CN107012072B - 一种光生物膜反应器及其在污水处理、固碳和微藻采收中的应用 - Google Patents
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Abstract
一种光生物膜反应器及在污水处理、固碳和微藻采收中的应用。该光生物膜反应器包括光生物反应***、配气***和柱状溶气‑气浮收获***。该反应器可实现微藻深度净化污水。垂直悬挂的膜材料可以很好地利用垂直空间；膜组件可大大提高气液传质效率；帘式膜组件的特殊排列方式最大程度地减少光的散射损耗，避免能量流失，保证光能被膜上的微藻高效吸收利用，实现藻细胞受光均一性；膜上微藻可通过简单机械收刮操作实现微藻低成本绿色采收。悬浮微藻可通过柱状溶气‑气浮收获***实现低成本绿色溶气‑气浮采收，同时可将CO2溶气功能集合在采收装置中，在培养期通过配气***和柱状溶气‑气浮收获***实现CO2加富培养微藻。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种光生物膜反应器及其净化污水、高效固碳和低成本采收微藻的方法。
背景技术
传统污水处理仅将污水作为一种废弃物、污染物进行处理，传统处理工艺存在停留时间长、处理效率低、耗能大且二氧化碳排放量大等问题。
微藻净化污水具有绝对的优势：微藻结构简单，光合效率高，培养周期短；微藻具有吸收、消耗水体环境中的N、P等营养元素以及吸附重金属元素的功能；微藻的光合作用需要消耗大量的CO2，若将火电厂排放的CO2用于微藻的规模化养殖，可实现温室气体的减排等。但净化污水后微藻的收获成为瓶颈问题之一，目前微藻收获的主要方法有过滤、离心及絮凝等。过滤法生产效率很低、膜易堵塞、再生或更新成本高额，离心法设备成本高、能耗大，均不适合大规模应用。
膜反应器是在反应器中添加各种填料以便微生物附着生长使其在填料上形成了一层生物构成的类似于膜的结构，这样的反应器被称为生物膜反应器。生物膜法具有运行稳定、较强的抗冲击负荷能力、更为经济节能、无污泥膨胀问题等优点，在污水处理中具有很大潜力。若利用微藻膜处理污水，可以实现低成本的机械采收微藻。液体中悬浮的微藻也可以采用气浮收获方法实现低成本绿色采收，同时可将CO2溶气功能集合在采收装置中，在培养期实现CO2加富培养微藻。
为实现废水资源化利用和CO2的生物高效固定，解决微藻个体小收获困难的问题，本发明设计了一种利用微藻技术实现废水深度净化、二氧化碳高效固定和微藻低成本采收的光生物膜反应器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种光生物膜反应器及其在污水处理、高效固碳和低成本微藻采收中的应用。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种光生物膜反应器包括配气***（A）、柱状溶气-气浮收获***（B）和光生物反应***（C）。
所述光生物反应***（C）包括上水槽（13）、膜材料悬挂支架（21）、下水槽（17）、潜水泵（18）、定时器（19）、膜材料（16）、植物生长Led光源（14）和机械收刮微藻装置（15）。下水槽（17）通过潜水泵（18）及管道与上水槽（13）相连，定时器（19）控制潜水泵（18）工作，上水槽（13）底部设有出水小孔（20），出水小孔（20）在膜材料（16）上方，膜材料（16）垂直悬挂于膜材料悬挂支架（21）上，膜材料悬挂支架（21）水平面投影呈V字形设置；植物生长Led光源（14）在该水平面投影的V字形顶点连线的中间位置，以提供光照，机械收刮微藻装置（15）可进行机械收刮微藻。其工作过程是：下水槽（17）中液体通过潜水泵（18）到达上水槽（13），然后从出水小孔（20）到达膜材料（16），流入下水槽（17），形成循环，定时器（19）控制潜水泵（18）工作。微藻既可利用废水养分进行异养生长又可利用植物生长Led光源（14）和CO2进行自养生长，实现良好生长，最后膜上微藻可通过机械收刮微藻装置（15）以简单机械收刮操作实现微藻低成本绿色采收。
