CN113233602B - 一种微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法与装置，该装置包括容器主体、滑槽、若干固定化载体膜、曝气条、导气管、盘面、空气罩、转盘轴、生物转盘；生物转盘安装在容器主体内、且生物转盘的转盘轴两端分别与容器主体的两侧转动连接；生物转盘设有多个盘面，盘面的圆周设有多个导叶；固定化载体膜安装在容器主体内，且固定化载体膜的两侧分别与容器主体的两侧可拆卸连接；容器主体内底部设有曝气条，曝气条通过导气管与气泵连接，曝气条向容器主体内曝气，气体推动生物转盘旋转，本发明创新使用藻类生物炭与微藻协同处理污水的技术，两者相互促进，降低污水处理成本，提高污水处理质量。

Description

一种微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法与装置
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水的方法与装置。
背景技术
近年来，社会经济的快速发展带来了严重的水资源污染问题。工业、农业污水排放量逐年增加，平均每年污水排放量达600亿吨。目前我国污水厂使用的污水处理技术主要有生物处理法、物理处理法及化学处理法三种。其中生物处理法利用微生物将污水中的有机物降解为无害的物质，从而达到净化污水的目的。常见的生物处理法有生物膜处理法、活性污泥法等。常见的物理处理法有沉淀法、过滤法、气浮法、离心分离法和磁力分离法。常见化学处理法有混凝沉淀法、中和法、氧化还原法和化学沉淀法。然而目前的这些技术广泛存在成本高、性能技术指标低的问题，落后的污水处理技术拖延了污水处理的进程。
物理法和化学法虽然可以有效去除污水中的颗粒物，但是处理成本较高，易引起二次污染，且对氮、磷等元素和有机物的去除效果较差。传统的生物法对氮、磷等营养物质去除效果不理想，且产生大量低价值的活性污泥。
“3060”目标的宣示，全球气候变化宣传与研究的热情被重新点燃起来，中国成为低碳实践的参与者、创新者、引领者，达峰中和成为未来最迫切的任务之一，碳排放的外部强约束正在形成，挑战与机遇并存。在此背景下，必须要严格遵守循环共生、和谐共存、整体优化以及区域分异等原则，选择更为合理的生态环保节能减排技术，向碳达峰碳中和目标奋斗。
微藻是具有叶绿素、光合自养能力、没有根茎叶分化的隐花植物，属于低等孢子植物。它们个体微小，生存能力强，繁殖速度快，易于培养。相较于传统的污水处理方法，微藻可以有效去除污水中营养物质、有机污染物、重金属和病原体等污染物，并耐受一定的有毒物质，但对于污水中的有毒有害有机物的耐受能力不高。同时，微藻具有固碳的功能，通过光合作用快速吸收二氧化碳并释放氧气，富氧空气携带水蒸汽扩散到空气中，增加湿度，改善空气质量的技术。藻类利用叶绿素在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气。
生物炭是在限氧条件下制成的一类富含碳素的高度芳香化固体产物,因其具有较大的比表面积、发达的孔隙结构和各种官能团等特征在吸附领域得到了广泛应用。其高比表面积和孔隙率能为其吸附污染物提供更多的吸附位点。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种用于污水净化的微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水的方法与装置，创新使用藻类生物炭与微藻协同处理污水的技术，两者相互促进。生物炭吸收污水中有机物、重金属、抗生素的同时吸收对微藻生长不利的物质，促进微藻生长，微藻的高效生长吸收了生物炭难以吸附的其他污染物，使得污水处理效果大幅提高。曝气条曝气产生的简易流化态效果使生物炭更均匀地分布在污水中，使生物炭吸附更加充分。同时利用了微藻生长时的固碳能力。污水处理的后续将微藻-生物炭混合物进行收集，进行热解后在得到新的生物炭的同时活化了原生物炭，可重新加入污水进行第二轮处理，物料循环利用，进一步地降低了处理成本。本发明能够应用于污水处理厂中的深度处理步骤，实现对污水中氮磷、重金属等多种污染物的净化，降低污水处理成本，提高污水处理质量，解决污水处理领域的高成本与处理效果不尽人意的问题。
本发明的技术方案是：一种微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水的方法，包括以下步骤：
将微藻接种于微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置的固定化载体膜上；将污水送入微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置中；将粉末状藻类生物炭投入所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置的污水中，粉末状藻类生物炭用于促进微藻的生长吸收氮磷元素的同时对污水中的部分污染物进行吸附；
所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置底部装有曝气条，曝气条外接空气泵，向污水中进行曝气，微藻在生长的过程中，吸收污水中仅通过生物炭难以除去的氮磷元素及部分污染物，同时微藻光合作用产生的氧气对污水中的好氧细菌繁殖起促进作用，好氧细菌也通过自身生物作用对污水进行净化；
