CN113233587A - 一种用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统和方法 - Google Patents
一种用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及污水净化技术领域，具体涉及一种用于污水深度净化的微藻培养池‑人工湿地耦合系统，所述系统包括串联的微藻培养池和人工湿地；所述微藻培养池中设置有微藻捕获填料，微藻捕获填料捕获微藻后得到的含藻水通过连通人工湿地，捕获的部分微藻利用导流管通入人工湿地中远离液面的缺氧反硝化功能区。以污水作为培养基在微藻培养池中实现微藻的培养和污水的净化，将微藻培养池中80％以上的微藻生物质进行低成本回收，部分微藻通入人工湿地中远离液面的缺氧反硝化功能区，裂解的藻细胞作为碳源促进湿地中的反硝化作用；实现了污水中部分营养物质的资源化，以无能耗的方式解决了人工湿地的补氧问题及碳源缺乏问题，提高了总氮、总磷的去除率。
Description
技术领域
本发明涉及污水净化技术领域，具体涉及一种用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿 地耦合系统和方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视 为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
大力发展污水深度处理与回用技术是缓解水资源短缺、防止水体污染的重要途径。
资源/能源型微藻培养与污水深度净化耦合技术将微藻的生长特性和污水的组成特征相 结合，利用微藻的光合作用将污水中的氮磷等污染物转化为微藻生物质，同步实现污水的 净化及污染物向生物质资源的转化。该技术可应用于生活污水、畜禽养殖废水等多类型污 水的净化，氮磷的去除率近乎100％，转化生成的微藻生物质是良好的水产饵料，部分高含 油(含量＞30％)藻种，具有生物柴油的生产潜质。然而，藻水高效分离需借助过滤、离心 等手段，能耗和成本较高，限制了该技术的大规模应用。
人工湿地技术是生物/生态法污水深度净化的经典应用，该技术运行成本低、维护简单， 且兼具生态景观功能。人工湿地利用环境微生物转化、植物吸收及基质吸附等多途径实现 污水的深度净化。在潜流人工湿地中，细菌群落在碳/氮类污染物的去除过程中占据主要地 位，贡献率超80％，远高于植物吸收与基质吸附，可见污染物的资源转化率较低。由于湿 地中植物根系泌氧及大气富氧效率较低，限制了氨氧化菌的氨氮氧化过程，使得总氮去除 率仅为40％左右，氨氮的高效去除需要曝气、潮汐流等补氧措施，成本较高。据报道，人 工湿地表层存在少量微藻，其水质净化及补氧功能贡献不足3％，基本可忽略不计。若能将 更多的微藻引入湿地中，可为湿地补氧提供新的重要途径；此外，微藻可通过分泌胞外产 物、气体交换等多种方式与菌群形成复杂的共生关系，可进一步提升湿地的水质净化能力。
现有技术中有报道将藻类培养池与人工湿地相结合处理高氮低碳的污水，藻类培养池 中的微藻对污水进行脱氮汇碳处理后，将微藻作为外加碳源流入人工湿地中提高人工湿地 的脱氮能力；但是现有技术中人工湿地脱氮能力仍有很大改善空间。
发明内容
针对现有技术中存在的人工湿地脱氮能力差的技术问题，本发明提供了一种用于污水 深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统，以污水作为培养基在微藻培养池中实现微藻的 培养和污水的净化，将微藻培养池中80％以上的微藻生物质进行低成本回收，将微藻培养 池中含少量微藻的含藻水通入人工湿地；含藻水进入人工湿地表面，通过光合作用产氧能 强化人工湿地的供氧与氨氮的氧化；将回收的一部分微藻利用导流管通入人工湿地中远离 液面的缺氧反硝化功能区，进入湿地深层的藻细胞则由于不利条件裂解死亡，裂解的藻细 胞作为碳源促进湿地中的反硝化作用，综上，实现最大化的氮脱除。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下所述：