所述膜材料（16）材质为网格塑料、纱布＋隔板、棉布或玻璃纤维布。
所述配气***（A）包括空气压缩机（1）、CO2钢瓶（2）、气体流量计一（3）、气体流量计二（4）、配气罐（5）和气体流量计三（7）。空气压缩机（1）、CO2钢瓶（2）分别与配气罐（5）相连，配气罐（5）通过管道连接到柱状溶气-气浮收获***（B），气体流量计一（3）、气体流量计二（4）、气体流量计三（7）控制气体流量。其工作过程是：通过将空气压缩机（1）、CO2钢瓶（2）分别与配气罐（5）相连接，用气体流量计一（3）控制CO2流量，气体流量计二（4）控制空气流量，得到一定浓度的CO2混合气体并储存于配气罐（5）中，用气体流量计三（7）控制CO2混合气体的流量，并通入所述柱状溶气-气浮收获***（B）中，借助微气泡板（8）高效溶于培养液中。
所述柱状溶气-气浮收获***（B）包括进水口（9）、出水口（6）、柱状溶气-气浮收获装置（10）、微气泡板（8）。微气泡板（8）置于柱状溶气-气浮收获装置（10）的底部，装置上侧左端为进水口（9），下侧左端为出水口（6），装置右端上、下侧分别与光生物反应***的上水槽（13）、下水槽（17）相联通，分别用阀门一（11）和阀门二（12）控制水流，装置底部与配气***的配气罐（5）相联通。培养期可实现CO2高效溶于培养液，为微藻光合作用提供充足的CO2，收获期可实现低成本绿色溶气-气浮方式收获微藻生物质。
本发明所述的一种光生物膜反应器在污水处理、固碳和微藻采收中的应用，按以下步骤：
a）将污水通过进水口（9）注入柱状溶气-气浮收获装置（10），按25%~30%接种量接入微藻。
b）打开植物生长Led光源（14），打开阀门二（12），通过定时器（19）启动潜水泵（18），向上水槽（13）输送接种了微藻的污水，污水通过上水槽（13）的出水小孔（20）到达膜材料（16），膜材料（16）吸收水分，微藻附着在膜材料（16）上，膜材料（16）的特殊排列方式最大程度地减少植物生长Led光源（14）的散射损耗，保证被膜材料（16）上的微藻高效吸收和利用。
c）启动配气***和柱状溶气-气浮收获***（B），培养期每天开启培养液CO2溶气功能，收获期开启柱状溶气-气浮收获***（B），低成本绿色收获微藻功能。
d）收获期，通过机械收刮微藻装置（15），以简单机械操作实现微藻低成本绿色采收。
e）处理结束，从出水口（6）排出处理过的污水，进水口（9）重新注入污水，并利用膜材料（16）上残留的微藻作为种子。
所述光生物膜反应器运行单个周期为5～8天，所述潜水泵工作时间为20 min，休息时间为60 min，所述培养期CO2溶气功能开启时间为每天2～3次，每次5～20 min，CO2浓度为2%～10%。
本发明的优点在于：
（1）微藻既可利用废水养分进行异养生长，实现废水深度净化；又可利用植物生长Led光源进行自养生长，Led光源和帘式膜组件的特殊排列方式最大程度地减少光的散射损耗，避免能量流失，保证光能被膜上的微藻高效吸收利用，解决悬浮培养光衰减问题，实现藻细胞受光均一性。
（2）膜材料垂直悬挂，可以很好地利用垂直空间，膜上微藻可通过简单机械收刮操作实现微藻低成本绿色采收。膜组件可大大提高气液传质效率而且有利于光合作用过程中溶氧及时解吸。
（3）配气***和柱状溶气-气浮收获***可保证在培养期间歇加富CO2方式，间歇性将CO2混合空气通入柱状溶气-气浮收获***，在高水压状态下实现大大提高CO2在废水中的溶解性而帮助微藻高效固碳；收获期，将空气通入柱状溶气-气浮收获***，微藻体积小，极容易附着在微气泡板中逸出的微气泡，随后因气泡浮力作用微藻富集于柱状溶气-气浮收获***的表面，实现低成本绿色溶气-气浮收获悬浮液中的微藻生物质。
