一种利用微藻脱氮除磷的方法及处理装置与流程

1.本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种利用微藻脱氮除磷的方法及处理装置。


背景技术：

2.近年来，伴随着我国工业化、现代化进程的持续推进，每年的污水排放量在不断地增加。越来越多的工业产品，如洗涤剂、染色剂、农药、化肥等进入我们的生产生活中，导致氮、磷等导致水体富营养化的元素大量进入自然水体。水体富营养化已经成为世界最严重的环境问题之一，氮、磷元素在自然水体中的大量累积，将造成藻类的快速繁殖，这威胁了水生动植物的生存环境，对生态系统的稳定性和生物多样性产生很大的负面影响。同时，氮、磷等元素也会污染饮用水水源地，危害人类的身体健康。
3.目前，相对于物理、化学的脱氮除磷技术外，生物脱氮除磷由于具有成本低、产生的二次污染小、可持续的先天优势得到广泛应用。但生物脱氮在反硝化过程中，对于水体中bod的含量具有较高的要求，尤其在c/n较低的情况下脱氮效率难以得到保证，一般需要外加有机碳源，如甲醇、葡萄糖等，这大大增加了污水处理厂的运行成本。同时，硝化过程需要足够的曝气量支持，造成污水处理厂的能耗较大。
4.生物除磷存在一下问题：一是厌氧与好氧交替的环境难以精准控制，这导致聚磷菌的富集量和生物活性(尤其是吸磷的生物活性)远不能达到理想的水平。二是生物吸磷的磷去除率较低，当进水磷浓度较高或者对出水磷浓度要求严苛(如一级a标准)的情况下，往往需要配合化学除磷工艺，从而大大增加了除磷过程的运行成本。
5.微藻是一群体积微小、增殖快、可进行光合作用的藻类的统称。微藻具有很大的潜在经济价值，富油微藻含有较高的生物油脂，这些物质可作为制备生物柴油的原料，并且相比于制造生物油脂的陆地植物，微藻具有光能转化率高、生长速度快、空间利用率高的优点。但专门利用培养液培养微藻生产生物柴油的成本仍然很高，相比于传统的化石燃料不具有经济优势。经筛选驯化培养的富蛋白微藻具有较高的蛋白质含量，蛋白含量可达微藻干重的42％。并且微藻的蛋白属于优质蛋白，与动物的蛋白组成更加接近且容易被动物消化吸收，因而可被用作畜禽养殖的饲料。
6.利用富含氮、磷的污水作为培养微藻的培养液具有很大的研究和应用前景，已有众多研究表明，在不外加营养盐的情况下，微藻可在多种废水中富集生长，如市政污水、养殖废水、肉类食品加工废水等，其对废水中的bod、氮、磷均有很高的吸收利用效能。为此，我们提出一种利用微藻脱氮除磷的方法及处理装置，利用微藻净化富含氮、磷的污水，可以同时实现污水的脱氮除磷和生物资源的回收利用，从而能够很大程度上降低污水脱氮除磷的处理成本。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决现有生物脱氮除磷技术存在的如能耗较高、控制条件要
求苛刻、运行成本较高、生物除磷效率低、对污水资源化利用率低的缺点，而提出的一种利用微藻脱氮除磷的方法及处理装置。
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
9.设计一种利用微藻脱氮除磷的方法，包括如下步骤：
10.步骤1、从富集培养后的藻株内筛分出独株栅藻和独株小球藻，然后分别在装有模拟高氮素高磷污水的锥形瓶中在全光谱led光源照射下进行初富集培养，同时观察氮素和总磷浓度的衰减情况，筛选出增殖速率快、污染物去除速率大、蛋白质或生物油脂含量高的藻株，再进行进一步的富集培养；
11.其中，两次富集培养的方式具体步骤包括如下：
12.s1、选用容积为500ml的锥形瓶，盛放350ml的氮素浓度为200mg/l，总磷浓度为10mg/l，甲醇浓度为80mg/l，ph为6～9的氮素和磷酸盐混合液；
13.s2、采用空气源微孔曝气器进行曝气，光源选用全光谱led灯，培养温度为18～25℃，完成初步初富集培养；
