳米气泡培养采收一体化微藻生物膜反应器。
一体化微藻生物膜反应器采用循环式微藻生物膜工艺通过序批式间歇进水方式完成废水的深度处理,该工艺集微藻培养、采收功能于一体,进水、培养、气浮、排水过程在同一反应器内依次进行,周期循环。其包括反应池,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微藻类生长;所述的反应池装有隔网用于阻隔填料的上浮和下沉;所述反应池中设置有微纳膜曝气装置,所述微纳膜曝气装置包括轴流旋转陶瓷膜、旋流电机、以及进气管,所述微纳膜曝气装置用于提供微藻生长所需的二氧化碳以及冲刷气浮微藻;所述反应池上设置有刮藻机以及藻斗,用于采收和储存处于气浮状态的浓藻液;所述的反应池通过排水装置排出处理废水。
具体的微藻培养采收方法如下:包括如下步骤:
(1)废水通过废水培养液箱进入微藻生物膜反应器主体。
(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4~6天。
其中,光照强度控制3000~6000lux,光暗时间比12h:12h;在培养过程中通过微纳曝气膜持续或者隔间进行曝气,经微纳膜产生的微气泡在轴流旋转剪切力作用下产生大量直径为0.1~50微米的气泡,促进微藻的高效培养和基质传递;
(3)培养完毕后,加大微纳曝气的气体流量和起泡直径,气泡的冲刷作用使填料上的微藻生物膜脱落,填料被隔网阻隔,微藻气浮在上层液浓缩。反应器上层的刮藻机对上层藻浓缩液进行采收刮入渣斗收集,80-90%微藻采收完成后排水。
(4)排水后进入下一周期,反应器内不再接种微藻。
进一步的,所述气浮阶段的微纳气泡直径为10~30微米,气浮时间为5~10分钟。
进一步的,藻生物膜培养填料为DHPE K3填料,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,所述的反应池装有隔网用于阻隔填料的上浮和下沉,隔网的空隙小于DHPE K3填料。
进一步的,所述微纳曝气膜组件包括若干个陶瓷盘膜,通过中轴连接在旋流电机,另一端连通进气管。
进一步的,所述进气管为12毫米PU软管,进气压力为1~2Pa。
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。
进一步的,所述的反应池通过排水装置排出处理废水。
从上述技术方案可以看出本发明具有以下优点:
1.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。
2.由于通过微纳膜曝气产生的微纳气泡,现在反应器内二氧化碳的均匀传质,相比于传统光生物反应器能具有更高的传质效果和微藻培养浓度。
3.通过微纳膜曝气的调节可以实现微藻培养阶段和采收阶段的微纳气泡流量和直径控制,实现微纳曝气和气浮采收的一体化。
4.由于微藻生物膜的生物密度远高于悬浮生长模式,污染物净化效率高,可显著降低水力停留时间,减少占地面积。脱落的微藻生物膜沉降性能良好,易实现固液高效分离。
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。
其中基于微纳米气泡培养采收一体化微藻生物膜反应器包括反应池1,所述反应池中还设置有填料2用于藻生物膜培养,在填料区域还设置有光照组件3用于提供光照促进微藻类生长;所述的反应池装有隔网4用于阻隔填料2的上浮和下沉;所述反应池中设置有微纳膜曝气装置6,所述微纳膜曝气装置包括轴流旋转陶瓷膜、旋流电机、以及进气管,所述微纳膜曝气装置用于提供微藻生长所需的二氧化碳以及冲刷气浮微藻;所述反应池上设置有刮藻机7以及藻斗8,用于采收和储存处于气浮状态的浓藻液;所述的反应池通过排水装置5排出处理废水。
以下两个实施例以某养猪场化粪池沼液废水和牛粪发酵液作为微藻培养液,猪场化粪池沼液和牛粪发酵液成分特征指标如表所示。
实施例1:
