CN109231467B - 一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污水处理技术领域，公开了一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法。将蛋白核小球藻接种至生物绳载体上挂膜培养，将黑臭水体从进水口导入至反应器的柱体内，然后开启光源和曝气装置，气体上升通过导流筒将反应器分为升流区和降流区，生物绳载体位于升流区内，生物绳载体上的蛋白核小球藻通过混合营养生长反应去除黑臭水体中的氮磷污染物，之后关闭光源和曝气装置静置，最后将处理后的水从出水口排出。本发明的装置及方法具有运行成本低、出水水质好、藻类易收获等优点，在黑臭水体的处理方面具有较大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法。
背景技术
近年来，城市水体黑臭化逐渐加重，治理黑臭水体迫在眉睫。针对黑臭水体形成的根本原因——水体中氮、磷及有机污染物超标问题，目前常用的处理方法有物理法、化学法和生物法。生物法由于具有环境友好、生态节能等优点，已成为最具发展潜力的黑臭水体治理方法。传统的生物法如活性污泥法以及在此基础上开发的新工艺对COD的去除率虽然能达90％以上，但脱氮除磷效率普遍较低，难以契合污水处理“提标升级”的需求。微藻具有生长速率快、经济价值高以及对氮磷污染物去除效果好等优点，在富营养化水体的治理领域具有显著的优势。
国内外研究结果表明，广泛用于污水处理的小球藻(Chlorella sp.)具有生长速率快，环境适应能力强等特点，其不仅能利用CO2进行光合自养作用，还能同时吸收有机碳源、无机碳源和光能进行混合营养生长。在不同的培养条件下，小球藻的细胞结构、细胞内物质组成以及生理代谢机制会发生变化。大量研究表明，与光能自养型Chlorella sp.相比，混合营养型Chlorella sp.具有更快的生长速率，更高的光能利用效率和更强的氮磷吸收能力，可在有机碳源耗尽的情况下吸收大气中的二氧化碳和光能持续去除污水中的氮磷污染物。Li等人(Li T.,Zheng,Y.,Yu,L.,&Chen,S.,Applied microbiology andbiotechnology,2014.66,204-213)等人在悬浮微藻废水处理系统中，分别对小球藻进行光合自养和混合营养培养，结果表明在添加4g/L葡萄糖的混合营养培养模式下，小球藻的比生长速率和最大生物量分别是光合自养模式的5.4和5.2倍。Wang等人(Wang,H.,Xiong,H.,Hui,Z.,&Zeng,X.,Bioresource Technology,2012.104,215-220.)用经过不同程度稀释后的养猪废水对蛋白核小球藻进行混合营养培养，结果表明在COD为1000mg·L-1时，获得最高生物量浓度0.29g·L-1，对COD、TN、TP的去除率也最高，分别为55.4％、74.6％、77.7％。因此，混合营养型小球藻污水处理技术具有更高的污染物去除速率和更高的生物量产率。
然而，目前的混合营养型小球藻污水处理技术多采用悬浮藻类培养体系，存在出水悬浮物浓度高、占地面积大、藻生物量难收获等问题，最有效的解决办法是藻类固定化技术。在微藻固定化的基础上，藻类生物膜发展成为一种新的污水处理手段，该技术不仅降低了挂膜载体的成本，而且在藻类接种、培养和收获等环节更为简便。Feng等人(Gao,F.,Yang,Z.H.,Li,C.et al,Bioresource Technology,2015.179,8-12)利用经小球藻挂膜的藻类光生物膜反应器处理二级污水，NH4 +-N，PO4 3--P的去除率分别达到96％和85.9％，藻类生物量产率较悬浮藻类反应器提高了44％。