14.s3、进一步富集培养时，锥形瓶容积为1000ml，其余培养条件保持不变，完成第二次富集培养；
15.步骤2、将进一步富集培养完成的栅藻和小球藻以2:1的比例添加至微藻脱氮除磷的处理装置中，接种微藻种浓度为0.4～0.6g/l；微藻合适的比例和浓度有利于处理装置只能够藻类的快速增值和污水中氮、磷污染物的高效利用。
16.步骤3、在全光谱led光源照射下，处理装置采用批次进水的运行方式，进行微藻污水混合液的罐内循环和罐外循环的运行。
17.步骤4、当每批次微藻浓度达到2.5～3.0g/l时，处理装置运行进入微藻和污水的分离节点，并保留15％～20％的微藻污水混合液在处理装置内，并与后续进入的污水混合。其中，也可采用光照强度衰减的方法控制批次运行的节点，标准为透明罐体1中心的光照强度衰减量超过原光照强度的95％。微藻的增殖速率可通过微藻浓度的增长或者透明罐体1的光照强度的衰减量衡量。研究表明，生长的其它条件不变的情况下，微藻浓度为1.8～2.1g/l时微藻的增殖速率最大，微藻浓度增长率可达每天3.5％～6％。增值后的微藻与污水分离节点以及保留的微藻浓度应尽可能控制在微藻的最大增殖速率区间内，同时这个微藻最大增殖速率区间也是污水中氮、磷污染物去除速率最大区间。这样的分离控制节点和保留的微藻比例将最大程度地发挥出微藻在光合作用资源化和氮、磷污染物削减方面的效能。
18.进一步的，在步骤1和步骤3中，锥形瓶富集培养和处理装置正式运行所使用的全光谱led光源每个照明单元均由红、绿、蓝、白四种灯组合形成，主波长频段为430～680nm，区间三个峰值波长分别为455nm、510nm和630nm，光照强度控制在5500～6500lux，光照时间控制在12～16h/d。叶绿素的吸收光谱范围在400～520nm(蓝光)和610～720nm(红光)这两个区域。灯具输出光谱的峰值和区域与叶绿素的吸收峰值吻合性较好，有利于微藻的光合作用的进行，有利于微藻细胞中蛋白质和脂肪的累积。对于微藻细胞来说，光照强度不是越大越好。光照强度达到一定值，就会出现光饱和现象，继续增加光强只会导致光利用率降低，甚至导致光氧化现象，损害微藻细胞的光受体，降低微藻细胞的光合作用效能。
19.进一步的，在步骤2中，处理装置的进水ph控制在6～9，温度控制在18～25℃，为保
证微藻中蛋白质和油脂的产量，进水的cod、tn和tp浓度应分别控制在200～450mg/l、50～220mg/l和10～60mg/l。通过研究发现，合适的氮、磷浓度可促进微藻的增殖和生物质的合成。同时也能够异养生长，污水中有机物可被微藻吸收利用。研究表明，污水中适当浓度的有机物能够显著增加微藻细胞生物油脂的合成，相比于不添加有机物的微藻，油脂的含量可提高110％～350％。
20.本发明还提供了一种利用微藻脱氮除磷的处理装置，包括透明罐体1，所述透明罐体1的底部一侧设有卸料口12，所述透明罐体1的内部悬浮设有导流罐体2，所述透明罐体1与导流罐体2的罐壁之间设有间隙，以构成呈磁场结构的罐体内循环通道；
21.所述透明罐体1的顶部设有用于悬挂支撑导流罐体2的悬挂机构，所述悬挂机构内设有罐体内循环液体顶部导流用的导流板4；
22.所述透明罐体1的外壁设有用于罐体外循环的透明盘管3，所述透明盘管3上安装有用于驱动罐体外循环的物料泵7，透明盘管3的进液端31与透明罐体1的底部相连通，透明盘管3的出液端32位于所述导流板4的上方；
23.所述透明罐体1的罐底设有用于驱动罐体内循环的微孔曝气器5，所述微孔曝气器5呈盘状结构居于导流罐体2的底部开口位置，微孔曝气器5与曝气管51相连通,所述导流罐体2的底部呈喇叭口状的扩口25，所述扩口25罩在所述微孔曝气器5的上方,扩口25可使微孔曝气器5产生的气泡进入至导流罐体2，可以更好的推动透明罐体1的罐内循环；