所述曝气条向微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置中曝气导致液体流动，带动粉末状藻类生物炭在微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置内扩散，使生物炭进一步均匀地混合于污水中；
在一定时间周期的污水处理后，对固定化载体膜上的固定化微藻进行收集，得到微藻-生物炭混合物；对得到的微藻-生物炭混合物在无氧条件下进行热解液化，除了得到微藻液体燃料外，微藻热解副产物还生成新的生物炭，原微藻-生物炭混合物中已饱和的生物炭在高温下重新活化恢复吸附能力，同时热解制油过程中，原吸附污染物的生物炭对微藻热解反应起催化提质作用，将热解得到的生物炭重新投加入微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置中，继续参与污水的处理。
上述方案中，所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置的容器主体侧壁面装有LED光带。
上述方案中，所述微藻-生物炭混合物在以氮气作为保护气体的无氧条件下进行高温热解液化。
上述方案中，所述微藻为耐受污水中污染物同时对氮磷吸收能力好的藻种，优选的，为小球藻或斜生栅藻等。
一种微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置，用于实现所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水的方法，所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置包括容器主体、滑槽、若干固定化载体膜、曝气条、导气管、盘面、导叶、转盘轴、生物转盘；
所述生物转盘安装在容器主体内、且生物转盘的转盘轴两端分别与容器主体的两侧转动连接；所述生物转盘设有多个盘面，盘面的圆周设有多个导叶；所述固定化载体膜安装在容器主体内，且固定化载体膜的两侧分别与容器主体的两侧可拆卸连接；容器主体内底部设有曝气条，曝气条通过导气管与气泵连接，曝气条向容器主体内曝气，气体推动生物转盘旋转。
上述方案中，所述盘面的两侧还分别设有可拆卸的固定化载体膜。
上述方案中，所述容器主体为透光材料制成的。
上述方案中，所述容器主体的两内侧分别设有对应的滑槽；所述固定化载体膜的两侧边能够滑动的安装在滑槽上。
上述方案中，所述容器主体设有LED光带。
上述方案中，所述转盘轴两端分别与滚动轴承连接，滚动轴承通过轴承座安装在容器主体上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用微藻的生物作用净化污水，对比传统化学生物法处理污水工艺，成本低廉，可工业化大规模养殖。使用生物膜式微藻培养技术，对比于悬浮式微藻培养技术，藻类密度更大，对污水的处理效果更好，且无需考虑藻液分离问题。创新使用藻类生物炭与微藻协同处理污水的技术，两者相互促进。生物炭吸收污水中有机物、重金属、抗生素的同时吸收对微藻生长不利的物质，促进微藻生长，微藻的高效生长吸收了生物炭难以吸附的其他污染物，使得污水处理效果大幅提高。曝气条曝气产生的简易流化态效果使生物炭更均匀地分布在污水中，使生物炭吸附更加充分。同时利用了微藻生长时的固碳能力。污水处理的后续将微藻-生物炭混合物进行收集，进行热解后在得到新的生物炭的同时活化了原生物炭，可重新加入污水进行第二轮处理，物料循环利用，进一步地降低了处理成本。本发明在对环境友好的同时，净化效果好，可有效适应于污水处理领域。
附图说明
图1是本发明一实施方式的微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置结构示意图。
图2是本发明一实施方式的微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置结俯视示意图。
图3是本发明转盘结构示意图。
图中：1.容器主体，2.LED光带，3.轴承座，4.滚动轴承，5.滑槽，6.固定化载体膜，7.曝气条，8.导气管，9.盘面，10.导叶，11.转盘轴，12.转盘。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1-3所示为所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置一种较佳实施方式，所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置包括容器主体1、滑槽5、若干固定化载体膜6、曝气条7、导气管8、盘面9、导叶10、转盘轴11、生物转盘12。所述生物转盘12安装在容器主体1内、且生物转盘12的转盘轴11两端分别与容器主体1的两侧转动连接；所述生物转盘12设有多个盘面9，盘面9的圆周设有多个导叶10；所述固定化载体膜6安装在容器主体1内，且固定化载体膜6的两侧分别与容器主体1的两侧可拆卸连接；容器主体1内底部设有曝气条7，曝气条7通过导气管8与气泵连接，曝气条7上曝气孔均匀分布，曝气条7向容器主体1内曝气，为污水中的微藻提供生长所需的CO2，曝气条7曝出的气流与导叶10作用推动生物转盘12缓慢转动，生物转盘12有部分面积浸入污水中，曝气的同时搅动污水，起到简易的流化床效果，使得在污水中的藻类生物炭与污水充分接触，增强处理效果。
