CN2338338Y - 微藻废水处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型生物废水处理装置包含有反应器、废水供入部分、再生液供给部分以及排水放空阀等。其特征在于还包括空气供给部分、微藻生长光源,反应器填充以直径为3—4mm的微藻珠,反应器长度为500—2000mm、内径70—280mm。其优点为:吸附率高(重金属镍、铜含量为30ppm的废水,处理后可降至1—2ppm,污水的除氮率为92%,除磷率为100%)可免受污染失活、造价低、藻珠容易再生,连续使用寿命在3个月以上。

Description

微藻废水处理装置

本实用新型是属于生物废水处理技术领域。

目前工业废水的来源很多，例如电镀、电子、金属加工，氮与磷肥生产等工厂会排放出大量废水，以及城市生活污水等。其中除含有各种重金属或氮磷外，还常会有油、清洗剂等少量有机物。日益严重的环境问题，要求采用各种措施治理废水。现在重金属废水的处理方法很多，包括化学沉淀法，氧化--还原法(例如用SO₂、磺酸钠、硫酸铁、N₂H₄等将Cr⁶⁺还原成Cr³⁺，再中和或化学沉淀)，电解法，气浮法，离子交换法，膜渗析法，吸附法以及生物处理法等。其中化学沉淀法应用较广，但所生成的重金属污泥量较大，不易脱水，会造成二次污染，运行费用较高。离子交换法，处理效果好，可回收重金属，缺点是树脂昂贵，易受有机物和氧化物的污染而失效。在废水处理的各种方法中，生物处理技术占有十分重要的位置，其特点是对溶解性有机物、氮磷等营养素具有较好的去除效果，又较经济，因此在处理废水污水方面，生物技术是优先选择的方法。例如文献(中国国家环保局情报所编：《重金属废水治理及废物资源化技术》专辑，上册)论述了废水处理的生化法及生物方法及其优缺点，但是并未述及藻类在废水处理方面的应用。生物废水处理包括细菌、真菌和微藻的使用。在不同的处理方法中，它们所占的比例和起的作用是不同的。例如，活性污泥法是以细菌为主体。微藻十分广泛地分布在海洋、湖泊、河流中，其生物合成方法是：CO₂+H₂O光照微藻细胞+O₂。生物合成所需的碳源可以是水中的碳酸盐，或空气中的CO₂，其它营养元素有氮(硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮)、磷(磷酸盐)和某些微量元素Fe²⁺，Mn²⁺，K⁺，Ca²⁺等。由于藻类分布广，污水排入水体后，会引起藻类的数量甚至种类的变化。藻类一方面成为水体中抵御污染的一种重要生物群体，另一方面，我们可以根据其种类和数量的变化，分析、判断水体受污染的程度及污染物的种类，如当水体中N、P的浓度高至一定数值，会造成藻类大量繁殖，说明水体发生富营养化，在海湾则会引起赤潮。由此可见，藻类与环境污染、环境保护之间，存在着密切关系。因而自八十年代末以来，利用微藻处理废水的技术已成为生物学家和环境保护专家共同研究的热点之一。

本实用新型的设计人和申请人黄玉山等自1984年开始研究微藻去除废水中的氮磷和重金属，曾经通过烧杯试验、有机玻璃柱试验(动态连续试验)，直到最近又设计了这套中试规模试用的微藻废水处理装置。

研究表明，微藻对重金属的去除功能有两个方面，一是细胞壁的功能团如羧基(-coo^-)和胺基(-NH₂ ^-)等对重金属离子的吸附作用，这是一种快速被动的反应，类似于离子交换作用；二是细胞对重金属的生物代谢(或称吸收)作用。此过程是一种缓慢主动的细胞内部反应。由于微藻分布广泛，来源多，对重金属的去除和氮磷的吸收作用显著。微藻利用氮磷等作为营养素生长后，可从废水***分离出来，因藻体富含蛋白质、碳水化合物、维生素等，可用作动物饲料，在城市污水深度处理中具有较好应用前景。根据文献检索和产品技术调查，到目前为止，尚未发现有关以微藻固定化小珠为吸附柱填料的废水处理装置方面的报道。

