TWI534103B - 高濃度藻類的污水培養裝置與方法 - Google Patents

Description

高濃度藻類的污水培養裝置與方法

本發明是有關於一種污水處理裝置與方法，且特別是有關於一種利用污水來培養藻類的裝置與方法。

因應工業經濟發展及全球人口的成長，河川水體的優養化問題越來越顯著。河川優養化問題主要為水體中含有高濃度的氮與磷等養分，因而破壞了水體的生態平衡並造成環境污染。因此，需要解決河川水體中的氮磷污染問題，才能解決河川水體的優養化問題。

雖然目前都市的污水處理廠已有除氮及除磷的設備與技術，但整體上仍不如減少生化需氧量(Biochemical oxygen demand；BOD)或去除懸浮固體物(Suspended Solids；SS)的技術成熟。因此，河川氮磷污染問題需要更有效的處理技術。

習知已嘗試在單一非薄膜生物反應器中同時置入污水與藻類，來嘗試減少污水中的氮磷污染物。但是，培養後期因未經過濾的污水存在其他干擾藻類培養的微生物，導致藻類培養生長週期縮短，且培養濃度僅能達0.3-0.4 g/L，除氮磷的效果亦不如預期。

因此，本發明之一態樣是在提供一種高濃度藻類的污水培養裝置，此污水培養裝置包括污泥曝氣槽與藻類曝氣 槽。在污泥曝氣槽中設置有第一濾膜，將污泥曝氣槽的內部空間分隔成第一原液區與第一濾液區。在第一原液區中設置第一進水管線與第一進氣管線，在第一濾液區設置第一出水管線。在污泥曝氣槽的底部設置污泥排放管線。在藻類曝氣槽中設置有第二濾膜，將藻類曝氣槽的內部空間分隔成第二原液區與第二濾液區。在第二原液區中設置第二進水管線與第二進氣管線，在第二濾液區中設置第二出水管線。在藻類曝氣槽之周邊設置照明燈，在藻類曝氣槽之底部設置藻體排放管線。

本發明之另一態樣是在提供一種高濃度藻類的污水培養方法，其使用上述之高濃度藻類的污水培養裝置。上述高濃度藻類的污水培養方法包括下述步驟。首先，使用污泥曝氣槽，讓由第一進水管線導入之污水被位於第一原液區中之活性污泥進行生物處理。然後，使用第一濾膜過濾經活性污泥處理後之污水，形成位於第一濾液區之第一濾液。接著，使用第一出水管線與第二進水管線，導入第一濾液至第二原液區中，讓第一濾液中所含氮與磷成分被位於第二原液區內之藻類進行處理。最後，使用第二濾膜過濾被藻類處理後之第一濾液，形成位於第二濾液區之第二濾液。

由上述可知，利用上述之高濃度藻類的污水培養裝置與方法，可以成功地利用生活污水來培養高濃度的藻類。因此，不僅可以增加去除污水中氮磷污染物的效率，所培養的藻類還可以供應其他應用之所需。

上述發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本 揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。在參閱下文實施方式後，本發明所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易瞭解本發明之基本精神及其他發明目的，以及本發明所採用之技術手段與實施態樣。

依據上述，提供一種高濃度藻類的污水培養裝置與方法。在下面的敘述中，將會介紹上述之污水培養裝置的例示結構與其例示之培養方法。為了容易瞭解所述實施例之故，下面將會提供不少技術細節。當然，並不是所有的實施例皆需要這些技術細節。同時，一些廣為人知之結構或元件，僅會以示意的方式在圖式中繪出，以適當地簡化圖式內容。

高濃度藻類的污水培養裝置

請參照第1圖，其係繪示依照本發明一實施方式的一種高濃度藻類的污水培養裝置之結構示意圖。使用第1圖之裝置，可讓藻類的培養濃度高達1.5-2.5 g/L。在第1圖中，污水培養裝置100基本上包括污泥曝氣槽110與藻類曝氣槽120兩個薄膜生物反應器(Membrane Bioreactors；MBR)。

請再參照第1圖。在第1圖中，污泥曝氣槽110具有至少一片第一濾膜111，將污泥曝氣槽110分割成第一原液區112與第一濾液區113。第一濾膜111具有許多微小的濾 孔，因此可以將位於第一原液區112中之污水內的污泥與微生物濾除，得到澄清的第一濾液。

在第一原液區112中，通入欲處理污水的第一進水管線114，讓污水充滿第一原液區112，並且加入活性污泥(activated sludge)。活性污泥中含有許多不同的微生物、有機物與無機物，在第一原液區112中經過曝氣供給氧氣後，可以協助將污水中的有機氮轉換成無機氮。