在本发明的第一方面，提供一种用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统， 所述系统包括串联的微藻培养池和人工湿地；
所述微藻培养池中设置有微藻捕获填料，微藻捕获填料捕获微藻后剩余的含藻水连通 到人工湿地；捕获的一部分微藻利用导流管通入人工湿地中远离液面的缺氧反硝化功能区。
在微藻培养池中经过微藻捕获填料捕获后得到含藻水和微藻，含藻水中含有少量的残 存藻类；将含藻水添加到人工湿地中，并且将部分微藻作为碳源添加到人工湿地中远离液 面的缺氧反硝化功能区，而非表层好氧区，以减小微藻进入湿地的投入量，进入湿地深层 的藻细胞则由于不利条件裂解死亡，裂解的藻细胞作为碳源可促进湿地中的反硝化作用， 实现最大化的反硝化作用，并且由于只将捕获的部分微藻加入人工湿地的反硝化功能区， 其余捕获的微藻可作为副产品进行饲料、饵料的生产，提高了技术的经济性。
在本发明的第二方面，提供一种采用第一方面所述用于污水深度净化的微藻-人工湿地 耦合系统处理污水的方法，包括以下步骤：
微藻在微藻培养池中培养一段时间后，将微藻培养池中的微藻进行捕获；捕获微藻后， 将微藻培养池中的含藻水通入人工湿地；捕获的部分微藻作为碳源添加到人工湿地中远离 液面的缺氧反硝化功能区；其余微藻用于生物质相关产品生产。
微藻培养池中悬浮微藻快速生长吸收废水中的氮和磷，微藻培养池中设置的微藻捕获 填料有助于微藻生物质的收获；
人工湿地中进入的含藻水中的微藻在人工湿地表层进一步吸收水中的氮磷，且可以强 化人工湿地供氧；藻菌生物膜层藻菌共生条件下强化污染物去除能力；缺氧反硝化功能区 的微藻细胞破裂提供反硝化碳源。
本发明的具体实施方式具有以下有益效果：
本发明以污水作为培养基在微藻培养池中实现微藻的培养和污水的净化，将微藻培养 池中80％以上的微藻生物质进行低成本回收，将微藻培养池中剩余的含藻水通入人工湿地， 将回收的部分微藻利用导流管通入人工湿地中远离液面的缺氧反硝化功能区，进入湿地深 层的藻细胞则由于不利条件裂解死亡，裂解的藻细胞作为碳源促进湿地中的反硝化作用；
并且含藻水还能强化人工湿地的供氧，并且由于只将捕获的部分微藻加入人工湿地的 反硝化功能区，以此实现微藻培养池中更多的微藻生物质收获，以及人工湿地最大化的反 硝化作用；
本发明微藻培养池中悬浮微藻快速生长吸收废水中的氮和磷，微藻培养池中设置的微 藻捕获填料有助于微藻生物质的收获；
本发明实现了污水中部分营养物质的资源化，以无能耗的方式解决了人工湿地的补氧 问题及碳源缺乏问题，提高了总氮、总磷的去除率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性 实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的微藻培养池-人工湿地耦合系统机制图；
图2为本发明实施例中人工湿地中微藻对氨氮的去除效果图；
图3为本发明实施例中人工湿地中微藻作为碳源促进反硝化作用的效果图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有 指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常 理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本 申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也 意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括” 时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明的一种实施方式中，如图1所示，提供了一种用于污水深度净化的微藻培养池- 人工湿地耦合系统，所述系统包括串联的微藻培养池和人工湿地；