本实施例中，优选的，所述盘面9的两侧还分别设有可拆卸的固定化载体膜6。
本实施例中，优选的，所述容器主体1为透光材料有机玻璃制成的，
本实施例中，优选的，所述容器主体1的两内侧分别设有对应的滑槽5；所述固定化载体膜6的两侧边能够滑动的安装在滑槽5上。相邻的固定化载体膜6间隔一定距离，固定化载体膜6不宜太过密集。
本实施例中，优选的，所述容器主体1四壁上设有LED光带，用于在外界光强不足时为微藻提供生长所需的光照，可通过螺栓或磁吸固定。
本实施例中，优选的，所述转盘轴11两端分别与滚动轴承4连接，滚动轴承4通过轴承座3安装在容器主体1上。所述轴承座3与滚动轴承4外圈配合，转盘轴11与轴承内圈配合，使得生物转盘12受外力作用后可以转动，滚动轴承4由轴承端盖与套筒固定。
装置的使用过程为：选取藻种并接种于固定化载体膜6上，将固定化载体膜6安装在生物转盘12的盘面9及滑槽5内，通过管道向容器主体1内注入污水，使大面积的膜浸入污水中，同时开启气泵，通过导气管8与曝气条7向容器主体1内曝气，为藻类生长提供CO2，同时缓慢推动生物转盘12旋转，生物转盘12利用了气体的动能进行旋转，微藻在处理污水的同时高效利用了外界的光源与大气中的CO2。
向所述容器主体1中投入一定量的藻类生物炭，与微藻协同处理污水。装置使用过程中可以通过滑槽5取出固定化载体膜6，收集固定化载体膜6上的微藻，对微藻进行热解，得到的生物炭可继续对污水进行处理。装置运行期间定期检测污水的氨氮、COD、TP等含量，待污水满足国家标准后通过管道将水排出。
一种微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法，包括以下步骤：
筛选藻种，选择耐受污水中污染物同时对氮磷吸收能力较好的藻种，例如小球藻或斜生栅藻等，利用微藻培养基进行扩大培养；
将微藻接种于微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置的固定化载体膜6上；将污水通过管道或抽吸泵送入微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置中；将粉末状藻类生物炭投入所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置的污水中，粉末状藻类生物炭用于促进微藻的生长吸收氮磷元素的同时对污水中有机物、重金属、抗生素等部分污染物进行吸附；
所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置底部装有曝气条7，曝气条7外接空气泵，以合适的速率向污水中进行曝气，提供微藻生长需要的CO2，微藻在生长的过程中，吸收污水中仅通过生物炭难以除去的氮磷元素及部分污染物，同时微藻光合作用产生的氧气对污水中的好氧细菌繁殖起促进作用，好氧细菌也通过自身生物作用对污水进行净化；
所述曝气条7向微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置中曝气导致液体流动，带动粉末状藻类生物炭在微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置内扩散，形成简易流化床的效果，使生物炭进一步均匀地混合于污水中，增强了藻类生物炭对污染物的吸附效果；
在一定时间周期的污水处理后，对固定化载体膜6上的固定化微藻进行收集，得到微藻-生物炭混合物；对得到的微藻-生物炭混合物在无氧条件下进行热解液化，除了得到微藻液体燃料外，微藻热解副产物还生成新的生物炭，原微藻-生物炭混合物中已饱和的生物炭在高温下重新活化恢复吸附能力，同时热解制油过程中，原吸附污染物的生物炭由于表面官能团的活性，对微藻热解反应起催化提质作用，促进了液体生物燃料酯类等产物生成，提升了热值，将热解得到的生物炭重新投加入微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置中，继续参与污水的处理，形成循环作用、降低了处理成本。
所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置的容器主体1侧壁面装有LED光带2，在光照条件不足的情况下对微藻进行必要的光补充。
对得到的微藻-生物炭混合物在以氮气作为保护气体的无氧条件下进行550摄氏度高温热解液化。
所述微藻为耐受污水中污染物同时对氮磷吸收能力好的藻种。
进一步地，该微藻-藻类生物炭协同作用处理污水方法可与其他污水工艺耦合使用。
本发明所述微藻-藻类生物炭协同作用处理污水的具体装置利用藻类的净化能力，协同微藻热解得到的藻生物炭对污水进行净化，同时采用生物转盘技术，利用了一般装置浪费的气体动能，使微藻接受外界的光源与大气中的CO2。同时微藻可进行收集制炭，形成循环，进一步降低了成本。