因此，在第一原液區112中，還通入第一進氣管線115，讓空氣可以進入第一原液區112中。進入第一原液區112中的空氣一方面可供活性污泥中之微生物所需，另一方面也可以用來振動第一濾膜111，防止污泥附著在第一濾膜111上而堵塞第一濾膜111上的濾孔。

在第一濾液區113中，設置第一出水管線116，將過濾後且富含無機氮(如硝酸鹽)的第一濾液導出至第一濾液暫存桶130暫放。此外，在污泥曝氣槽110的底部還設置污泥排放管線119，以利定期部分更新污泥曝氣槽110中的污泥。

藻類曝氣槽120也具有至少一片第二濾膜121，將藻類曝氣槽120區分成第二原液區122與第二濾液區123。第二濾膜121也具有許多微小的濾孔，因此可將位於第二原液區122中之藻類培養液內的藻體濾除，得到澄清的第二濾液。

在第二原液區122中，通入來自濾液暫存桶130的第二進水管線124，讓第一濾液充滿第二原液區122，並且加入欲培養的藻類。因此，為了讓藻類能進行光合作用，還在藻類曝氣槽120的周邊設置照明燈127。

為了讓藻類能順利生長，在第二原液區122中還通入第二進氣管線125。因此一方面可以供給藻類呼吸所需的氧氣以及光合作用所需的二氧化碳，另一方面也可以用來振動第二濾膜121，防止藻類附著在第二濾膜121上而堵塞第二濾膜121上的濾孔。

在第二濾液區123中，則設置第二出水管線126，將過濾且除氮後的第二濾液導出至第二濾液暫存桶140存放。此外，在藻類曝氣槽120的底部還設置藻體排放管線129，以利定期部分更新藻類曝氣槽120中的藻體。

此外，為了讓污泥曝氣槽110與藻類曝氣槽120兩個薄膜生物反應器可以長時間使用，還需設置清洗管線來清洗污泥曝氣槽110與藻類曝氣槽120，尤其是清洗第一濾膜111與第二濾膜121。因此，可在污泥曝氣槽110的第一濾液區113中通入第一清洗管線118，在藻類曝氣槽120的第二濾液區123中通入第二清洗管線128。第一清洗管線118與第二清洗管線128皆通往清水供應源150。清水供應源150的清水可以使用另外準備的清水，也可以使用上述自藻類曝氣槽120流出來的第二濾液。

因此，可以每隔一段時間，讓前述之與污水處理相關部分的裝置停下來，讓來自清水供應源150的清水分別透過第一清洗管線118與第二清洗管線128注入污泥曝氣槽110的第一濾液區113與藻類曝氣槽120的第二濾液區123。然後，分別穿透第一濾膜111與第二濾膜121，再分別進入第一原液區112與第二原液區122，完成污泥曝氣槽110與藻類曝氣槽120的清洗步驟。

最後，在上述之第一進水管線114、第一出水管線116、 第二進水管線124、第二出水管線126、第一清洗管線118與第二清洗管線128還可分別設置電磁閥(圖上未示出)，以利可程式控制器(圖上未示出)來分別控制各電磁閥的開關時間，達成長時間連續運轉的目的。此外，還可讓污泥曝氣槽110與藻類曝氣槽120分別接上一液位計(圖上未示出)，以偵測污泥曝氣槽110與藻類曝氣槽120的水面高低，回饋給可程式控制器來做為控制各電磁閥開關的條件之一。

高濃度藻類的污水培養方法

承上所述，因此在使用上述裝置來利用污水培養藻類時，污水先自第一進水管線114進入污泥曝氣槽110的第一原液區112，然後利用位於第一原液區112中之活性污泥來對污水進行生物處理，把污水中所含之有機氮轉換成無機氮，如硝酸鹽等。在利用活性污泥處理污水的期間，可由第一進氣管線115提供活性污泥中微生物所需之空氣，提升生物處理的成效。

活性污泥處理後的污水，經過第一濾膜111過濾後，去除了污水中的活性污泥以及微生物，進入第一濾液區113，形成第一濾液。第一濾液再透過第一出水管線116進入第一濾液暫存桶130暫存。而污泥曝氣槽110底部的污泥排放管線119可以利用來定期排放部分的活性污泥，以維持活性污泥的活性。

需要時，第一濾液再從第一濾液暫存桶130經過第二進水管線124，進入藻類曝氣槽120的第二原液區122，用 來培養位於第二原液區122內的藻類。在藻類的培養期間，由第二進氣管線125提供空氣供藻類呼吸之用。此外，還可經由第二進氣管線125提供二氧化碳以及在藻類曝氣槽120周邊的照明燈127，讓藻類可以進行光合作用。

