CN113072177A - 利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的装置和方法。本发明利用污泥消化液进行原位进化藻群的培养，提高其对高氨氮污水环境的适应性能，一方面实现了污泥消化液的生物修复，另一方面产生的微藻生物质能源也具有潜在商业价值。同时，通过微藻固碳，将厌氧消化过程中得到的生物气成分升级净化。将污泥消化液和天然雪水混合作为微藻培养介质，生物气提供CO2来源，同步实现了污水的生物修复和生物气成分净化。

Description

利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的装置和方法
技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，涉及一种利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的装置和方法。
背景技术
当前环境下，污水处理厂对于污水污泥的处理呈现一个“重水轻泥”的局面，大量污泥如不经过处理直接进入环境，将产生毒害危险。厌氧消化已被认为是减少污泥的一种可持续方式，但其产生的离心浓缩废水因含有大量营养物和有机物而需要进一步处理。此外，厌氧消化***的气态排放物，即沼气(CH4和CO2)需进行优化以提高生物甲烷含量，因为CO2的存在将限制其作为可再生能源的应用。因此，有必要开发一项同时处理污泥废水和优化升级沼气的技术。
基于微藻的废水生物修复技术由于其对废水中养分的充分回收利用和潜在的生物质能源生产而受到越来越多的关注，其中不乏利用污泥浓缩废水进行微藻培养。然而，该技术的商业实施受到微藻在污泥浓缩废水高氨氮/游离氨环境下的低耐受性和低生长效率的限制，无法实现大规模应用。通常，有两种可行方法来解决这一挑战。首先，通过使用自适应实验室进化技术(ALE)构建进化菌株，可以增强微藻对胁迫环境的耐受性；其次，开发能够降低连续流中氨氮/游离氨浓度的方法，可以减轻其对微藻生长的抑制，从而改善***性能。通常采用稀释法降低污泥浓缩废水中营养物浓度，但这种方法需要的淡水资源或二次废水体量较大，大大限制了可持续性地实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的装置和方法。本发明利用污泥消化液进行原位进化藻群的培养，提高其对高氨氮污水环境的适应性能，一方面实现了污泥消化液的生物修复，另一方面产生的微藻生物质能源也具有潜在商业价值。同时，通过微藻固碳，将厌氧消化过程中得到的生物气成分升级净化。将污泥消化液和天然雪水混合作为微藻培养介质，生物气提供CO2来源，同步实现了污水的生物修复和生物气成分净化。
实现本发明目的的技术方案如下：
利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的装置，依次由水解酸化池、进料池、光生物反应器、生物气进化柱、气体收集装置1和气体收集装置2组成，生物气净化柱顶部与气体收集装置1连接，光生物反应器顶部与气体收集装置2连接，水解酸化池设置有进水管，水解酸化池与进料池之间、生物气进化柱出水口与光生物反应器之间通过连接管连接，进料池与光生物反应器之间、光生物反应器与生物气进化柱之间通过设置有蠕动泵的连接管连接，光生物反应器中设置有出水口、溶解氧浓度(DO)传感器和pH传感器，DO传感器、pH传感器与DO测定仪、pH测定仪连接，光生物反应器的一侧设置有光照板，气体收集装置2设置有气体取样阀。
本发明还提供利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的方法，包括以下步骤：
(1)原位藻的培养：从污泥消化液中分离原位微藻，然后采用污泥消化液和自来水混合得到的稀释消化液进行原位微藻培养，在20个周期中逐渐提高消化液的体积比从50％至80％，获得原位进化藻；
(2)水解酸化：污泥消化液通过进水管进入水解酸化池(HAR)，在水力停留下进行厌氧操作，混合液的悬浮固体浓度为6000mg/L；
(3)污水混合：水解酸化池出水直接流入进料池，天然雪水也进入进料池与其混合，水解酸化池出水与天然雪水的体积比为7:3，形成稀释污泥消化液；
(4)微藻培养和沼气优化：在光生物反应器中接种原位进化藻，稀释污泥消化液通过蠕动泵进入开放式光生物反应器，在室温和光照条件下，以半连续流模式运行，产生的气体经气体收集装置2设置的气体取样阀测定具体成分后排出；在反应器运行的同时，通过蠕动泵将其与生物气净化柱相连，以循环藻液，并与生物气充分接触，柱内充有合成沼气：70％N2、25％CO2、1.8％O2、3.2％H2O，生物气净化柱的排出气体进入气体收集装置1；运行过程中，pH、DO传感器将获取的数字信息实时传输到DO测定仪、pH测定仪上，实现参数的在线监测，光生物反应器出水最终通过出水管排出。
优选地，步骤(2)中，水力停留时间为3天。
优选地，步骤(4)中，光照条件为：光照强度为4000lux，光照：黑暗周期为14h：10h。