典型的藻类生物膜体系有水力藻类床、生物转盘、管状和平板式藻类生物膜光反应器等，但普遍存在占地面积大、生物量不稳定、传质效率低等问题，研发出能工程化应用的高效生物反应器对藻类污水处理技术的发展具有十分重要的意义。柱状气升环流光生物反应器不仅具有占地面积小，藻类的光能利用率高和传质效率高的优点，还能防止废水中溶解氧过饱和问题，提高反应器污染物去除效率。公开号为CN 203639230 U的中国发明专利公开了一种气升式内环流组合填料生物反应器，该发明提到将生物陶粒填料和竹丝填料分别填充于气升环流反应器的升流区和降流区，对低浓度、低碳、高氨氮污水具有良好的处理效果。但该气升式内环流填料生物反应器中起生物降解作用的主体仍然是活性污泥，反应器除磷效果较差，不能满足黑臭水体脱氮除磷的需求。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法。本发明方法结合混合营养型藻类生物膜技术和柱状气升环流反应器的双重特点，在开放培养条件下，构建新型序批式气升内环流混合营养型藻菌生物膜脱氮除磷反应体系，对黑臭水体中氮磷污染物进行深度去除，以达到黑臭水体的治理目标，同时收获高生物量微藻。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，所述气升环流藻类生物膜反应器包括透光柱体，柱体内设置透光导流筒，导流筒内设置生物绳载体；柱体下端设置锥底，锥底中心设置曝气装置；柱体外壁缠绕白光LED灯带光源并设置进水口和出水口；所述处理黑臭水体的方法包括如下步骤：
将蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)接种至生物绳载体上挂膜培养，将黑臭水体从进水口导入至反应器的柱体内，然后开启光源和曝气装置，气体上升通过导流筒将反应器分为升流区和降流区，生物绳载体位于升流区内，生物绳载体上的蛋白核小球藻通过混合营养生长反应去除黑臭水体中的氮磷污染物，之后关闭光源和曝气装置静置，最后将处理后的水从出水口排出。
进一步地，所述接种至生物绳载体上的蛋白核小球藻通过外加10g·L-1葡萄糖的BG11培养基进行无菌预培养得到，蛋白核小球藻的接种量为反应器有效体积的20％。
进一步地，所述黑臭水体的COD浓度为300～400mg·L-1，NH4 +-N浓度为17～20mg·L-1，PO4 3--P浓度为8～10mg·L-1。
进一步地，所述柱体、锥底和导流筒均由有机玻璃制成，柱体高90cm，内径9cm；导流筒高80cm，直径6cm，导流筒下端距离反应器锥底中心2cm高。
进一步地，所述生物绳载体的填充率为反应器有效体积的2/3。生物绳载体为有机和无机复合材质，具有亲微生物性和亲水性，比表面积大、挂膜迅速、材质寿命长、造价低廉。
进一步地，所述将黑臭水体从进水口导入至反应器的柱体内的时间为1h，开启光源和曝气装置的时间为16h，静置时间为6h，将处理后的水从出水口排出的时间为1h，一个序批式运行周期为24h，光暗比为16h:8h，曝气装置的曝气量为0.06L·min-1，水力停留时间为4d。
进一步地，所述白光LED灯带光源总长为10m，功率为5.8W，光照强度为8000～10000lux。
进一步地，所述混合营养生长反应的温度为25～28℃。
进一步地，反应器内挂膜培养的蛋白核小球藻每隔7天采用水力冲刷法进行人工收获。
进一步地，所述反应器上还设置温控仪及微电脑控制系统用于控制反应器的温度、光照强度、光暗比、进出水时间、曝气速率和水力停留时间参数。
本发明的方法具有如下优点及有益效果：
(1)本发明方法所采用的混合营养型蛋白核小球藻能同时吸收有机碳源、无机碳源和光能进行增长，与光能自养型小球藻相比，其具有更快的生长速率、更高的光能利用率和更强的环境适应能力，可在有机碳源耗尽的情况下继续吸收大气中的二氧化碳和光能去除污水中的氮磷污染物，以混合营养型蛋白核小球藻为藻种，开放性培养条件下形成的混合营养型藻菌生物膜具有更高的污染物去除速率和更高的生物量产率。
(2)本发明方法将生物绳载体设置于反应器的升流区内，有利于附着藻类形成藻生物膜，解决藻类收获问题。
(3)本发明方法处理过程中，污水在底部曝气装置的作用下在生物绳载体间曲折上升，到达导流筒顶部时又从降流区向下流动，底部被再次提升和再次与混合营养型藻菌生物膜接触反应，形成内循环流态。这种流态有利于强化传质过程，提高反应器传质效率。
(4)本发明方法可进一步采用温控仪及微电脑控制系统控制序批式运行模式，通过控制反应器的温度、光照强度、光暗比、进出水时间、曝气速率和水力停留时间等参数，在反应器内保持较高的微藻生物量，实现黑臭水体同步脱氮除磷，收获的微藻可进行资源化利用。