本实用新型的目的是提供一种以微藻固定小珠作为吸附柱填充剂的工业上使用的废水处理装置，要求填充剂对废水中重金属和氮磷的吸附量高，易分离回收、寿命长、不易失效等。

本实用新型提供了一种“微藻废水处理装置”，简称“微藻反应器”(Microalgae wastewater Treatment Reactor，Algabiotor)，经过实验室和中试证明已达到了上述目的，其功能是有效的、实用的，而且结构简单、操作方便、造价低廉。该装置的主要组成部分包含有：作为主体结构部分的反应器或吸附柱、测量仪器仪表(压力计和流量计)、电控部分(11个控制用电磁阀)、空气供给部分(供气管道及阀门)、废水处理部分(供入泵及阀)、再生液供给部分(泵及阀门)。反应器内填充的固定化微藻球珠，感观良好，无臭味。微藻的培养是在透明塑料培养箱中使用通用配养液，在光照下于室温22±1℃培养，定时曝气。生长的微藻在转速为10,000rpm下离心10分钟，使细胞浓度达到8-9×10⁷个/ml，以备固定化之用。

本实用新型废水处理装置或微藻反应器，其中所使用的微藻球珠的固定化制法，即藻细胞的固定化方法如下：固定化的材料为硅藻酸钠(Sodiumalginate)，即利用硅藻酸钠作为微藻的包埋(覆)材料，固化方法与N.F.Y.Tam等人的方法相同(Nora F.Y.Tam and Y.S.Wong，《Wastewater treatment with Microorganisms》，The Commercial Press(HK)，Ltd，1995]。首先制备4％W/V的藻酸钠溶液：将375ml的去离子水注入容积为1升的反应瓶中，直接向其中加入15g藻酸钠，在压热釜中升温至121℃经过15分钟，冷却至室温。然后制备0.3M(3％重量)的CaCl₂·2H₂O溶液，即将44gCaCl₂·2H₂O溶解于1升去离子水中。再根据预先确定的所需藻细胞浓度(细胞数/每个微藻球珠)计算出需要的藻细胞总量(试验中所用的藻浓度为5.6×10⁶细胞/每个球珠)，然后将微藻球与4％(W/V)的硅藻酸钠溶液混合均匀，通过蠕动泵泵入3％CaCl₂溶液中，亦即将375ml的微藻--硅藻酸钠溶液混合物用蠕动泵送入3×250mlCaCl₂·2H₂O溶液，便形成微藻球珠。以此法制成的微藻球珠平均直径为3-4mm。将制得的微藻固定球珠贮存于4℃备用。所说的蠕动泵是使用内经为1mm的聚四氟乙烯(Teflon)塑料管。

下面将结合附图对本实新型作详细说明

图1是本实用新型微藻废水处理装置原理图

图2是本实用新型微藻废水处理装置的反应器或吸附柱的结构图

图3是本实用新型微藻废水处理装置总体装配正面图

图4和图5是图3的A-A、B-B、C-C及D-D的侧视图

从图1可看出，本实用新型微藻废水处理装置是包含有：作为核心部分或主体设备的一个或多个相同的反应器(吸附柱)，以及通过管道和接头与该反应器相连接的废水供入部分20，包括(废水箱21，废水供入泵22，废液供入阀A1、A2、E2，压力计23及流量计24)，再生液供入部分30(包括再生液箱31，再生液供入或提升泵32，再生液供入阀B1/B2、排出阀D1/D2、压力计及流量计)，空气供给管40，包括阀C1、C2和进气口41，两个排水放空阀F1和F2，还可包括清水箱50，浓液箱60以及微藻生长光源80(在反应器左、后、右侧设有反射镜，后侧还设有日光灯)以及装置的外壳及底下的四只支承轮子。空气供给部分的作用，一是在需要时提供空气进行搅拌，二是供给微藻所需的碳源CO₂、空气是来自空气压缩机，经过测压，流量测定仪后从反应器的底部进入，空气可同时进入两个反应器，也可先进入第一级反应器后再进入第二级反应器。