所述微藻培养池中设置有微藻捕获填料，微藻捕获填料捕获微藻后剩余的含藻水连通 到人工湿地；捕获的部分微藻利用导流管通入人工湿地中远离液面的缺氧反硝化功能区。
在一种或多种实施方式中，所述微藻捕获填料选自法兰绒、超细纤维，优选为超细纤 维；所述微藻捕获填料用于将微藻培养池中生长的微藻进行捕获，法兰绒或超细纤维材料 具有三维网状结构，强化了对微藻的碰撞与拦截作用；
在一种或多种实施方式中，微藻培养池的出水方式采用溢流堰形式；
在一种或多种实施方式中，微藻培养池四周及上方设置IED灯作为补充光源，为微藻 的生长提供充足的光源；
在一种或多种实施方式中，微藻培养池底部设置曝气盘，为微藻生长提供足够的空气；
在一种或多种实施方式中，所述人工湿地采用混凝土结构，底部做防渗处理；
在一种或多种实施方式中，所述人工湿地的填料采用粒径为4-6cm的石英砂，以减少 微藻带来的基质堵塞，填料深度设置为0.6-0.8m。
微藻培养池尾水富含溶解氧，作为人工湿地进水，用以强化氨氮的氧化去除作用；人 工湿地的缺氧反硝化功能区添加微藻，可作为缓释有机碳源提升硝态氮的反硝化作用，所 述微藻的添加量应根据反硝化所需有机碳量确定，不宜过多。
如果在微藻培养池中不对微藻生物质进行捕获，而是直接将含藻水和其中的所有微藻 通入人工湿地，那么湿地中的基质可将微藻层层截获，微藻作为悬浮固体可能造成湿地堵 塞；并且考虑到微藻细胞裂解后释放的有机碳源可能被普通异养菌矿化，而不是用于反硝 化细菌的反硝化过程。因此，发明人提出利用导流管直接将部分微藻注入缺氧环境下的反 硝化功能区，而非表层好氧区，以减小微藻进入湿地的投入量，同时实现最大化的反硝化 作用，以及更多的微藻生物质收获。
本发明的一种实施方式中，提供一种采用上述用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿 地耦合系统处理污水的方法，包括以下步骤：
微藻在微藻培养池中培养一段时间后，将微藻培养池中的微藻进行捕获；捕获微藻后， 将微藻培养池中的含藻水通入人工湿地；捕获的部分微藻作为碳源添加到人工湿地中远离 液面的缺氧反硝化功能区；其余微藻用于生物质相关产品生产。
在一种或多种实施方式中，微藻培养池中采用微藻培养-藻水分离两段式方式或微藻悬 浮-附着混合培养方式，在污水净化的同时，实现80％以上微藻生物质的低成本回收；
微藻培养-藻水分离两段式方式中，微藻培养采用悬浮培养的方式，藻水分离可采用捕 获材料截留的方式；在微藻悬浮-附着混合培养方式中，附着材料即为捕获材料；
在一种或多种实施方式中，污水在微藻培养池中停留的时间为3～5天，优选为4天， 污水在人工湿地中提留的时间为1～3天，优选为2天。
微藻培养池中悬浮微藻快速生长吸收废水中的氮和磷，微藻培养池中设置的微藻捕获 填料有助于微藻生物质的收获；
人工湿地中进入的含藻水中的微藻在人工湿地表层进一步吸收水中的氮磷，且可以强 化人工湿地供氧；藻菌生物膜层藻菌共生条件下强化污染物去除能力；缺氧反硝化功能区 的微藻细胞破裂提供反硝化碳源。
本发明的实施例中，可以根据微藻培养池中水质变化带来的人工湿地污染物负荷变化， 合理调整后续人工湿地的强化补氧、补碳的程度和位置。
从总氮去除的角度出发，考虑到微藻对不同形态氮素的选择性利用(一般情况下，首 选氨氮，非硝氮)，当污水在微藻培养池中停留时间较长时，氨氮首先被利用，因此，后续人工湿地的氨氮负荷相应降低，针对氨氮的补氧强化措施亦可适当放松；考虑到极端情况即微藻培养池中的氨氮被微藻完全吸收，人工湿地仅需要发挥反硝化脱氮功能，不需要氨氧化功能，此时应适当考虑降低微藻培养池含藻水(即人工湿地进水)的溶解氧含量； 降低溶解氧含量的方法可采用避光、化学药剂还原处置等前处理，去除水中溶解氧，使得 湿地尽快进入缺氧环境，发挥反硝化功能。
基于本发明的耦合系统设计，构建了相应的小试系统，首先通过构建人工湿地试验微 藻补氧对人工湿地氨氮去除的强化作用：