(5)本发明的处理方法具有传质效率高、出水水质好，微藻产率高，藻类易收获等优点，在富营养化水体的氮磷污染物去除方面具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中气升环流藻类生物膜反应器的结构示意图。
图2为本发明实施例中生物绳载体上挂膜培养所得生物膜的表面扫描电镜图。
图3为本发明实施例中收获的生物量的显微镜观察(放大2600倍)图。
图4和图5分别为本实施例黑臭水体中氮(NH4 +-N)和磷(PO4 3--P)的进出水浓度及去除率随运行天数变化图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例的一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，所述气升环流藻类生物膜反应器的结构示意图如图1所示。包括透光柱体1，柱体内设置透光导流筒2，导流筒内设置生物绳载体3；柱体下端设置锥底4，锥底中心设置曝气装置5；柱体外壁缠绕白光LED灯带光源6并设置进水口7和出水口8；所述曝气装置5通过转子流量计9与空压机10相连；所述反应器上还设置温控仪11及微电脑控制系统12控制反应器的温度、光照强度、光暗比、进出水时间、曝气速率和水力停留时间等参数。所述柱体、锥底和导流筒均由有机玻璃制成，柱体高90cm，内径9cm；导流筒高80cm，直径6cm，导流筒下端距离反应器锥底中心2cm高。所述生物绳载体的填充率为反应器有效体积的2/3。所述白光LED灯带光源总长为10m，功率为5.8W，光照强度为8000～10000lux。
所述处理黑臭水体的方法包括如下步骤：
以经过外加10g·L-1葡萄糖的BG11培养基无菌预培养的混合营养型蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)为藻种，将其接种至生物绳载体上挂膜培养，接种量为反应器有效体积的20％。将黑臭水体(COD浓度为300～400mg·L-1，NH4 +-N浓度为17～20mg·L-1，PO4 3--P浓度为8～10mg·L-1)从进水口导入至反应器的柱体内，然后开启光源和曝气装置，气体上升通过导流筒将反应器分为升流区和降流区，生物绳载体位于升流区内，生物绳载体上的蛋白核小球藻通过混合营养生长反应去除黑臭水体中的氮磷污染物，之后关闭光源和曝气装置静置，最后将处理后的水从出水口排出。采用温控仪及微电脑控制系统控制反应器以序批式运行模式运行，序批式运行模式的步骤为进水1h、微曝气16h、静置6h、出水1h，一个序批式周期为24h。曝气反应时开启光源，在进水、静置和出水时关闭光源，曝气量控制在0.06L·min-1左右，水力停留时间为4d，反应温度控制在25～28℃。利用混合营养型藻菌生物膜生长速率快，环境适应能力强等特点、序批式运行模式能保持较高藻生物量的特性以及气升内环流反应器传质效率高的优点同步提高黑臭水体脱氮除磷效率，并在实验进行第7d对藻菌生物膜进行人工收获，收获的微藻可实现资源化利用。
本实施例将预培养的混合营养型蛋白核小球藻接种至生物绳载体上挂膜培养所得生物膜的表面扫描电镜图如图2所示。由图2可见，微生物大量地附着于生物绳载体上，挂膜效果较好，生物膜表面凹凸不平，细胞直接相互连接，形成较厚的混合营养型藻菌生物膜，有利于解决藻类收获难题。
在反应器运行至第7d时，出现生物膜老化现象时，采用水力冲刷法对反应器内和载体上的细胞进行人工收获，对收获的生物量进行显微镜观察(放大2600倍)，结果如图3所示。由图3可见，小球藻为本反应器内的主要菌种。通过干重法测定反应器内收获的藻类生物量，藻生物量浓度达0.67g·L-1，产率为0.096g·L-1·d-1。该结果表明，采用上述处理工艺可得到较高的微藻生产率，在提高污染去除效率的同时实现藻类资源化利用。