图2为微藻反应器或吸附柱的结构，图中反应器1是用有机玻璃制成，长度500-2000mm，最佳1000mm，内径70-280mm，最佳为140mm，有效容积8-36升，最佳为15.5升；中试中水力停留时间30分钟和处理水量为20升/小时。装入藻珠(algal beads)高度最佳为70cm，即藻珠在反应器内的填充率为30-95％，最佳为70％，堆积体积10.8 5升。沿反应器身不同高度设有多个取样口2；反应器顶端和底端分别设有有机玻璃制的上、下封头3和4；反应器顶部设有不锈钢挡板5，挡板上开孔直径约为2.5mm，防止藻珠(φ3-4mm)流出反应器之外；反应器底部设有不锈钢承托板6，供承藻珠的重量；上部有机玻璃制的微藻珠装入口8上设有封闭用橡胶环7，下部设有有机玻璃制的微藻珠卸出口9，以便更换藻珠；反应器底端设有有机玻璃制的进、出水口11和曝气头12以供给空气；上端和下端分别设有法兰盘14、法兰盘下面设有密封用橡胶环13。反应器的耐压强度为2Kg/cm²以上，连接部位均采用密封防漏水漏气措施，管道内径10mm，阀门及接头内径6mm。反应器可以用有机玻璃材料或其它透明塑料制作。

图3是微藻废水处理装置的总体装配正面图。它是由两个相同的反应器及其它配件组成，反应器的结构与图2相同。图4左面为装置的A-A侧视图和右面为B-B侧视图。图5的左边为C-C侧视图，右边为D-D侧视图。由图3，4，5可看出，整个装置包含有：废水提升泵22，废水箱21，监测仪表盘25，第一级反应器1a，第二级反应器1b，反应沉淀器26，再生液排出泵33，再生液贮箱31，再生液供给泵32，搅拌器27，标牌70，日光灯80，箱体或设备外壳90，以及配电控制箱100、电磁阀等。箱体是用不锈钢制作，下面设有四个支承轮子。装置的四周及顶部均用透明有机玻璃封闭。所有阀门、管道及水泵均为防腐型。在装置内反应器的左、后、右侧设有反射镜，日光灯布置在反射镜前，作为微藻生长的光源，绿藻小球(algal beads)在空气的搅拌下在反应器内上下游动。装置的左侧设有废水箱及提升泵、浓液箱；右侧设有再生液箱及再生液提升泵，设有有机玻璃门，便于添加废水和添加再生洗脱液，也便于水泵的流量调节；装置的背面集中布置了十一个控制用的电磁阀(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2、E2、F1、F2)和整台设备配电箱及贮存含重金属离子的浓液箱，并配有搅拌装置，用作重金属高子处理或回收利用，用有机玻璃门封闭。上述图1-5中的各零部件名称、编号及尺寸规格如下：