附图说明
图1是本发明的光生物膜反应器主视图。其中，1为空气压缩机、2为CO2钢瓶、3为气体流量计一、4为气体流量计二、5为配气罐、6为出水口、7为气体流量计三、8为微气泡板、9为进水口、10为柱状溶气-气浮收获装置、11为阀门一、12为阀门二、13为上水槽、14为植物生长Led光源、15为机械收刮微藻装置、16为膜材料、17为下水槽、18为潜水泵、19为定时器。A为配气***、B为柱状溶气-气浮收获***、C为光生物反应***。
图2是光生物膜反应器的光生物反应***（C）的俯视图，表示膜材料和Led灯的分布情况。14为植物生长Led光源、20为出水小孔、21为膜材料悬挂支架。
图3是不同膜材料上微藻生长情况图。22为网格塑料，23为纱布＋隔板，24为棉布，25玻璃纤维布，26为标准棉布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例
本实施例所述的装置包括配气***A、柱状溶气-气浮收获***B和光生物反应***C。
所述光生物反应***C包括上水槽13、膜材料悬挂支架21、下水槽17、潜水泵18、定时器19、膜材料16、植物生长Led光源14和机械收刮微藻装置15。下水槽17通过潜水泵18及管道与上水槽13相连，定时器19控制潜水泵18工作，上水槽13底部设有出水小孔20，出水小孔20在膜材料16上方，膜材料16垂直悬挂于膜材料悬挂支架21上。植物生长Led光源14提供光照，机械收刮微藻装置15可进行机械收刮微藻。其工作过程是：下水槽17中液体通过潜水泵18到达上水槽13，然后从出水小孔20到达膜材料16，流入下水槽17，形成循环，定时器19控制潜水泵18工作。微藻既可利用废水养分进行异养生长又可利用植物生长Led光源14和CO2进行自养生长，实现良好生长，最后膜上微藻可通过机械收刮微藻装置15以简单机械收刮操作实现微藻低成本绿色采收。
所述膜材料16材质为网格塑料、纱布＋隔板、棉布或玻璃纤维布。
所述配气***A包括空气压缩机1、CO2钢瓶2、气体流量计一3、气体流量计二4、配气罐5和气体流量计三7。空气压缩机1、CO2钢瓶2分别与配气罐5相连，配气罐5通过管道连接到柱状溶气-气浮收获***B，气体流量计一3、气体流量计二4、气体流量计三7控制气体流量。其工作过程是：通过将空气压缩机1、CO2钢瓶2分别与配气罐5相连接，用气体流量计一3控制CO2流量，气体流量计二4控制空气流量，得到一定浓度的CO2混合气体并储存于配气罐5中，用气体流量计三7控制CO2混合气体的流量，并通入所述柱状溶气-气浮收获***B中，借助微气泡板8高效溶于培养液中。
所述柱状溶气-气浮收获***B包括进水口9、出水口6、柱状溶气-气浮收获装置10、微气泡板8。微气泡板8置于柱状溶气-气浮收获装置10的底部，装置上侧左端为进水口9，下侧左端为出水口6，装置右端上、下侧分别与光生物反应***的上水槽13、下水槽17相联通，分别用阀门一11和阀门二12控制水流，装置底部与配气***的配气罐5相联通。培养期可实现CO2高效溶于培养液，为微藻光合作用提供充足的CO2，收获期可实现低成本绿色溶气-气浮方式收获微藻生物质。
本发明在养猪场废水处理中的应用。
将养猪场废水通过进水口9注入柱状溶气-气浮收获装置10，按25%接种量接入小球藻；打开植物生长Led光源14，打开阀门二12，通过定时器19启动潜水泵18，向上水槽13中输送接种了微藻的污水，污水通过上水槽的出水小孔20到达膜材料16，膜材料吸收水分，微藻附着在膜材料上，膜材料的特殊排列方式最大程度地减少植物生长Led光源的散射损耗，保证被膜上的微藻高效吸收利用，潜水泵工作20min，休息60 min；启动配气***A和柱状溶气-气浮收获***B，第1~4天每天开启培养液CO2溶气功能2次，每次10 min，使得5%CO2借助微气泡板8高效溶于培养液中。第5天结束培养，通过机械收刮微藻装置15以简单机械操作实现微藻低成本绿色采收，收获微藻浓度可达5.65±0.49 g/L；开启气浮低成本绿色收获微藻功能，采收悬浮液中的微藻生物质；从出水口6排出清水，化学需氧量、总磷、总氮、氨氮去除率分别达95.67%、64.40%、69.55%和91.24%，重新注入污水，利用膜材料16上残留的微藻作为种子进入下一个处理周期。
