CN105565508B - 一种膜曝气菌藻生物膜***及其应用 - Google Patents

一种膜曝气菌藻生物膜***及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种膜曝气菌藻生物膜***及其应用，该***包括反应器、设置在反应器中的曝气扩散器、固定在曝气扩散器上的曝气膜以及设置在反应器上的污水循环单元，所述的反应器底部设有进水管，顶部设有出水管，所述的曝气扩散器底部设有进气管，顶部设有排气管，所述的曝气膜上负载生长有微生物及微藻；所述的***用于同步去除污水中的有机物及氮、磷。与现有技术相比，本发明整体结构简单、紧凑，构型稳固，运行稳定，调节灵活性好，能够实现对污水中有机污染物和氮、磷的同步高效去除，经济实用，具有很好的应用前景。

Description

一种膜曝气菌藻生物膜***及其应用
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，涉及一种膜曝气菌藻生物膜***及其应用。
背景技术
传统的污水生物处理技术主要利用微生物代谢作用实现污染物的去除，氮磷的去除主要是利用硝化细菌、反硝化细菌及聚磷菌的厌氧释磷和好氧吸磷的特点来实现的，例如，传统的活性污泥法利用好氧微生物对有机物降解产生二氧化碳和水，同时合成生物体；利用硝化、反硝化细菌将氮素转化成氮气；利用聚磷和释磷菌去除磷素。
然而，传统的污水生物处理技术的主要缺点包括：污水处理周期较长，反应池体积较大，而且曝气量较大，设备较多，运行复杂，成本较高，产生的大量污泥难以处理等，这已成为传统污水处理工艺的技术发展瓶颈。
藻类作为光能自养型生物，能够利用光能以无机碳为碳源，通过光合作用吸收环境中的氮磷等物质，同时释放氧气。同时，藻类还可以作为生产生物柴油、动物饲料、提取药物等的原材料，具有很大的应用前景。细菌类微生物作为异养微生物，能够通过呼吸作用，利用氧气将有机物降解为二氧化碳、水等小分子物质。由于细菌呼吸活动降解有机物需要消耗空气中的氧气，同时有泡曝气氧气的传质效率低，曝气所消耗的能源占污水处理能源消耗的绝大部分，而藻类的光合作用消耗二氧化碳产生氧气，可与细菌代谢产物互补，将两者的这种关系加以利用，即可实现菌藻共生。基于细菌微藻的这种共生关系进行设计，最大限度地减少污水处理过程中的能源消耗，同时强化生物膜的脱氮除磷能力，实现污染物的高效去除。
目前，运用菌藻生物膜处理污水的相关技术已有报道。例如，授权公告号为CN101885534A的中国专利公开了菌藻协同低碳膜光合反应***，通过在反应池中添加填料，细菌附着于填料上，形成接触氧化反应条件。外部光照为微藻的光合作用提供充足的光照，产生的氧气经细菌利用后，多余的氧气在水中饱和后溢出。曝气装置弥补藻类所产生的氧气不足，同时为微藻的生长提供二氧化碳。但是由于曝气装置是有泡曝气，气体的利用率较低，同时气泡与生物膜接触摩擦，容易造成生物膜的脱落，从而导致处理效果不佳。另外，有泡曝气气体利用率不高，导致能源的浪费，增加了处理***的成本。
另，授权公告号为CN101328000A的中国专利公开了一种菌藻共生***，将藻类微生物接种到填料池中，微藻和微生物附着生长在多面空心载体上，形成菌藻共生***。菌藻处理***中没有添加了光照装置和曝气装置，单纯利用微生物和微藻的共生关系进行污水处理。虽然减少了能源的使用量，但是难以实现污水的高效处理，同时在菌藻处理***后添加有曝气接触氧化池，同样面临着氧的利用率较低。
但上述的发明均使用有泡曝气，无法避免气泡与生物膜的接触摩擦破坏生物膜，同时氧的利用率较低，菌藻共生***不能实现污水的高效处理。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单，在提高微生物降解有机物的同时，还能提高微藻同化污水中氮磷能力的膜曝气菌藻生物膜***及其应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种膜曝气菌藻生物膜***，该***包括反应器、设置在反应器中的曝气扩散器、固定在曝气扩散器上的曝气膜以及设置在反应器上的污水循环单元，所述的反应器底部设有进水管，顶部设有出水管，所述的曝气扩散器底部设有进气管，顶部设有排气管，所述的曝气膜上负载生长有微生物及微藻。