1反应器，长度1000m，直径140mm，多个并联或串联的反应器可为1a，1b..：2取样口，有多个取样口，不锈钢材料，长度40mm，直径5mm；3和4分别为反应器顶端和底端的封头，其厚度为20mm，有机玻璃材料；5反应器顶部挡板，厚度2mm；6反应器底部承托板，厚度3mm；7密封橡胶环，厚度2mm；8微藻珠装入口，直径50mm，厚度5mm，有机玻璃材料；9微藻珠卸出口，直径50mm，厚度5mm；10螺丝；11进出水口，直径6mm；12曝气头；13法兰盘密封橡胶环，直径250mm，厚度1mm；14法兰盘；20废水供入部分，部件包括：21废水箱，规格500×200×300mm，聚乙烯塑料制成；22废水提升泵，为计量泵，420ml/min，型号EH-C 35VC 220R4；23压力计；24流量计；25检测仪表盘(装有流量计和压力表)；26反应沉淀器；300×200×600mm，底部锥形，27搅拌器，型号50002-25，stir/pak，9-900rpm；30再生液供入部分，部件包括：31再生液箱，聚乙烯塑料制品，尺寸250×200×485mm；32再生液供给泵，为可调计量泵，420ml/min，型号EH-C35VC-220R4；33再生液排出泵，为离心泵，8-91/min，1-1.4m，型号IWAKI Magent pump；40空气供给管，41进气口；50清水箱；60浓液装；70标牌；80光源，日光灯；90箱体或设备外壳，规格1000×600×1600mm；100配电箱，外壳为金属，HKUST制造，尺寸规格300×200×390mm。

本实用新型藻废水处理装置可单级运行或两级串联运行。采用手动控制和自动控制两套控制方式。与该装置配套使用的是一台微机及控制软件。

本实用新型微藻废水处理装置的主要技术特征在于：包含有空气供给部分：进气口、阀C1和C2；微藻生长光源：在反应器左、后、右侧设置的反射镜及后侧的日光灯；上述反应器内填充以固定化的平均直径为3-4mm的微藻珠；反应器内微藻珠的填充率为30-95％，最佳为70％；所说的反应器长度为500-2000mm，最佳为1000mm，内径为70-280mm，最佳为140mm；各连接管道内径8-12mm，最佳10mm；阀门及接头内径4-8mm，最佳6mm；用于处理含重金属废水的微藻珠最佳浓度为2.5微克干重/毫升硅藻酸钠，处理含氮磷污水的微藻珠最佳浓度为0.1微克干重/毫克硅藻酸钠。

微藻废水处理装置的运行操作方法：

1、重金属离子的去除与回收

A、固定床同向流再生的运行方式：这为常用方式之一，即填料(微藻珠)在反应器中固定不动，在处理阶段废水从反应器底部进入，再生阶段再生洗脱液也从反应器底部进入，两者方向相同，所以称为同向流。操作见附图1：处理阶段保持泵22、电磁阀A1、A2和E2开启，其它泵和阀处于关闭状态。再生阶段，泵32、电磁阀B1/B2、D1/D2开启，其它关闭。

B、固定床逆向流再生方式：与A项不同之处在于再生液由反应器上部进入、下部排出，与废水自下而上的流向不同，所以称为逆向流。通过A项与B项的结果对比，作出选择。操作方法：处理阶段与A项相同，再生阶段须将进行再生的软管由反应器底部调换至顶部(设计中留有接口)，其它与A项相同。

C、流动床处理固定床再生运行方式：微藻珠悬浮在水中，充满整个反应器，可在反应器中游动。流动床的优点是微藻珠与金属离子接触机率和面积增加，缺点是进水迅速被稀释，浓度作为传质的推动力之一因稀释而减小。操作方法：处理阶段除增开供气阀C1外，其它与A项相同，再生阶段采用同向流和逆向流无区别，因为流动床运行使所有微藻珠吸附重金属的量基本相同，所以两种再生方式的效果无异，采用A项再生阶段的操作即可。

D、完全流动床运行方式

指处理阶段和再生阶段，微藻珠均处于悬浮状态。

操作方法：处理阶段开泵22、电磁阀A1、A2、E2和C1，其它关闭。再生阶段开泵32、电磁伐B1/B2、D1/D2和C1/C2。B1与B2、D1与D2、C1与C2非同时操作，在计算机控制程序设计时已将两反应器的再生时间错开。