优选地，步骤(4)中，原位进化藻的填充率为50％，稀释污泥消化液连续进水时间为24小时，水力停留时间为6天。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)实现了污泥废水的资源化利用。污泥消化液经厌氧发酵的水解酸化步骤，将连续流中难降解有机物转化为小分子有机物，更易被生物吸收。此外，消化液中富含的氮磷元素能高效为微藻生长提供营养成分，替代价格昂贵的商业培养基，为微藻养殖提供了一种经济高效的培养方法。
(2)节约淡水资源。利用天然雪水而非淡水资源或二级出水稀释高氨氮污泥消化液，能够减轻稀释用水压力，并有效降低高氨氮环境对微藻的毒害作用。选择ALE技术下驯化得到的、耐高氨氮的原位进化藻群进行接种，易适应混合污水的水质。
(3)优化沼气成分。光生物反应器与沼气净化柱的结合将藻液得以循环流通，微藻通过光合作用充分利用沼气中CO2，使得CO2含量降低，CH4含量上升，完成沼气成分的优化，实现沼气的可持续化。
(4)节能减排，创造富余价值。相比于其他主流污水处理工艺，本发明能耗更低、操作简便且几乎不产生剩余污泥，收集后的微藻经特定程序处理能够产生高价值的生物质能源。
附图说明
图1为利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的装置示意图；
图2为实施例中微藻生长曲线、生物量生产率、氮磷浓度以及pH随时间天数推移的变化图；
图3为实施例中碳和氮质量流量图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加明确，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的方案进行进一步详细的介绍。显然，所呈现的实施例是本发明的部分实施例，本发明的技术方案包括但不限于以下实施例：
以某污水处理厂污泥厌氧消化单元收集而来的污泥消化液为研究对象，水质成分如下：NH4 +-N 580-865mg/L，亚硝酸盐(NO2 --N)0.02-0.18mg/L，硝酸盐(NO3 --N)0.05-0.29mg/L，磷(PO4 3--P)12.0-32.9mg/L，化学需氧量(COD)350-410mg/L，pH 7.40-8.85。所选沼气净化柱有效容积0.6L，高0.5m，直径0.04m；所选光生物反应器有效容积2L，高0.26cm，直径0.1m，在为期310天的六个阶段中进行长期运行和装置优化。具体过程如下：
(1)原位藻的培养：原位藻由污泥消化液中分离得到，并经过自适应实验室进化技术(ALE)构建的进化菌株，增强微藻对高氨氮环境胁迫的耐受性。具体进化方式为：采用污泥消化液和自来水混合得到的稀释消化液进行原位微藻培养，在20个周期中逐渐提高消化液比例从50％到80％，不断驯化，最终获得耐高氨氮的原位进化藻群。
(2)水解酸化：将从污水处理厂污泥消化***中取得的污泥消化液通过进水管流入水解酸化池(HAR)进行预处理，池内混合液的悬浮固体浓度控制为6000mg/L，达到3天的水力停留时间后将水解酸化池出水流入下一环节。
(3)污水混合：水解酸化池出水直接流入进料池，与一定体积的天然雪水进行混合，二者体积占比分别为70％和30％，形成稀释污泥消化液，其作为微藻培养基质进入下一环节。
(4)微藻培养和沼气优化：光生物反应器中接种原位进化藻。光生物反应器环境条件采用室温和4000lux光照，光照：黑暗周期为14h：10h，进行六个阶段的长期运行和装置优化，工艺参数如下表所示。在反应器运行的同时，通过蠕动泵将其与生物气净化柱相连，以循环藻液，并与生物气充分接触，柱内充有合成沼气：70％N2、25％CO2、1.8％O2、3.2％H2O。光生物反应器运行过程中，pH、DO传感器将获取的数字信息实时传输到DO测定仪、pH测定仪上，以供在线监测参数。
Figure BDA0002969803460000051
在阶段1中采用批次运行，随后其他阶段采用半连续流运行。在阶段1A(第0-24天)中，使用30％雪水+70％污泥消化液作为开放式光生物反应器进水，连续进料1min，藻液填充率大于95％，在反应器中停留8d，然后通过出水管出水。在第1B阶段(第24-64天)反应器进水替换为30％雪水+70％水解酸化池出水，连续进料1min，藻液填充率大于95％，在反应器中停留8d，然后通过出水管出水。在第2阶段(第64-128天)中以30％雪水+70％水解酸化池出水作为反应器进水，每个子循环中(阶段2A，2B和2C)丢弃不同体积的微藻藻液(30％，50％和70％)，分别用相同体积的水解酸化池出水代替，连续进料1min，在反应器中停留8d，然后通过出水管出水。在阶段3中，以30％雪水+70％水解酸化池出水作为反应器进水，控制藻液填充率50％，污水连续进料时间在子循环中(阶段3A，3B、3C和3D)分别为1min，12h，24h和36h，在反应器中停留8d，然后通过出水管出水。在阶段4中以30％雪水+70％水解酸化池出水作为反应器进水，控制藻液填充率50％，污水连续进料24h，水力停留时间在子循环中(阶段4A，4B和4C)分别采用8d、6d和4d，然后通过出水管出水。在阶段5和6中，光生物反应器分别采用开放式和封闭式两种方式，以30％雪水+70％水解酸化池出水作为反应器进水，控制藻液填充率50％，污水连续进料24h，在反应器中停留6d，然后通过出水管出水。