由於第一濾液中所含的無機氮與無機磷將可被藻類利用來生長繁殖，所以第一濾液中的氮磷污染物的濃度也可因此下降。因此，被藻類處理過後的第一濾液，經過第二濾膜121的過濾後，去除了第一濾液中之藻體，進入第二濾液區123，形成第二濾液。第二濾液可透過第二出水管線126進入第二濾液暫存桶140中暫存。而藻類曝氣槽120底部之藻體排放管線129可用來定期排放部分老化的藻體，以維持藻類的生物活性。

當需要維護時，則停止上述污水處理裝置，然後啟動清洗裝置。也就是利用自清水供應源150所供應的清水，經由第一清洗管線118與第二清洗管線128來分別注入清水至第一濾液區113與第二濾液區123，讓清水逆向流動來清洗污泥曝氣槽110與藻類曝氣槽120。

實驗例

接著，下面將舉出一實驗例，來做為上述之高濃度藻類的污水培養裝置與方法的例示說明。在此實驗例中，污泥曝氣槽110與藻類曝氣槽120兩個薄膜生物反應器的操作條件如下面的表一所示。污水為來自某污水處理廠尚未經處理之初沉池的廢水，主要是一般民生活動所產生的生活污水。實驗所培養的藻類為小球藻(Chlorella vulgaris)。

^a污泥曝氣槽與藻類曝氣槽分別具有4片濾膜。

^b水力停留時間(Hydraulic Retention Time；HRT)為污水在污泥曝氣槽110或藻類曝氣槽120的停留時間。

^c相當於第一出水管線116或第二出水管線126每天的出水量。

^d相當於第一濾膜111或第二濾膜121每小時每平方公尺的過濾水量。

^e相當於污泥曝氣槽110或藻類曝氣槽120每分鐘每平方公尺的曝氣量。

所得的藻類培養結果，請見第2A-2B圖。第2A圖為測得之藻類濃度隨著培養天數的變化曲線，第2B圖為測得之葉綠素a濃度隨著培養天數的變化曲線。從第2A圖的結果可知，在10-20天的培養期間中，藻類的生長速率可維持在對數生長的狀況下，且藻類的濃度可由初始的100 mg/L提升至600 mg/L。從第2B圖的結果可知，葉綠素a的濃度亦由4 mg/L提升至18 mg/L。綜合第2A-2B圖的結果可知，藻類可在含有無機氮與無機磷等物質的污水下穩定成長。

在減少污水中污染物含量的結果，請見第3A-3C圖。第3A圖為測得之硝酸鹽中所含氮濃度隨著培養天數的變化曲線，第3B圖為測得之氨氮中所含氮濃度隨著培養天數的變化曲線，第3C圖為測得之磷酸鹽濃度隨著培養天數的變化曲線。

綜合第3A-3B圖的結果可知，當污水中同時存在硝酸鹽與氨氣的氮源情況下，小球藻將會先利用氨氣做為生長之氮源。在前面20天的培養期間，氨氮幾乎完全被小球藻利用，讓氨氮濃度由70 mg N/L降至0 mg N/L。在培養20天後，小球藻才開始利用硝酸鹽做為生長之氮源。

從第3C的結果可知，小球藻的生長過程中亦會利用污水中的無機磷酸鹽。在前面20天的培養期間，磷酸鹽中磷濃度由15 mg P/L降至0 mg P/L。

綜合上述結果可知，利用上述實施方式所提供之高濃度藻類的污水培養裝置與方法，可以成功地利用生活污水來培養高濃度的藻類。因此，不僅可以增加去除污水中氮磷污染物的去除效率，而且相對於傳統培養，經上述污水培養裝置之高濃度培養藻類，可減少後端濃縮的成本。經濃縮後的藻體，還可以供應作為產製生質能源的原物料。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧污水培養裝置

120‧‧‧藻類曝氣槽

110‧‧‧污泥曝氣槽

121‧‧‧第二濾膜

111‧‧‧第一濾膜

122‧‧‧第二原液區

112‧‧‧第一原液區

123‧‧‧第二濾液區

113‧‧‧第一濾液區

124‧‧‧第二進水管線

114‧‧‧第一進水管線

125‧‧‧第二進氣管線

115‧‧‧第一進氣管線

126‧‧‧第二出水管線

116‧‧‧第一出水管線

127‧‧‧照明燈

118‧‧‧第一清洗管線

128‧‧‧第二清洗管線

119‧‧‧污泥排放管線

129‧‧‧藻體排放管線

130‧‧‧第一濾液暫存桶

140‧‧‧第二濾液暫存桶

150‧‧‧清水供應源

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依照本發明一實施方式的一種高濃度藻類的污水培養裝置之結構示意圖。。