所述的***还包括设置在反应器两侧的光照单元。
所述的光照单元包括支撑板以及布设在支撑板上的多个荧光灯。
所述的荧光灯共设有4-8个，等间距均匀布设在支撑板上。
在实际使用时，反应器的两侧可根据实际情况设置光照单元或利用自然光源，为藻类的光合作用提供充足的光能。
所述的曝气膜为中空纤维曝气膜或管式曝气膜中的一种。
所述的曝气膜与曝气扩散器共同构成曝气膜组件，可以在藻类光合作用所产生的氧不足时通过曝空气提供氧气，防止细菌供氧不足；也可以在细菌和微藻呼吸作用所产生的二氧化碳不足时通过曝二氧化碳，以提高微藻的光合作用。
所述的污水循环单元包括与反应器顶部、底部相连通的回流管以及设置在回流管上的流量计、第一流量控制阀及循环泵。
所述的进水管上设有第二流量控制阀及进水泵，所述的出水管上设有第三流量控制阀。
所述的进气管上设有第一气体控制阀，所述的排气管上设有第二气体控制阀，所述的第一气体控制阀与第二气体控制阀相互配合，对曝气膜内的气压进行调控。
所述的反应器为透明封闭式反应器，这可以提高了二氧化碳和氧气的利用效率，强化了微生物和微藻的代谢。
一种膜曝气菌藻生物膜***的应用，该***用于同步去除污水中的有机物及氮、磷。
本发明中，所述的微生物在接种时，可以接种硝化污泥，也可以接种普通的活性污泥，在微藻选择方面，可以根据实际待处理污水的种类，单独选取螺旋藻、小球藻、栅藻、颤藻、鞘藻或蓝藻，或者将集中微藻结合起来使用。
所述的曝气膜为一种选择透过性膜，能够对二氧化碳和氧气具有较好的传质性能，并且曝气膜的泡点压力较高，能够在高压力条件下实现无泡曝气。同时，曝气膜的生物亲和性较好。在实际安装设置过程中，需要确保曝气膜在曝气扩散器上相互之间不会遮挡光路。
本发明膜曝气菌藻生物膜***，在反应器的内部设置曝气扩散器，并将曝气膜固定在曝气扩散器上构成膜曝气组件，一方面可为反应器中的污水提供无泡曝气，提高污水溶解氧的含量，另一方面曝气膜作为微生物和微藻的生长载体，能有效提高微生物和微藻的生物量。在实际应用过程中，膜曝气为反应器提供无泡曝气，提高了污水中氧的传质，从而提高了微生物的活性，而微生物呼吸作用消耗掉氧气产生二氧化碳，释放到水体中，此时，微藻通过光合作用消耗掉污水中的二氧化碳，产生氧气，与微生物之间形成共生关系。微藻消耗二氧化碳，微生物产生二氧化碳，两者相互作用，有效避免了菌藻共生***内pH值的波动变化，有利于微生物和微藻的稳定生长。
本发明中，菌藻附着于曝气膜组件上生长，降低混合液中浊度，同时减少藻类随污水流出反应器，避免二次污染；污水的浊度降低有利于光的透过，合理设置曝气膜内气压可实现菌藻生物膜同步硝化反硝化及藻类的光合作用吸收氮磷。
本发明为废水的资源化处理提供一种新的思路，采用菌藻共生关系与膜曝气无泡曝气的方法耦合起来，构建膜曝气菌藻生物膜是可行性的，这种菌藻共生***不仅可以实现微藻光合作用产氧促进微生物高效降解有机物，还能够实现微藻光合作用，这种生物膜***可实现***内部二氧化碳和氧气的循环利用，这不仅减少了曝气量，降低能源的消耗，同时通过回收生物质厌氧发酵，实现资源的回收再利用。本发明用于污水脱氮除磷，不需外加碳源，运行成本低，反应器结构紧凑，占地面积小，可以长期稳定运行，可应用于城市污水处理厂污泥厌氧消化上清液的处理，也可应用于一些高氮磷废水生物处理的预处理工艺。因此，本发明在当前的城市污水处理厂及高氨氮工业废水处理领域具有良好的应用前景和市场推广潜力。
与现有技术相比，本发明在菌藻生物膜的基础上通过膜曝气，实现无泡曝气，不仅解决了有泡曝气气泡与生物膜摩擦接触破坏生物膜的缺陷，同时，膜曝气提供的无泡曝气提高了氧的传质速率，提高了氧的利用率，减少了曝气量，从而减少了能源的消耗；而微生物与微藻共同附着在曝气膜表面，通过氧气和光照的不同分布情况，可形成生物膜的分层，不同层微生物的种属不同，为实现氮的硝化反硝化提供可能，提高污水中氮的去除效果。
与现有技术相比，本发明将膜曝气工艺与菌藻共生***耦合在一起处理废水的高效污水处理***，该***有助于提高微生物降解有机物同时提高微藻同化污水中氮磷的能力；本发明可利用细菌和微藻在生物膜中的共生关系同步分解有机物并吸收污水中氮磷等污染物质，并通过回收菌藻生物膜实现污水的资源化利用，具有以下特点：