在阶段1中，当进水从原始污泥消化液(1A阶段)切换到水解发酵后的污泥消化液(1B阶段)时，生物质生产率提高了44.2％。这种增强可以归因于水解酸化步骤将消化液中的难降解有机物降解为小分子有机物，有效促进微藻的异养或混养的代谢和生长。在阶段2中，与70％(2A阶段)和30％(2C阶段)相比，使用50％的填充率(2B阶段)获得了1.32倍和1.35倍的生物量产率，这表明填充率的选择是***性能的关键参数之一。在阶段3中，与1分钟(3A阶段)和12小时(3B阶段)的进料时间相比，24小时(第3C阶段)显著提高了生物量产量和生产率，但更长的36小时并未表现出最佳效果，考虑到36小时可能导致在某些阶段必需营养素供应不足。在阶段4中，6d的水力停留时间(4B阶段)下，微藻生物量产率较8d(阶段4A)和4d(阶段4B)分别提高了24.1％和11.3％。在封闭式光生物反应器(阶段5)和开放式光生物反应器(阶段6)的对比中，可以发现后者的生产率更高，可达0.3059±0.0084g/(L·d)，说明封闭式光生物反应器会抑制微藻生长。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用的光生物反应器工艺参数为阶段6所示参数，结合图2所示，阶段6较其他阶段表现出更好的运行成果。其中微藻生物量产量高达0.3059±0.0039g/(L·d)，养分去除效率：NH4 +-N和PO4 3--P去除率分别为95.6±0.13％和90.8±0.44％。
2.结合图3，在本发明中，微藻吸收了污泥消化液中大约86.1％的流入氮，其中大部分氮通过细菌代谢损失了9.5％。与此同时，通过联结光生物反应器和生物气净化柱，合成沼气中减少了86％的CO2，其中38.0％通过光合作用流入生物质，以此实现了沼气利用率的提升。
本发明利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的方法能够利用污泥废水和进化微藻进行养分回收和碳固定，实现污水处理厂废水处理、节能减排的和沼气利用，其他微藻生物质能源例如碳水化合物，蛋白质和脂质，也可以通过调整工艺参数达到所需要求，实现经济利益最大化。
以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进或推演，这些改进或推演也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的装置，其特征在于，依次由水解酸化池、进料池、光生物反应器、生物气进化柱、气体收集装置1和气体收集装置2组成，生物气净化柱顶部与气体收集装置1连接，光生物反应器顶部与气体收集装置2连接，水解酸化池设置有进水管，水解酸化池与进料池之间、生物气进化柱出水口与光生物反应器之间通过连接管连接，进料池与光生物反应器之间、光生物反应器与生物气进化柱之间通过设置有蠕动泵的连接管连接，光生物反应器中设置有出水口、DO传感器和pH传感器，DO传感器、pH传感器与DO测定仪、pH测定仪连接，光生物反应器的一侧设置有光照板，气体收集装置2设置有气体取样阀。
2.利用原位藻同步处理污泥消化液和生物气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原位藻的培养：从污泥消化液中分离原位微藻，然后采用污泥消化液和自来水混合得到的稀释消化液进行原位微藻培养，在20个周期中逐渐提高消化液的体积比从50％至80％，获得原位进化藻；
(2)水解酸化：污泥消化液通过进水管进入水解酸化池，在水力停留下进行厌氧操作，混合液的悬浮固体浓度为6000mg/L；
(3)污水混合：水解酸化池出水直接流入进料池，天然雪水也进入进料池与其混合，水解酸化池出水与天然雪水的体积比为7:3，形成稀释污泥消化液；
(4)微藻培养和沼气优化：在光生物反应器中接种原位进化藻，稀释污泥消化液通过蠕动泵进入开放式光生物反应器，在室温和光照条件下，以半连续流模式运行，产生的气体经气体收集装置2设置的气体取样阀测定具体成分后排出；在反应器运行的同时，通过蠕动泵将其与生物气净化柱相连，以循环藻液，并与生物气充分接触，柱内充有合成沼气：70％N2、25％CO2、1.8％O2、3.2％H2O，生物气净化柱的排出气体进入气体收集装置1；运行过程中，pH、DO传感器将获取的数字信息实时传输到DO测定仪、pH测定仪上，实现参数的在线监测，光生物反应器出水通过出水管排出。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，水力停留时间为3天。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，光照条件为：光照强度为4000lux，光照：黑暗周期为14h：10h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，原位进化藻的填充率为50％，稀释污泥消化液连续进水时间为24小时，水力停留时间为6天。
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