CN116119827A - 一种菌藻协同固碳脱氮系统及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于废水处理技术领域，公开了一种菌藻协同固碳脱氮系统及处理方法。该系统包括水体输入装置、微藻水质净化装置、反硝化脱氮装置和除磷装置；水体输入装置通过连续流进水管与微藻水质净化装置的进水口连接；反硝化脱氮装置包括从上到下依次设置的第一进水口、微藻分解填料层、生物脱氮填料层和第一出水口；微藻水质净化装置的出水口与第一进水口连接；除磷装置的底部设置有第二进水口，上部设置有第二出水口；第一出水口与第二进水口连接；第二出水口与水环境连接。本发明通过微藻生物技术实现水体净化和碳减排，并以微藻为碳源提升反硝菌的生物脱氮性能，使再生水资源的可持续利用、水生态系统质量和稳定性的提升到有效保障。
Description
技术领域
本发明属于再生水处理技术领域，更具体地，涉及一种菌藻协同固碳脱氮系统及处理方法。
背景技术
在水体富营养化情况下，微藻的大量繁殖不仅能吸收水体中氮磷化合物，有效去除水体中的氮、磷等无机营养盐，同时微藻还具备高效CO2固定能力，可将吸收的CO2用于合成细胞有机质，实现水体净化和碳减排双重功能。但是，当水体中藻类大量繁殖和衰亡分解时，藻细胞中的有机质便会通过细胞代谢、破裂等方式再次回到水环境中，导致水体富营养化加剧，引起水体二次污染，长此以往，将对水生态系统的结构和稳定性产生严重破坏。因此，如何解决水体的二次富营养化对于微藻生物技术在再生水环境体系中的应用至关重要。
微藻在繁殖代谢中产生的含碳有机化合物是水生态系统中的重要有机碳源，可被微生物所降解吸收，从而参与水体中的碳循环。反硝化生物脱氮技术一直是高氮废水处理的研究热点，该技术可以利用微生物将污水中的含氮化合物还原为N2，降低废水中氮含量，具有经济高效、工艺简单和无二次污染等优势。但是，由于异养反硝化过程需要外源有机碳作为碳源，为微生物繁殖提供能量来源，而再生水体中有机物含量低且不易被降解，进而阻碍了该技术在水环境中的应用。
因此，本发明亟待提出了一种菌藻协同固碳脱氮系统及处理方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种菌藻协同固碳脱氮系统及处理方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种菌藻协同固碳脱氮系统，该系统包括水体输入装置、微藻水质净化装置、反硝化脱氮装置、除磷装置和水环境；
所述水体输入装置通过连续流进水管与微藻水质净化装置的进水口连接；
所述反硝化脱氮装置包括从上到下依次设置的第一进水口、微藻分解填料层、生物脱氮填料层和第一出水口；所述微藻水质净化装置的出水口与所述第一进水口连接；
所述除磷装置的底部设置有第二进水口，上部设置有第二出水口；所述第一出水口与所述第二进水口连接；所述第二出水口与水环境连接。
根据本发明，优选地，所述微藻分解填料层的填料为石英砂、活性炭和带有正电荷的复合材料中的至少一种，粒径大小为0.06-4mm，在本发明中，作为优选方案，按照粒径由大到小依次设有不同填料。
根据本发明，优选地，所述生物脱氮填料层的填料为砾石、陶粒和带有正电荷的复合材料中的至少一种，粒径大小为2-6mm，在本发明中，作为优选方案，按照粒径由大到小依次设有不同填料。