如图2所示,取猪场化粪池沼液培养普通小球藻。藻培养阶段:沼液进入反应池,微纳曝气膜组件参数(气泡直径为0.1~50微米,曝气量在0.15~0.2L/min),光照强度参数(3500~6500lux,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4~6天,反应器内微藻浓度达5~6.5g/L,废水中溶解性有机物、总氮和总磷去除率分别为75.04~85.54%、82.10~86.43%和95.23%~97.05%。微藻采收阶段:调节微纳曝气膜组件参数(气泡直径为10~30微米,气浮时间为5~10分钟),通过冲刷气浮微藻进而通过刮藻机采收的浓缩藻液,微藻采集浓度达到25~30g/L,回收率为85~90%。排水阶段:停止气浮,反应池通过排水装置排出处理废水。
实施例2:
如图2所示,取牛粪发酵沼液培养普通小球藻。藻培养阶段:沼液进入反应池,微纳曝气膜组件参数(气泡直径为0.1~50微米,曝气量在0.15~0.2L/min),光照强度参数(3500~6500lux,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5~7天,反应器内微藻浓度可达4.5~5.5g/L,废水中溶解性有机物、总氮和总磷去除率分别为65.40~75.50%、75.50~85.50%和85.50~95.50%。微藻采收阶段:调节微纳曝气膜组件参数(气泡直径为10~30微米,气浮时间为5~10分钟),通过冲刷气浮微藻进而通过刮藻机采收的浓缩藻液,微藻采集浓度达到25~30g/L,回收率为85~90%。排水阶段:停止气浮,反应池通过排水装置排出处理废水。
Claims (4)
1.一种微纳米气泡培养采收一体化微藻生物膜反应器,其特征在于:所述一体化微藻生物膜反应器采用循环式微藻生物膜工艺通过序批式间歇进水方式完成废水的深度处理,该工艺集微藻培养、采收功能于一体,进水、培养、气浮、排水过程在同一反应器内依次进行,周期循环,包括反应池,所述反应池中设置有填料用于藻生物膜培养,在填料区域设置有光照组件用于提供光照促进微藻类生长;所述的反应池装有隔网用于阻隔填料的上浮和下沉;所述反应池中还设置有微纳曝气膜装置,所述微纳曝气膜装置包括轴流旋转陶瓷膜、旋流电机、以及进气管,所述微纳曝气膜装置用于提供微藻生长所需的二氧化碳以及冲刷气浮微藻;所述反应池上设置有刮藻机以及藻斗,用于采收和储存处于气浮状态的浓藻液;所述的反应池通过排水装置排出处理废水;
所述藻生物膜培养填料为K3填料,表面积为0.005 m2,比表面积为3.73 m2/m3,填料的填充比为30%~45%;所述微纳曝气膜装置包括若干个陶瓷盘膜,通过中轴连接在旋流电机,另一端连通进气管,所述微纳曝气膜装置能够调节微藻培养阶段和采收阶段的微纳气泡流量和直径;所述光照组件包括LED灯源以及导光板,导光板采用纳米导光板,导光板厚度为4 mm,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。
2.一种基于微纳米气泡培养采收一体化微藻生物膜反应器的微藻培养采收方法,采用如权利要求1所述的反应器,
包括如下步骤:
(1) 废水通过废水培养液箱进入微藻生物膜反应器主体;
(2) 向步骤(1)中的光生物反应器主体接种藻液,藻液浓度为0.5~0.8 g/L,培养时间为4-6天;
其中,光照强度控制3000~6000 lux, 光暗时间比12 h:12 h;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;曝气装置为旋转式轴流旋转陶瓷膜;
(3) 培养完毕后,加大微纳曝气的气体流量和起泡直径,气泡的冲刷作用使填料上的微藻生物膜脱落,填料被隔网阻隔,微藻气浮在上层液浓缩;反应器上层的刮藻机对上层藻浓缩液进行采收刮入渣斗收集;
(4) 排水后进入下一周期,反应器内不再接种微藻。
3.根据权利要求2所述的基于微纳米气泡培养采收一体化微藻生物膜反应器的微藻培养采收方法,其特征在于:所述培养过程中通过微纳曝气膜持续或者隔间进行曝气,经微纳膜产生的微气泡在轴流旋转剪切力作用下产生大量直径为0.1~50微米的气泡,促进微藻的高效培养和基质传递。
4.根据权利要求2所述的基于微纳米气泡培养采收一体化微藻生物膜反应器的微藻培养采收方法,其特征在于:所述气浮阶段的微纳气泡直径为10~30微米,气浮时间为5~10分钟。
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