本实施例黑臭水体中氮(NH4 +-N)和磷(PO4 3--P)的进出水浓度及去除率随运行天数变化分别如图4和图5所示。由图4和图5结果可知，混合营养型藻菌生物膜对黑臭水体具有良好的适应性，在反应器运行的第2d即达到稳定良好的脱氮除磷效果，稳定运行期间NH4 +-N和PO4 3--P的平均去除率分别达到90.35％和97.63％，出水NH4 +-N和PO4 3--P浓度可分别降至2.0mg·L-1和0.2mg·L-1以下，符合《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)V类水标准。由此可知，本发明公开的一种气升内环流藻类生物膜反应器及其运行方法，对污水具有良好的氮磷去除效果，在黑臭水体处理方面具有较大的应用潜力。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，其特征在于：采用序批式运行模式，在开放性培养条件下，以混合营养型蛋白核小球藻为藻种的混合营养型藻菌生物膜处理污水，反应器内挂膜培养的蛋白核小球藻每隔7天采用水力冲刷法进行人工收获；所述气升环流藻类生物膜反应器包括透光柱体，柱体内设置透光导流筒，导流筒内设置生物绳载体；柱体下端设置锥底，锥底中心设置曝气装置；柱体外壁缠绕白光LED灯带光源并设置进水口和出水口；所述处理黑臭水体的方法包括如下步骤：将蛋白核小球藻接种至生物绳载体上挂膜培养，将黑臭水体从进水口导入至反应器的柱体内，然后开启光源和曝气装置，气体上升通过导流筒将反应器分为升流区和降流区，生物绳载体位于升流区内，生物绳载体上的蛋白核小球藻通过混合营养生长反应去除黑臭水体中的氮磷污染物，之后关闭光源和曝气装置静置，最后将处理后的水从出水口排出。
2.根据权利要求1所述的一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，其特征在于：所述接种至生物绳载体上的蛋白核小球藻通过外加10g·L-1葡萄糖的BG11培养基进行无菌预培养得到，蛋白核小球藻的接种量为反应器有效体积的20％。
3.根据权利要求1所述的一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，其特征在于：所述黑臭水体的COD浓度为300～400mg·L-1，NH4 +-N浓度为17～20mg·L-1，PO4 3--P浓度为8～10mg·L-1。
4.根据权利要求1所述的一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，其特征在于：所述柱体、锥底和导流筒均由有机玻璃制成，柱体高90cm，内径9cm；导流筒高80cm，直径6cm，导流筒下端距离反应器锥底中心2cm高。
5.根据权利要求1所述的一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，其特征在于：所述生物绳载体的填充率为反应器有效体积的2/3。
6.根据权利要求1所述的一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，其特征在于：所述将黑臭水体从进水口导入至反应器的柱体内的时间为1h，开启光源和曝气装置的时间为16h，静置时间为6h，将处理后的水从出水口排出的时间为1h，一个序批式运行周期为24h，光暗比为16h:8h，曝气装置的曝气量为0.06L·min-1，水力停留时间为4d。
7.根据权利要求1所述的一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，其特征在于：所述白光LED灯带光源总长为10m，功率为5.8W，光照强度为8000～10000lux。
8.根据权利要求1所述的一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，其特征在于：所述混合营养生长反应的温度为25～28℃。
9.根据权利要求1所述的一种采用气升环流藻类生物膜反应器处理黑臭水体的方法，其特征在于：所述反应器上还设置温控仪及微电脑控制系统用于控制反应器的温度、光照强度、光暗比、进出水时间、曝气速率和水力停留时间参数。
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