1)利用微生物与微藻的共生关系，减少污水处理***氧气的消耗，节省了大量的能源消耗；
2)菌藻共生***固定化生长，能够有效减少污泥的排放量，同时微藻还可作为生物质能源的原材料，生产能源；
3)膜曝气组件不仅为***提供氧气和二氧化碳，同时还作为菌藻生长的载体；
4)膜曝气提供无泡曝气，提高了氧气和二氧化碳的传质速率，提高了氧气和二氧化碳的利用率；
5)采用无泡曝气方式，解决了有泡曝气中气泡与生物膜的接触摩擦导致的生物膜脱落的技术问题；
6)整体结构简单、紧凑，构型稳固，运行稳定，将光照单元设置在反应器两侧，便于对光照条件进行调控，增加了***调节的灵活性，能够实现对污水中有机污染物和氮、磷的同步高效去除，经济实用，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明***结构示意图；
图中标记说明：
1—反应器、2—曝气膜、3—曝气扩散器、41—荧光灯、42—支撑板、5—回流管、6—流量计、7—循环泵、8—第一流量控制阀、9—进水管、10—出水管、11—进气管、12—排气管、13—第二流量控制阀、14—第三流量控制阀、15—第一气体控制阀、16—第二气体控制阀、17—进水泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种膜曝气菌藻生物膜***，该***包括反应器1、设置在反应器1中的曝气扩散器3、固定在曝气扩散器3上的曝气膜2以及设置在反应器1上的污水循环单元，反应器1底部设有进水管9，顶部设有出水管10，曝气扩散器底部3设有进气管11，顶部设有排气管12，曝气膜2上负载生长有微生物及微藻。
***还包括设置在反应器1两侧的光照单元，该光照单元包括支撑板42以及布设在支撑板42上的多个荧光灯41，荧光灯41共设有4个，等间距均匀布设在支撑板42上。其中，污水循环单元包括与反应器1顶部、底部相连通的回流管5以及设置在回流管5上的流量计6、第一流量控制阀8及循环泵7。进水管9上设有第二流量控制阀13及进水泵17，出水管10上设有第三流量控制阀14。进气管11上设有第一气体控制阀15，排气管12上设有第二气体控制阀16，第一气体控制阀15与第二气体控制阀16相互配合，对曝气膜2内的气压进行调控。
本实施例***中，曝气膜2为中空纤维曝气膜，反应器1为透明封闭式反应器，可用于同步去除污水中的有机物及氮、磷。
本实施例膜曝气菌藻生物膜***，在反应器1的内部设置曝气扩散器3，并将曝气膜2固定在曝气扩散器3上构成膜曝气组件，一方面可为反应器1中的污水提供无泡曝气，提高污水溶解氧的含量，另一方面曝气膜2作为微生物和微藻的生长载体，能有效提高微生物和微藻的生物量。在实际应用过程中，膜曝气为反应器1提供无泡曝气，提高了污水中氧的传质，从而提高了微生物的活性，而微生物呼吸作用消耗掉氧气产生二氧化碳，释放到水体中，此时，微藻通过光合作用消耗掉污水中的二氧化碳，产生氧气，与微生物之间形成共生关系。微藻消耗二氧化碳，微生物产生二氧化碳，两者相互作用，有效避免了菌藻共生***内pH值的波动变化，有利于微生物和微藻的稳定生长。
在实际应用时，本实施例***包括以下步骤：
1)对反应器1接种菌藻混合液；
2)向反应器1中添加含氮污水，在适当光照条件下，反应器1静置2-3天，使微生物和微藻附着生长在曝气膜2上；
3)调节回流管5内流速，控制反应器1污水的流速，避免水流过快，导致曝气膜2上的生物膜脱落。
4)控制荧光灯4，调节光照时间。
反应器1整体上呈圆柱体，曝气膜2上附着生长着菌藻共生体，膜内气压的大小根据实际运行情况确定，通过控制曝气膜2内气压可以实现菌藻生物膜不同层中微生物优势菌群，根据实际应用可在生物膜中实现硝化作用和反硝化作用。曝气膜2固定在曝气扩散器3上，通过进气管11在第一气体控制阀15及第二气体控制阀16的调节下，实现曝气膜2内气压的控制。进入反应器1中污水通过回流管5提高污水与菌藻生物膜的接触时间，提高污水净化效果，经过处理后的污水通过出水管10排放到后续污水处理设施中。