根据本发明，优选地，所述除磷装置设置有除磷吸附填料，所述除磷吸附填料为羟基金属复合型材料，粒径大小为3-10mm，优选地，所述羟基金属复合型材料为羟基铁复合型材料。
根据本发明，优选地，该系统还包括反冲洗管路，所述反冲洗管路的进水口与所述水体输入装置连接，所述反冲洗管路的出水口分为两路，一路通过所述第一出水口与反硝化脱氮装置连接，一路与所述除磷装置顶部设置的反洗水进口连接；所述反硝化脱氮装置和除磷装置均设置有反冲洗排水出口，所述反冲洗排水出口与反冲洗排水管连接。
根据本发明，优选地，所述水环境还通过回流管线与所述微藻水质净化装置的一个入口连接。
本发明第二方面提供了一种菌藻协同固碳脱氮处理方法，该处理方法采用所述的系统，包括如下步骤：
S1：将所述水体输入装置内的待处理水体通过所述连续流进水管输送至所述微藻水质净化装置；向所述微藻水质净化装置投加微藻，所述微藻在装置内繁殖进而将所述待处理水体中的氮磷无机营养盐去除，同时所述微藻在光合作用下吸收二氧化碳；待所述待处理水体中的氮磷浓度达到或低于地表Ⅲ类水质标准时，将所述微藻水质净化装置内的藻水混合液输送至所述反硝化脱氮装置；
S2：所述反硝化脱氮装置接收所述藻水混合液后，所述水体输入装置继续通过所述连续流进水管将待处理水体输送至所述微藻水质净化装置；在所述反硝化脱氮装置中，所述藻水混合液中的微藻在所述微藻分解填料层中吸附和分解，得到含碳氮滤液并向下流入所述生物脱氮填料层；
S3：在所述生物脱氮填料层中，所述含碳氮滤液中的含碳有机化合物作为碳源被反硝化菌降解吸收，所述含碳氮滤液中的含氮有机化合物被反硝化菌分解代谢，得到脱氮滤液，送入所述除磷装置进行吸附除磷，得到脱氮除磷滤液送至水环境。
根据本发明，优选地，所述待处理水体为再生水、河道水体和湖泊水体中的至少一种。
根据本发明，优选地，所述二氧化碳的来源为空气和/或废气。
根据本发明，优选地，将占所述微藻水质净化装置的体积1/2-2/3的藻水混合液输送至所述反硝化脱氮装置。在本发明中，作为优选方案，剩余藻水混合液保留在微藻水质净化装置中，用于后续水体的净化。
根据本发明，优选地，所述含碳氮滤液为藻水分离液和/或细胞分解液。
在本发明中，当藻水混合液在反硝化脱氮装置内时微藻会被前段的微藻分解填料层所吸附，并在黑暗环境中进行藻细胞的自然衰亡分解，过程中所产生的含碳氮滤液直接流入装置后段生物脱氮填料层，所述含碳氮滤液中的含碳有机化合物作为碳源被反硝化菌降解吸收，所述含碳氮滤液中的含氮有机化合物被反硝化菌分解代谢。根据本发明，优选地，所述含碳氮滤液中的含氮有机化合物被反硝化菌分解代谢，以气态化合物形式被去除；所述气态化合物包括氮气。
根据本发明，优选地，所述方法还包括将所述外界水环境的水体回流至所述微藻水质净化装置。
根据本发明，优选地，所述方法还包括对所述除磷装置的除磷吸附填料进行磷的吸附和回收；优选地，进行磷的吸附和回收得到的磷的方法包括：利用NaOH调节pH至4.5-6，通过含有氯化钙的水溶液对所述除磷吸附填料中的磷进行解吸，得到水解液，经搅拌、沉淀和过滤，得到的产物，并用于羟基磷灰石的制备。
根据本发明，优选地，所述NaOH水溶液的浓度为0.5-2.0mol/L。
根据本发明，优选地，水解液中钙和磷摩尔比为1.6～1.9。
根据本发明，优选地，所述方法还包括利用所述反冲洗管路和反冲洗排水管对所述反硝化脱氮装置和除磷装置进行反冲洗。
本发明的技术方案的有益效果如下：
本发明通过微藻生物技术实现水体净化和碳减排，并以微藻为碳源进一步提升反硝菌的生物脱氮性能，实现藻类碳资源化高效利用，进而使再生水回用和水资源的可持续利用，以及水生态系统质量和稳定性的提升得到有效保障。