第2A圖為測得之藻類濃度隨著培養天數的變化曲線。

第2B圖為測得之葉綠素a濃度隨著培養天數的變化曲線。

第3A圖為測得之硝酸鹽中所含氮濃度隨著培養天數的變化曲線。

第3B圖為測得之氨氮中所含氮濃度隨著培養天數的變化曲線。

第3C圖為測得之磷酸鹽濃度隨著培養天數的變化曲線。

100‧‧‧污水培養裝置

120‧‧‧藻類曝氣槽

110‧‧‧污泥曝氣槽

121‧‧‧第二濾膜

111‧‧‧第一濾膜

122‧‧‧第二原液區

112‧‧‧第一原液區

123‧‧‧第二濾液區

113‧‧‧第一濾液區

124‧‧‧第二進水管線

114‧‧‧第一進水管線

125‧‧‧第二進氣管線

115‧‧‧第一進氣管線

126‧‧‧第二出水管線

116‧‧‧第一出水管線

127‧‧‧照明燈

118‧‧‧第一清洗管線

128‧‧‧第二清洗管線

119‧‧‧污泥排放管線

129‧‧‧藻體排放管線

130‧‧‧第一濾液暫存桶

140‧‧‧第二濾液暫存桶

150‧‧‧清水供應源

Claims (10)

1. 一種高濃度藻類的污水培養裝置，該高濃度藻類的污水培養裝置包括：一污泥曝氣槽；一第一濾膜，位於該污泥曝氣槽中，將該污泥曝氣槽的內部空間分隔成一第一原液區與一第一濾液區：一第一進水管線，用以導入污水進入該第一原液區；一第一進氣管線，用以導入空氣進入該第一原液區；一第一出水管線，用以將位於該第一濾液區中之第一濾液導出；一藻類曝氣槽；一第二濾膜，位於該藻類曝氣槽中，將該藻類曝氣槽的內部空間分隔成一第二原液區與一第二濾液區；一第二進水管線，用以導入該第一濾液進入該第二原液區；一第二進氣管線，用以導入空氣與二氧化碳進入該第二原液區；以及一第二出水管線，用以將位於該第二濾液區中之第二濾液導出。
2. 如請求項1所述之高濃度藻類的污水培養裝置，更包括用以排放污泥之一污泥排放管線，其位於該污泥曝氣槽的底部。
3. 如請求項1所述之高濃度藻類的污水培養裝置， 更包括用以排放藻體之一藻體排放管線，其位於該藻類曝氣槽的底部。
4. 如請求項1所述之高濃度藻類的污水培養裝置，更包括一照明燈，其位於該藻類曝氣槽之周邊。
5. 如請求項1所述之高濃度藻類的污水培養裝置，更包括一第一濾液暫存桶，位於該第一出水管線與該第二進水管線之間，以暫存該第一濾液。
6. 如請求項1所述之高濃度藻類的污水培養裝置，更包括一第一清洗管線，用以將清水導入至該污泥曝氣槽的第一濾液區，以清洗該污泥曝氣槽。
7. 如請求項1所述之高濃度藻類的污水培養裝置，更包括一第二清洗管線，用以將清水導入至該藻類曝氣槽的第二濾液區，以清洗該藻類曝氣槽。
8. 一種高濃度藻類的污水培養方法，使用如請求項1-7任一項所述之該高濃度藻類的污水培養裝置，該高濃度藻類的污水培養方法包括：使用該污泥曝氣槽，讓由該第一進水管線導入之污水被位於該第一原液區中之活性污泥進行生物處理；使用該第一濾膜過濾被該活性污泥處理後之污水，形成位於第一濾液區之第一濾液； 使用該第一出水管線與該第二進水管線，導入該第一濾液至該第二原液區中，讓該第一濾液中所含氮與磷成分被位於該第二原液區內之藻類進行處理；以及使用該第二濾膜過濾被該藻類處理後之該第一濾液，形成位於該第二濾液區之第二濾液。
9. 如請求項8所述之高濃度藻類的污水培養方法，更包括經由該第一進氣管線導入空氣至該第一原液區中。
10. 如請求項8所述之高濃度藻類的污水培養方法，更包括經由該第二進氣管線導入空氣與二氧化碳至該第二原液區中。