24.所述透明罐体1的外壁周向上沿罐体长度方向阵列设有多个全光谱的led灯带6，所述led灯带6由外部供电；
25.还的包括阀门8，所述阀门8安装在所述卸料口12和透明盘管3上。
26.进一步的，所述透明盘管3在透明罐体1的外壁上紧密排列，不留间隙。
27.进一步的，所述悬挂机构包括同于支撑所述导流板4的固定支架41，所述固定支架41固定设置在透明罐体1上，所述导流板4的底部固定设有悬挂杆42，所述悬挂杆42的末端通过轴承22连接有悬挂架21，所述悬挂架21固定在导流罐体2的顶部，所述透明罐体1、导流罐体2和悬挂杆42共轴关系。
28.进一步的，所述导流罐体2的外壁和内壁沿长度方向分别设有外螺旋板23和内螺旋板24，所述外螺旋板23和内螺旋板24均朝所在的液体内循环流动方向倾斜设置。
29.进一步的，所述微孔曝气器的曝气强度控制在0.6～1.3m3/(m2·
h)，微孔曝气器最初形成气泡的平均直径不超过0.5mm，气泡并在导流罐体的底部均匀分布。
30.进一步的，所述透明罐体的有效容积部分的高径比为6～8:1。
31.进一步的，所述透明盘管内径应保证软管内的水流速度为0.5～1.5m/s，经过管道更换批次污水的时间控制在1.5～2h。
32.本发明提出的一种利用微藻脱氮除磷的方法及处理装置，有益效果在于：
33.(1)、相比于传统的生物脱氮除磷技术，利用微藻进行污水的脱氮除磷，不仅具有很高的运行稳定性，试验状态稳定运行超过153天，氮、磷去除率高，脱氮率可达77.6％，除磷率可达83.5％。并且能够将污水中的氮、磷污染物通过光合作用转化为蛋白质和生物油脂，分离后的微藻可作为养殖饲料或生物柴油的原料，从而实现污水中氮、磷污染物的资源化利用，进而降低污水的处理成本。
34.(2)、本发明提供的处理装置可提高微藻对光源的利用效率，装置中进行微藻光合
作用的场所主要由透明罐体和透明盘管两部分，led光源被两者所包围，尽可能避免了光损失。透明盘管较小的管道直径很容易被光穿透，因而可以为微藻提供足够且强度稳定的光照，较长的管道直径保证了足够且强度稳定的光照的持续时间。
35.(3)、微孔曝气盘的设置不仅为微藻光合作用提供了充分且持续的co2，持续上升的气泡还能够搅动微藻污水混合液，防止微藻聚集或沉淀，使微藻在污水中均匀分布，促进传质过程。
36.(4)、处理装置批次运行时，微藻与污水分离节点的控制以及微藻保留量的确定，可将微藻的生物活性维持在最大增殖速率区间范围内，最大程度发挥了微藻在光合作用资源化和污水中氮、磷污染物削减方面的效能。
37.(5)、通过实验探究了进水的各项指标ph、温度、氮磷浓度、有机物对微藻活性和生物质合成的影响，揭示了处理装置的进水条件和运行条件，为处理装置的产品化应用提供运行参数的指导。
附图说明
38.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
39.图1是本发明关于处理装置的结构示意图；
40.图2是本发明关于处理装置的内部结构示意图；
41.图3是图2中关于点a的放大示意图；
42.图4是本发明关于处理装置的内循环、外循环的结构示意图；
43.图中标记为：透明罐体1、底座11、卸料口12、导流罐体2、悬挂架21、轴承22、外螺旋板23、内螺旋板24、扩口25、透明盘管3、进液端31、出液端32、导流板4、固定支架41、悬挂杆42、微孔曝气器5、曝气管51、led灯带6、物料泵7、阀门8。
具体实施方式
44.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
46.参见图1