本实施例运用于污水处理厂升级改造污水处理工艺技术研究。该项目中的进水水质为：COD 90-210mg/L，氨氮20-35mg/L，总氮30-50mg/L，总磷2.5-5mg/L；水力停留时间为0.8小时，光照为荧光灯41照射，光照强度在3000-3500lux，光照周期：光暗比为12小时/12小时。经本实施例膜曝气菌藻生物膜***处理后，出水水质达到：COD 10-25mg/L，氨氮3-9mg/L，总氮4.5-10.5mg/L，总磷0.3-1mg/L。本实施例在污水处理中的处理效果分别为：COD去除率88.8-95.2％，氨氮去除率85.0-91.4％，总氮去除率83.5-91％，总磷去除率80-94.5％。
实施例2：
本实施例采用自然光照，无需设置光照单元，曝气膜2为管式曝气膜。其余同实施例1。
本实施例运用于某养殖场畜禽养殖污水处理工艺研究。该项目中的进水水质为：COD 500-685mg/L，氨氮240-370mg/L，总氮450-658mg/L，总磷30-50mg/L；设置水力停留时间为1.0小时，由于循环推流***，实际水力停留时间大于该值；光照为自然光照射，光照强度在2500-4500lux，光照周期大致在13小时/11小时。经本实施例膜曝气菌藻生物膜***处理后，出水水质达到：COD 45-67mg/L，氨氮10-40mg/L，总氮90-130mg/L，总磷3-9mg/L。本实施例在污水处理中的处理效果分别为：COD去除率86.6-95.2％，氨氮去除率83.3-97.3％，总氮去除率71.1-86.3％，总磷去除率70-94％。
实施例3：
本实施例中，光照单元中的荧光灯41共设有8个，等间距均匀布设在支撑板42上，曝气膜2为管式曝气膜。其余同实施例1。
实施例4：
本实施例中，光照单元中的荧光灯41共设有6个，等间距均匀布设在支撑板42上，曝气膜2为管式曝气膜。其余同实施例1。
实施例5：
本实施例中，光照单元中的荧光灯41共设有5个，等间距均匀布设在支撑板42上。其余同实施例1。

Claims (7)

1.一种膜曝气菌藻生物膜***，其特征在于，该***包括反应器(1)、设置在反应器(1)中的曝气扩散器(3)、固定在曝气扩散器(3)上的曝气膜(2)、设置在反应器(1)上的污水循环单元以及设置在反应器(1)两侧的光照单元，所述的反应器(1)为透明封闭式反应器，反应器(1)底部设有进水管(9)，顶部设有出水管(10)，所述的曝气扩散器底部(3)设有进气管(11)，顶部设有排气管(12)，所述的曝气膜(2)上负载生长有微生物及微藻，曝气膜(2)为中空纤维曝气膜或管式曝气膜中的一种，曝气膜在曝气扩散器上以避免相互遮挡光路的形式排列，微生物与微藻共同附着在曝气膜表面，通过氧气和光照的不同分布情况形成微生物的分层，不同层微生物的种属不同，为实现氮的硝化反硝化提供可能，提高污水中氮的去除效果。
2.根据权利要求1所述的一种膜曝气菌藻生物膜***，其特征在于，所述的光照单元包括支撑板(42)以及布设在支撑板(42)上的多个荧光灯(41)。
3.根据权利要求2所述的一种膜曝气菌藻生物膜***，其特征在于，所述的荧光灯(41)共设有4-8个，等间距均匀布设在支撑板(42)上。
4.根据权利要求1所述的一种膜曝气菌藻生物膜***，其特征在于，所述的污水循环单元包括与反应器(1)顶部、底部相连通的回流管(5)以及设置在回流管(5)上的流量计(6)、第一流量控制阀(8)及循环泵(7)。
5.根据权利要求1所述的一种膜曝气菌藻生物膜***，其特征在于，所述的进水管(9)上设有第二流量控制阀(13)及进水泵(17)，所述的出水管(10)上设有第三流量控制阀(14)。
6.根据权利要求1所述的一种膜曝气菌藻生物膜***，其特征在于，所述的进气管(11)上设有第一气体控制阀(15)，所述的排气管(12)上设有第二气体控制阀(16)，所述的第一气体控制阀(15)与第二气体控制阀(16)相互配合，对曝气膜(2)内的气压进行调控。
7.如权利要求1至6任一项所述的一种膜曝气菌藻生物膜***的应用，其特征在于，该***用于同步去除污水中的有机物及氮、磷。
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