本发明所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水的方法与装置，利用微藻的净化作用与微藻生物炭的吸附作用协同处理污水，与此同时，在养殖过程中微藻的固碳能力促进了“碳达峰”、“碳中和”目标的达成。处理完成后收集得到的微藻、生物炭混合物进行热解，其过程中活化了已饱和的生物炭，使得生物炭总量在过程中不断增加。得到的生物炭将再次运用到污水处理当中，形成了生物质的循环。装置采用生物转盘技术、挂膜技术等降低了污水处理成本，起到了节能减排的效果，绿色自然。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法，其特征在于，包括以下步骤：
将微藻接种于微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置的固定化载体膜(6)上；将污水送入微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置中；将粉末状藻类生物炭投入所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置的污水中，粉末状藻类生物炭用于促进微藻的生长吸收氮磷元素的同时对污水中的部分污染物进行吸附；
所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置底部装有曝气条(7)，曝气条(7)外接空气泵，向污水中进行曝气，微藻在生长的过程中，吸收污水中仅通过生物炭难以除去的氮磷元素及部分污染物，同时微藻光合作用产生的氧气对污水中的好氧细菌繁殖起促进作用，好氧细菌也通过自身生物作用对污水进行净化；
所述曝气条(7)向微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置中曝气导致液体流动，带动粉末状藻类生物炭在微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置内扩散，使生物炭进一步均匀地混合于污水中；
在一定时间周期的污水处理后，对固定化载体膜(6)上的固定化微藻进行收集，得到微藻-生物炭混合物；对得到的微藻-生物炭混合物在无氧条件下进行热解液化，除了得到微藻液体燃料外，微藻热解副产物还生成新的生物炭，原微藻-生物炭混合物中已饱和的生物炭在高温下重新活化恢复吸附能力，同时热解制油过程中，原吸附污染物的生物炭对微藻热解反应起催化提质作用，将热解得到的生物炭重新投加入微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置中，继续参与污水的处理；
所述微藻-生物炭混合物在以氮气作为保护气体的无氧条件下升温至550℃后进行高温热解液化。
2.根据权利要求1所述的微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法，其特征在于，所述微藻为耐受污水中污染物同时对氮磷吸收能力好的藻种。
3.一种根据权利要求1-2任意一项所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法，其特征在于，所述微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水装置包括容器主体(1)、滑槽(5)、若干固定化载体膜(6)、曝气条(7)、导气管(8)、盘面(9)、导叶(10)、转盘轴(11)、生物转盘(12)；
所述生物转盘(12)安装在容器主体(1)内、且生物转盘(12)的转盘轴(11)两端分别与容器主体(1)的两侧转动连接；所述生物转盘(12)设有多个盘面(9)，盘面(9)的圆周设有多个导叶(10)；所述固定化载体膜(6)安装在容器主体(1)内，且固定化载体膜(6)的两侧分别与容器主体(1)的两侧可拆卸连接；容器主体(1)内底部设有曝气条(7)，曝气条(7)通过导气管(8)与气泵连接，曝气条(7)向容器主体(1)内曝气，气体推动生物转盘(12)旋转。
4.根据权利要求3所述的微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法，其特征在于，所述盘面(9)的两侧还分别设有可拆卸的固定化载体膜(6)。
5.根据权利要求3所述的微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法，其特征在于，所述容器主体(1)为透光材料制成的。
6.根据权利要求3所述的微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法，其特征在于，所述容器主体(1)的两内侧分别设有对应的滑槽(5)；所述固定化载体膜(6)的两侧边能够滑动的安装在滑槽(5)上。
7.根据权利要求3所述的微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法，其特征在于，所述容器主体(1)设有LED光带(2)。
8.根据权利要求7所述的微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法，其特征在于，所述容器主体(1)侧壁面装有LED光带(2)。
9.根据权利要求3所述的微藻养殖及循环热解生物炭协同处理污水方法，其特征在于，所述转盘轴(11)两端分别与滚动轴承(4)连接，滚动轴承(4)通过轴承座(3)安装在容器主体(1)上。
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