Claims (4)
1.一种光生物膜反应器，其特征是包括配气***（A）、柱状溶气-气浮收获***（B）和光生物反应***（C）；
所述光生物反应***（C）包括上水槽（13）、膜材料悬挂支架（21）、下水槽（17）、潜水泵（18）、定时器（19）、膜材料（16）、植物生长Led光源（14）和机械收刮微藻装置（15）；下水槽（17）通过潜水泵（18）及管道与上水槽（13）相连，定时器（19）控制潜水泵（18）工作，上水槽（13）底部设有出水小孔（20），出水小孔（20）在膜材料（16）上方，膜材料（16）垂直悬挂于膜材料悬挂支架（21）上，膜材料悬挂支架（21）水平面投影呈V字形设置；植物生长Led光源（14）在该水平面投影的每个V字形顶点连线的中间位置，以提供光照，机械收刮微藻装置（15）可进行机械收刮微藻；
所述配气***（A）包括空气压缩机（1）、CO2钢瓶（2）、气体流量计一（3）、气体流量计二（4）、配气罐（5）和气体流量计三（7）；空气压缩机（1）、CO2钢瓶（2）分别与配气罐（5）相连，配气罐（5）通过管道连接到柱状溶气-气浮收获***（B），气体流量计一（3）、气体流量计二（4）、气体流量计三（7）控制气体流量；
所述柱状溶气-气浮收获***（B）包括进水口（9）、出水口（6）、柱状溶气-气浮收获装置（10）、微气泡板（8）；微气泡板（8）置于柱状溶气-气浮收获装置（10）的底部，装置上侧左端为进水口（9），下侧左端为出水口（6），装置右端上、下侧分别与光生物反应***的上水槽（13）、下水槽（17）相联通，分别用阀门一（11）和阀门二（12）控制水流，装置底部与配气***的配气罐（5）相联通。
2.根据权利要求1所述的一种光生物膜反应器，其特征是所述膜材料（16）材质为网格塑料、纱布＋隔板、棉布或玻璃纤维布。
3.权利要求1所述的光生物膜反应器在污水处理、固碳和微藻采收中的应用，其特征是按以下步骤：
a）将污水通过进水口（9）注入柱状溶气-气浮收获装置（10），按25%~30%接种量接入微藻；
b）打开植物生长Led光源（14），打开阀门二（12），通过定时器（19）启动潜水泵（18），向上水槽（13）输送接种了微藻的污水，污水通过上水槽（13）的出水小孔（20）到达膜材料（16），膜材料（16）吸收水分，微藻附着在膜材料（16）上，膜材料（16）水平面投影呈V字形的排列方式，最大程度地减少植物生长Led光源（14）的散射损耗，保证被膜材料（16）上的微藻高效吸收和利用；
c）启动配气***和柱状溶气-气浮收获***（B），培养期每天开启培养液CO2溶气功能，收获期开启柱状溶气-气浮收获***（B），低成本绿色收获微藻功能；
d）收获期，通过机械收刮微藻装置（15），以简单机械操作实现微藻低成本绿色采收；
e）处理结束，从出水口（6）排出处理过的污水，进水口（9）重新注入污水，并利用膜材料（16）上残留的微藻作为种子。
4.根据权利要求3所述的光生物膜反应器在污水处理、固碳和微藻采收中的应用，其特征是所述光生物膜反应器运行单个周期为5～8天，所述潜水泵工作时间为20 min，休息时间为60 min，所述培养期CO2溶气功能开启时间为每天2～3次，每次5～20 min，CO2浓度为2%～10%。
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