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4，一种利用微藻脱氮除磷的处理装置，包括透明罐体1，透明罐体1的底部一侧设有卸料口12，需要排出的微藻污水混合液经卸料口12排出，通过过滤完成微藻与净化后污水的分离，透明罐体1的内部悬浮设有导流罐体2，透明罐体1与导流罐体2的罐壁之间设有间隙，以构成呈磁场结构的罐体内循环通道。
47.参见图2
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4，透明罐体1的顶部设有用于悬挂支撑导流罐体2的悬挂机构，悬挂机构内设有罐体内循环液体顶部导流用的导流板4。悬挂机构包括同于支撑导流板4的固定支架41，固定支架41固定设置在透明罐体1上，导流板4的底部固定设有悬挂杆42，悬挂杆42的末
端通过轴承22连接有悬挂架21，悬挂架21固定在导流罐体2的顶部，透明罐体1、导流罐体2和悬挂杆42共轴关系，导流罐体2在悬挂机构的连接下，可在透明罐体1内旋转。
48.参见图2
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4，导流罐体2的外壁和内壁沿长度方向分别设有外螺旋板23和内螺旋板24，外螺旋板23和内螺旋板24均朝所在的液体内循环流动方向倾斜设置，透明罐体1的在内循环时，流动的液体会驱动外螺旋板23和内螺旋板24带动导流罐体2旋转，旋转后的导流罐体2可对流经外螺旋板23和内螺旋板24的微藻起到搅拌作用，一方面可使微藻更加均匀的分布在污水中，另外，搅拌下的微藻更加利于接收光照，对提高脱氮除磷的效率。
49.参见图1
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4，透明罐体1的外壁设有用于罐体外循环的透明盘管3，透明盘管3在透明罐体1的外壁上紧密排列，不留间隙，透明盘管3采用透光性较好的pvc软管。透明盘管3上安装有用于驱动罐体外循环的物料泵7，透明盘管3的进液端31与透明罐体1的底部相连通，透明盘管3的出液端32位于导流板4的上方。
50.参见图2、4，透明罐体1的罐底设有用于驱动罐体内循环的微孔曝气器5，微孔曝气器5呈盘状结构居于导流罐体2的底部开口位置，微孔曝气器5与曝气管51相连通。微孔曝气器5的曝气强度控制在0.6～1.3m3/(m2·
h)，微孔曝气器5最初形成气泡的平均直径不超过0.5mm，气泡并在导流罐体2的底部均匀分布，通过曝气可给微藻提供光合作用的氧气，研究表明微藻污水混合液中co2含量在2％时微藻的光合作用合成油脂的效率最高。此外，曝气还能促进微藻和污水的均匀混合，防止微藻沉淀，强化传质。但过高的曝气强度会导致微藻细胞损伤，从而降低微藻的生物活性。
51.参见图2、4，透明罐体1的外壁周向上沿罐体长度方向阵列设有多个全光谱的led灯带6，led灯带6由外部供电。
52.参见图4，还的包括阀门8，阀门8安装在卸料口12和透明盘管3上。
53.透明罐体1的内循环原理，位于透明罐体1中的微藻污水混合液在微孔曝气器5气泡的作用下上升，后经导流板4的作用从透明罐体1和导流罐体2之间的间隙向下流动，完成透明罐体1的内循环。
54.透明罐体1的外循环原理，位于透明罐体1中的微藻污水混合液经物料泵7泵入缠绕在透明罐体1外侧的透明盘管3，透明盘管3采用软质的透明pvc管，以便在透明罐体1的外侧缠绕，透明盘管3中微藻混合液由下向上流动，最后回流入透明罐体1，完成透明罐体1的内循环。
55.实施例1
56.本发明提供了一种利用微藻脱氮除磷的方法，具体为：
57.(1)用于处理装置接种的微藻的富集培养方式为：初步富集培养的锥形瓶容积为500ml，氮素和磷酸盐混合液的体积为350ml，氮素浓度为200mg/l，总磷浓度为10mg/l，bod(甲醇)浓度为80mg/l，ph为7.5。采用空气源微孔曝气器进行曝气，光源选用全光谱led灯，光照强度为6000lux，每日光照时间为12h，培养温度为22℃。进一步富集培养时锥形瓶容积为1000ml，其余培养条件保持不变。接种的微藻浓度为0.6g/l。