本发明为再生水补给城市景观水体建立特色、健康、动态平衡的水生态系统，首先在微藻水质净化装置内利用大气中二氧化碳为碳源，通过微藻生长繁殖吸收水体中的氮、磷等无机营养盐，最终用于细胞有机质的合成，从而实现对水体深度净化和二氧化碳固定。然后在反硝化脱氮装置中，利用来自微藻水质净化装置的藻水混合液中有机碳作为碳源，通过反硝化菌的生物脱氮功能去除水体中的含氮化合物，在实现藻类碳资源高效利用的同时提升反硝化脱氮效率。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明实施例1提供的一种菌藻协同固碳脱氮系统的示意图。
图2示出了本发明实施例2-5水体中小球藻生物量随时间的变化规律。
图3示出了本发明实施例2-5水体中小球藻比增长速率随时间的变化规律。
图4示出了本发明实施例2-5水体中CO2含量变化。
图5示出了本发明实施例2-5水体中氮浓度随时间的变化规律(STN代表氮浓度)。
图6示出了本发明实施例2-5水体中磷浓度随时间的变化规律(STP代表磷浓度)。
图7示出了本发明实施例2-5水体中有机物浓度随时间的变化规律(SCOD代表有机物)。
附图标记说明如下：
1-第一进水口、2-第一出水口、3-微藻水质净化装置的出水口、4-第二进水口、5-第二出水口、6-连续流进水管、7-微藻水质净化装置的进水口、8-反冲洗管路、9-反冲洗排水管、10-反洗水进口、11-回流管线。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
本实施例提供一种菌藻协同固碳脱氮系统，如图1所示，该系统包括水体输入装置、微藻水质净化装置、反硝化脱氮装置、除磷装置和水环境；
所述水体输入装置通过连续流进水管与微藻水质净化装置的进水口连接；
所述反硝化脱氮装置包括从上到下依次设置的第一进水口、微藻分解填料层、生物脱氮填料层和第一出水口；所述微藻水质净化装置的出水口与所述第一进水口连接；
所述微藻分解填料层的填料为石英砂和活性炭双层复合填料，粒径大小分别为1.0-1.6mm和2-4mm；所述生物脱氮填料层的填料为砾石和陶粒复合填料，粒径大小分别为3-5mm和2-3mm；所述微藻水质净化装置的出水口与所述第一进水口连接；
所述除磷装置的底部设置有第二进水口，上部设置有第二出水口；所述第一出水口与所述第二进水口连接；所述第二出水口与水环境连接；
所述除磷装置设置有除磷吸附填料，所述除磷吸附填料为羟基铁复合型材料，粒径大小为3-10mm；
所述水体输入装置通过连续流进水管与微藻水质净化装置的进水口连接。
所述反冲洗管路的进水口与所述水体输入装置连接，所述反冲洗管路的出水口分为两路，一路通过所述第一出水口与反硝化脱氮装置连接，一路与所述除磷装置顶部设置的反洗水进口连接；所述反硝化脱氮装置和除磷装置均设置有反冲洗排水出口，所述反冲洗排水出口与反冲洗排水管连接；
所述水环境还通过回流管线与所述微藻水质净化装置的一个入口连接。
实施例2
本实施例提供一种菌藻协同固碳脱氮处理方法，该处理方法采用实施例1所述的系统，待处理水体为：取北京市某再生水厂出水为原水配置实施例水样，以蔗糖、硝酸钠和磷酸二氢钾为外加营养元素，以葡萄糖、磷酸二氢钾、硝酸钠为外加有机物和营养盐，得到待处理水体。
本实施例方法的操作条件为：光照5000lux，光暗比12h:12h，温度为27℃的光照培养箱，试验周期21天。