E、两反应器可串联运行，也可单独运行。

根据具体应用需要，有时只需要一个反应器，在第一个反应器顶部留有出水口，即其出水可不进入第二段反应器，增加了设备使用灵活性。

2、氮磷的去除

去除氮磷营养素必须保持微藻良好的生物活性和生长环境，这需要提供足够的营养素和光能。

A、间歇或运行：微藻废水处理装置可采用单个反应器进行间歇式操作，一次加废水量可选择2升到12升，很灵活。操作：废水加入可通过泵22、电磁阀A1进行(见附图1)，也可以直接从微藻珠装入口加入(附图2)，排水通过放空阀F1。为了使微藻珠与水充分接触，采用空气搅拌，由阀C1进入。空气中的CO₂也是微藻生长的重要碳源，日光灯开启。

B、连续流运行：也称为动态运行，进水、出水和曝气均是连续的。操作：进水开泵22、阀A1、阀C1，单反应器进行时开阀D1出水，两反应器串联运行时开阀A2，E2，其它阀关闭，日光灯开启。当微藻珠生长到一定时间需排出多余部分时，通过反应器底部卸出口排出。微藻处理重金属和氮磷废水的试验结果表明，微藻废水处理装置的上述7种功能均可实现。

废水处理具体操作例：

(1)处理来自金属加工行业的含Cu²⁺废水：废水含铜浓度30ppm，水量3m³/h。设备外型尺寸2.0×1.2×2.5m，装机容量1.5kw，工作周期：处理阶段29小时，放空5分钟，出水Cu²⁺≤1.0ppm。用1％HNO₃再生0.9小时，反洗5分钟，放空5分钟，完成一个周期。整个操作均由计算机控制自动完成。洗脱液中的铜离子浓度平均为600-1500ppm。

(2)处理来自电镀行业的含Ni²⁺废水，Ni²⁺浓度为30ppm左右，设备型号同上例(1)，但工作周期为：处理阶段10小时，放空5分钟，出水Ni²⁺≤2.0ppm；用1％HNO₃再生0.9小时，反洗5分钟，放空5分钟，完成一个周期。洗脱液中镍离子浓度平均为400-600ppm。

(3)处理含氮磷废水：城市污水经沉淀后，上清液中含氨态氮30ppm、含磷10ppm，水力停留时间为48小时，处理后出水中所残留NH₄ ⁺-N和PO₄ ^3--P分别为3ppm和1ppm以下。

本实用新型微藻废水处理装置的效果及优点如下：

1、利用硅藻酸钠作为微藻的包埋材料，将藻与包埋材料对重金属离子的吸附和微藻对氮磷的吸收作用结合在一起，提供了一种有效的废水处理技术，而且避免了离子交换树脂易受污染失效的缺点。

2、利用微藻固定化成为直径大小为3-4mm的球珠形式，解决了藻吸附剂与重金属的分离回收问题。

3、微藻珠的使用寿命较长，可循环使用在3个月以上。

4、当废水中Cu²⁺浓度为30ppm左右时，可在水力停留时间为30分钟，在29个小时内保证出水Cu²⁺≤1.0ppm；当废水中Ni₂₊浓度为30ppm时，在水力停留时间为30分钟，在10个小时内保证出水Ni²⁺≤2.0ppm；吸附了上述二价铜和镍离子的微藻珠，可用1％硝酸再生，再生时间为0.9小时，洗脱液中Cu²⁺的浓度，平均600-1500ppm，洗脱液中Ni²⁺浓度平均为400-600ppm；当废水中氨态氮为30ppm，磷为3ppm时，可在水停留48小时，去除NH⁺-N态氮92％，去除磷可高达100％。

5、利用微藻球珠处理金属时的最佳浓度为2.5微克干重/毫升硅藻酸钠；而处理氮磷时的最佳用量为0.1微克干重/毫升硅藻酸钠。

实施例：

本实用新型微藻废水处理装置的一优选实施例如图1所示，其中只使一个反应器，反应器的长度为1000mm，内径140mm，反应器内填充有3-4mm的固定化微藻珠，微藻珠在反应器内的填充率为70％，处理含重金属废水的微藻珠浓度为2.5微克干重/毫升硅藻酸钠，处理含氮磷污水的微藻珠浓度为0.1微克干重/毫升硅藻酸钠。反应器的结构如图2所示，这是一种单级反应器(或吸附柱)型装置。结构简单，操作方便，可用手工操作或自动控制操作。