58.(2)采用的处理装置包括有机玻璃材质的透明罐体1；在透明罐体1外侧粘贴有全光谱led灯带6；在整个透明罐体1和led灯带6外侧螺旋缠绕有透明的pvc软管的透明盘管3；透明罐体1内部有导流罐体2和导流板4；透明罐体1底部有盘状微孔曝气器5；透明盘管3通过物料泵7与透明罐体1连接；透明罐体1底部还有用作微藻污水混合液排出的卸料口2。处
理装置的高径比为8:1。透明盘管3内的水流速度控制在1m/s，通过透明盘管3更换批次污水的时间为1.5h。全光谱led灯的光照强度控制在6000lux，光照时间12h。曝气盘曝气强度为0.8m3/(m2
·
h)。微藻与污水的分离节点控制在微藻浓度达到2.8g/l，每批次有15％的微藻污水混合液保留在处理装置中。处理装置进水的ph、温度、tn、tp、cod浓度分别为7.5、22℃、150mg/l、20mg/l、200mg/l。
59.(3)处理装置的运行步骤为：位于透明罐体1中的微藻污水混合液在微孔曝气器5气泡的作用下上升，后经导流板4的作用从导流板4和透明罐体1内壁下流，完成透明罐体1内循环。位于透明罐体1中的微藻污水混合液经物料泵7泵入缠绕在透明罐体1和led灯带6外侧的透明盘管3中，透明盘管3中微藻混合液由下向上流动，最后由透明罐体1顶部回流入透明罐体1内，完成透明罐体1内循环。需要排出的微藻污水混合液经卸料口2排出，通过过滤完成微藻与净化后污水的分离。处理装置的运行方式为批次运行，每批次运行末尾进入微藻和污水的分离程序，并保留一定量的微藻污水混合液在处理装置内。
60.实施例2
61.微藻的富集培养、接种、处理装置的结构尺寸和运行参数均与实施例1相同，不同点在于处理装置运行的光照强度：全光谱led灯的光照强度控制在6500lux。
62.实施例3
63.微藻的富集培养、接种、处理装置的结构尺寸和运行参数均与实施例1相同，不同点在于处理装置运行的光照强度：全光谱led灯的光照强度控制在5500lux。
64.实施例4
65.微藻的富集培养、接种、处理装置的结构尺寸和运行参数均与实施例1相同，不同点在于处理装置运行的光照强度：进水的cod浓度降低为0。
66.经处理装置批次处理后，与微藻分离后的污水tn、tp和cod去除情况如表1：
67.表1批次运行tn、tp和cod去除率
[0068][0069]
经处理装置批次处理后，与污水分离后的微藻(干重)蛋白质和生物油脂含量如表2：
[0070]
表2微藻蛋白质和生物油脂含量
[0071][0072]
从上述的应用实例来看，本发明提供的一种利用微藻脱氮除磷的方法及处理装置在氮、磷污染物去除上能够取得较高的去除率，并且适用于进水高氮素、高cod的情形。表1数据表明，在实施例4的条件下，处理装置对tn、tp的去除率分别为77.6％和83.5％。本发明提供的方法可作为传统生物脱氮除磷的前置处理工艺，能够很大程度上削减进水的tn、tp的浓度，。通过表1和表2可以看出，进水中是否含有cod对进水的tn、tp去除率几乎没有影响，但是cod的存在可以大大增加微藻中生物油脂的含量，对比表2中实施例2和实施例4，添加cod后微藻中的生物油脂含量从6.9g/100g增加到了44.7g/100g，增加量十分明显。综上所述，本发明提供的一种利用微藻脱氮除磷的方法及处理装置不仅能够实现高氮素、高磷污水高效的脱氮除磷，并且可以将氮、磷污染物通过光合作用转化为蛋白质和生物油脂资源，实现氮、磷污染物的资源化，降低污水的处理成本。
[0073]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。