包括如下步骤：
S1：将所述水体输入装置内的待处理水体通过所述连续流进水管输送至所述微藻水质净化装置；向所述微藻水质净化装置投加微藻，所述微藻在装置内繁殖进而将所述待处理水体中的氮磷无机营养盐去除，同时所述微藻在光合作用下吸收二氧化碳；待所述待处理水体中的氮磷浓度达到或低于地表Ⅲ类水质标准时，将占所述微藻水质净化装置的体积2/3的藻水混合液输送至所述反硝化脱氮装置；
S2：所述反硝化脱氮装置接收所述藻水混合液后，所述水体输入装置继续通过所述连续流进水管将待处理水体输送至所述微藻水质净化装置；在所述反硝化脱氮装置中，所述藻水混合液中的微藻在所述微藻分解填料层中吸附和分解，得到含碳氮滤液并向下流入所述生物脱氮填料层；
S3：在所述生物脱氮填料层中，所述含碳氮滤液中的含碳有机化合物作为碳源被反硝化菌降解吸收，所述含碳氮滤液中的含氮有机化合物被反硝化菌分解代谢，以氮气形式被去除，得到脱氮滤液，送入所述除磷装置进行吸附除磷，得到脱氮除磷滤液送至水环境，并将所述水环境的水体回流至所述微藻水质净化装置。
实施例3-5
实施例3-5分别提供一种菌藻协同固碳脱氮处理方法，处理方法采用实施例1所述的系统，与实施例2的区别在于：待处理水体不同，具体地，参照城镇污水处理厂水污染物排放标准(GB/DB11 890-2012)、城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)和地表水环境标准(GB3838-2002)中的有机物和氮磷浓度，设置实施例2-5的水体水质特征，如表1所示。
表1
如图2所示，为实施例2-5水体中小球藻生物量随时间的变化规律；
如图3所示，为实施例2-5水体中小球藻比增长速率随时间的变化规律；
如图4所示，为实施例2-5水体中CO2含量变化；
如图5所示，为实施例2-5水体中氮浓度随时间的变化规律；
如图6所示，为实施例2-5水体中磷浓度随时间的变化规律；
如图7所示，为实施例2-5水体中有机物浓度随时间的变化规律。
通过图2-7的分析发现，小球藻能在不同再生水体中快速生长繁殖，提高营养物浓度会使小球藻的对数生长周期延长，生物量增加，最高可达到109mg L-1；小球藻能有效吸收水体中无机营养盐，氮磷去除率与小球藻生长呈正相关，在小球藻生物量达到峰值时去除率达到最大值，分别为97％和96％。小球藻的繁殖会引起水体中可溶性有机物含量增加，最高为128mg L-1，随着藻体的衰亡分解，可溶性有机物含量呈先升高后下降趋势；不同水体中小球藻对CO2固定能力为7～12mg L-1d-1，CO2固定量随营养物浓度增加而增加，最高为212.2mg L-1。这为水环境中藻类水质净化和CO2固定技术的应用奠定了基础。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种菌藻协同固碳脱氮系统，其特征在于，该系统包括水体输入装置、微藻水质净化装置、反硝化脱氮装置、除磷装置和水环境；
所述水体输入装置通过连续流进水管与微藻水质净化装置的进水口连接；
所述反硝化脱氮装置包括从上到下依次设置的第一进水口、微藻分解填料层、生物脱氮填料层和第一出水口；所述微藻水质净化装置的出水口与所述第一进水口连接；
所述除磷装置的底部设置有第二进水口，上部设置有第二出水口；所述第一出水口与所述第二进水口连接；所述第二出水口与水环境连接。
2.根据权利要求1所述的菌藻协同固碳脱氮系统，其中，