实施例2

另一最佳实施例如图3所示。该装置不同于实施例1之处仅在于采用两级串联的两个反应器(或吸附柱)，其余与实施例1相同，反应器的结构如图2所示。可用手工或自动控制操作来实现废水处理，可处理更高的进水浓度或达到更优质的出水。

实施例3

该微藻废水处理装置与实施例2相同，不同之处仅在于反应器的长度为500mm，内径为70mm。

实施例4

该装置与实施例2相同，不同之处仅在于反应器的长度为2000mm，内径为280mm。

实施例5

该装置与实施例2相同，不同之处仅在于：微藻珠在反应器内的填充率为30％。

实施例6

该装置与实施例2相同，不同之处仅在于：微藻珠在反应器内的填充率为95％。

Claims (5)

1.一种微藻废水处理装置，它包括一个或多个反应器或吸附柱(1)，通过管道和接头与反应器或吸附柱连接的由泵(22)、废水箱(21)、压力计(23)、流量计(24)、废水供入阀(A1)、(A2)和(E2)所组成的废水供入部分(20)，由泵(32)、再生液箱(31)、压力计、流量计、再生液供入阀(B1)、(B2)和排出阀(D1)、(D2)组成的再生液供入部分(30)，以及排水放空阀(F1)和(F2)，其特征在于：它还包括有与反应器(1a)和(1b)相连接并从反应器底部向反应器内供入空气的空气供给管(40)，进气口(41)；微藻生长光源(80)，包括在反应器左、后、右侧设有的反射镜、后侧还设有日光灯，所说的反应器内填充以固定化的平均直径大小为3-4mm的微藻珠，填充率为30-95％，反应器长度为500-2000mm、内径为70-280mm。

2.按照权利要求1所述的微藻废水处理装置，其特征在于所说的反应器为两个，(1a)和(1b)，采用两级串联运行或单独运行形式，反应器的耐压强度约为2Kg/cm²。

3.按照权利要求1所述的微藻废水处理装置，其特征在于所说的反应器长度为1000mm、内径为140mm，反应器内微藻珠的填充率为70％，处理含重金属废水的微藻珠浓度为2.5微克千重/毫升硅藻酸钠，处理含氮磷污水的微藻珠浓度为0.1微克千重/毫升硅藻酸钠，处理含氮磷污水的微藻珠浓度为0.1微克千重/毫升硅藻酸钠。

4.按照权利要求1或3所述的微藻废水处理装置，其特征在于实施例包含如下部件：废液提升泵(22)，废水箱(21)，监测仪表盘(25)，第一级反应器(1a)，第二级反应器(1b)，反应沉淀器(26)，再生液排出泵(33)，再生液贮箱(31)，再生液供给泵(32)，搅拌器(27)，日光灯(80)，设备外壳(90)，配电控制箱100以及11个电磁阀，所说的反应器中填充有3-4mm的固定化微藻珠。

5.按照权利要求1或3所述的微藻废水处理装置，其特征在于所说的反应器结构如下：沿反应器身不同高度设有多个不锈钢取样口(2)，反应器顶端和底端分别设有封头(3)和(4)，反应器顶部设有不锈钢挡板(5)、挡板上开孔2.5mm，反应器底部设有不锈钢承托板(6)，上部有微藻装入口(8)，装入口(8)上设有封闭用橡胶环(7)，下部设有微藻珠卸出口(9)，反应器底端设有进出水口(11)和曝气头(12)，上端和下端设有法兰盘(14)，法兰盘下面设有密封用橡胶环(13)；反应器各连接管道的内径10mm，阀门及接头内径6mm。

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