实验室内搭建人工湿地反应器，提高湿地内液面高度5cm，每隔两天向液面加入5ml 经磷酸盐缓冲液清洗的浓缩藻液，所述浓缩藻液中的微藻数为107个/mL。湿地进水配水为 模拟二级出水，反应器材质为有机玻璃，形状设置为圆柱形，直径为15cm，外表面由锡纸 包裹，以不同粒径是石英砂为湿地基质填料，填料高度设置为45cm。反应器运行稳定后，进行为期16天的水质指标测试。可发现添加少量微藻，即可对人工湿地起到补氧效果，对氨氮去除的促进效果明显。对氨氮去除的促进效果如图2所示，图中有5组数据，最上方 的一组数据为四组反应器的进水氨氮浓度，下面四条为四组反应器出水氨氮浓度，其中A 组为对照，不添加微藻，B-D组为添加微藻组，B-D组出水氨氮明显低于A组。
可见在添加少量藻细胞的情况下，即可对人工湿地中的污水起到补氧作用，促进氨氮 的去除。
构建人工湿地试验藻细胞裂解后作为碳源对人工湿地反硝化的促进作用：
为证明微藻作为碳源促进反硝化的可行性，在实验室内开展人工湿地实验，以锥形瓶 模拟人工湿地，以取自山东大学青岛校区中水站的厌氧污泥对4-6mm粒径的石英砂基质进 行生物膜附着。挂膜5天后将基质装入1000ml锥形瓶内，加入350ml硝态氮含量为14mg/L 的配水，加入微藻，微藻添加量为45mL/350mL，藻密度为107个/mL，避光震荡24h后，锥形瓶中的微藻数量由106个/mL降至105个/mL，对硝态氮及总氮的含量测定结果如图3 所示。
结果显示，硝态氮及总氮的去除率随着微藻添加量的增加而上升，呈现明显的正相关 趋势，可见微藻作为碳源促进人工湿地中的反硝化作用非常明显。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人 员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统，其特征在于，所述系统包括串联的微藻培养池和人工湿地；
所述微藻培养池中设置有微藻捕获填料，微藻捕获填料捕获微藻后剩余的含藻水通过连通人工湿地，捕获的一部分微藻利用导流管通入人工湿地中远离液面的缺氧反硝化功能区。
2.如权利要求1所述的用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统，其特征在于，所述微藻捕获填料选自法兰绒、超细纤维，优选为超细纤维。
3.如权利要求1所述的用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统，其特征在于，微藻培养池的出水方式采用溢流堰形式。
4.如权利要求1所述的用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统，其特征在于，微藻培养池四周及上方设置IED灯作为补充光源。
5.如权利要求1所述的用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统，其特征在于，微藻培养池底部设置曝气盘。
6.如权利要求1所述的用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统，其特征在于，所述人工湿地采用混凝土结构，底部做防渗处理。
7.如权利要求1所述的用于污水深度净化的微藻培养池-人工湿地耦合系统，其特征在于，所述人工湿地的填料采用粒径为4-6cm的石英砂，填料深度设置为0.6-0.8m。
8.一种利用微藻培养池-人工湿地耦合系统深度净化污水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
以污水为培养基在微藻培养池中将微藻培养一段时间后，将微藻培养池中的微藻进行捕获；捕获微藻后，将微藻培养池中的含藻水通入人工湿地，捕获的部分微藻作为碳源添加到人工湿地中远离液面的缺氧反硝化功能区；其余微藻用于生物质相关产品生产。
9.如权利要求8所述的的方法，其特征在于，微藻培养池中采用微藻培养-藻水分离两段式方式或微藻悬浮-附着混合培养方式。
10.如权利要求8所述的的方法，其特征在于，污水在微藻培养池中停留的时间为3～5天，优选为4天；污水在人工湿地中提留的时间为1～3天，优选为2天。
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