所述微藻分解填料层的填料为石英砂、活性炭和带有正电荷的复合材料中的至少一种，粒径大小为0.06-4mm；
所述生物脱氮填料层的填料为砾石、陶粒和带有正电荷的复合材料中的至少一种，粒径大小为2-6mm；
所述除磷装置设置有除磷吸附填料，所述除磷吸附填料为羟基金属复合型材料，粒径大小为3-10mm，优选地，所述羟基金属复合型材料为羟基铁复合型材料。
3.根据权利要求1所述的菌藻协同固碳脱氮系统，其中，
该系统还包括反冲洗管路，所述反冲洗管路的进水口与所述水体输入装置连接，所述反冲洗管路的出水口分为两路，一路通过所述第一出水口与反硝化脱氮装置连接，一路与所述除磷装置顶部设置的反洗水进口连接；所述反硝化脱氮装置和除磷装置均设置有反冲洗排水出口，所述反冲洗排水出口与反冲洗排水管连接；
所述水环境还通过回流管线与所述微藻水质净化装置的一个入口连接。
4.一种菌藻协同固碳脱氮处理方法，其特征在于，该处理方法采用权利要求1-3中任意一项所述的系统，包括如下步骤：
S1：将所述水体输入装置内的待处理水体通过所述连续流进水管输送至所述微藻水质净化装置；向所述微藻水质净化装置投加微藻，所述微藻在装置内繁殖进而将所述待处理水体中的氮磷无机营养盐去除，同时所述微藻在光合作用下吸收二氧化碳；待所述待处理水体中的氮磷浓度达到或低于地表Ⅲ类水质标准时，将所述微藻水质净化装置内的藻水混合液输送至所述反硝化脱氮装置；
S2：所述反硝化脱氮装置接收所述藻水混合液后，所述水体输入装置继续通过所述连续流进水管将待处理水体输送至所述微藻水质净化装置；在所述反硝化脱氮装置中，所述藻水混合液中的微藻在所述微藻分解填料层中吸附和分解，得到含碳氮滤液并向下流入所述生物脱氮填料层；
S3：在所述生物脱氮填料层中，所述含碳氮滤液中的含碳有机化合物作为碳源被反硝化菌降解吸收，所述含碳氮滤液中的含氮有机化合物被反硝化菌分解代谢，得到脱氮滤液，送入所述除磷装置进行吸附除磷，得到脱氮除磷滤液送至水环境。
5.根据权利要求4所述的菌藻协同固碳脱氮处理方法，其中，
所述待处理水体为再生水、河道水体和湖泊水体中的至少一种；
所述二氧化碳的来源为空气和/或废气；
将占所述藻类水质净化装置的体积1/2-2/3的藻水混合液输送至所述反硝化脱氮装置。
6.根据权利要求4所述的菌藻协同固碳脱氮处理方法，其中，
所述含碳氮滤液为藻水分离液和/或细胞分解液；
所述含碳氮滤液中的含氮有机化合物被反硝化菌分解代谢，以气态化合物形式被去除；所述气态化合物包括氮气。
7.根据权利要求4所述的菌藻协同固碳脱氮处理方法，其中，所述方法还包括将所述水环境的水体回流至所述微藻水质净化装置。
8.根据权利要求4所述的菌藻协同固碳脱氮处理方法，其中，
所述方法还包括对所述除磷装置的除磷吸附填料进行磷的吸附和回收；优选地，进行磷的吸附和回收得到的磷的方法包括：利用NaOH调节pH至4.5-6，通过含有氯化钙的水溶液对所述除磷吸附填料中的磷进行解吸，得到水解液，经搅拌、沉淀和过滤，得到的产物，并用于羟基磷灰石的制备。
9.根据权利要求8所述的菌藻协同固碳脱氮处理方法，其中，
所述NaOH水溶液的浓度为0.5-2.0mol/L；
水解液中钙和磷摩尔比为1.6～1.9。
10.根据权利要求4所述的菌藻协同固碳脱氮处理方法，其中，所述方法还包括利用所述反冲洗管路和反冲洗排水管对所述反硝化脱氮装置和除磷装置进行反冲洗。
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