公布日：2024.03.22
申請日：2023.11.23
分類號：C02F3/34(2023.01)I;C02F3/32(2023.01)I;C02F3/12(2023.01)I;C02F3/10(2023.01)I;C02F101/10(2006.01)N;C02F101/16(2006.01)N;C02F101/30(2006.01)N;C02F101
/34(2006.01)N
摘要
本發明公開了一種微藻膜生物反應器及其在污水脫氮除磷處理中的應用，包括反應器主體，所述的反應器主體內設有微濾膜組件及懸浮型生物填料，并接種有微藻；反應器主體內的底部設有曝氣裝置；所述的反應器主體為透明材質，反應器主體外部設有光源；所述的反應器主體的頂部與進水管路連通，進水管路上設有進水泵；所述微濾膜組件的頂部與出水管路連通，出水管路上設有出水泵；所述的懸浮型生物填料為負載了蟹殼粉的絲瓜絡。本發明在微藻膜生物反應器中采用懸浮型生物填料和微濾膜組件結合的方式對微藻進行懸浮固定培養，減少了微藻的堆積和聚集，擴大了微藻與污水的接觸面積，可顯著加速微藻對污水中氮磷的去除。
權利要求書
1.一種微藻膜生物反應器，其特征是，包括反應器主體，所述的反應器主體內設有微濾膜組件及懸浮型生物填料，并接種有微藻；反應器主體內的底部設有曝氣裝置；所述的反應器主體為透明材質，反應器主體外部設有光源；所述的反應器主體的頂部與進水管路連通，進水管路上設有進水泵；所述微濾膜組件的頂部與出水管路連通，出水管路上設有出水泵；所述的懸浮型生物填料為負載了蟹殼粉的絲瓜絡。
2.根據權利要求1所述的微藻膜生物反應器，其特征是，所述的微藻為蛋白核小球藻；微藻的接種量為反應器主體有效容積的5~15%。
3.根據權利要求1或2所述的微藻膜生物反應器，其特征是，所述的微濾膜組件為簾式聚偏氟乙烯中空纖維膜組件，膜孔徑為0.01~0.1μm，膜通量5~20L/(m2·h)。
4.根據權利要求1所述的微藻膜生物反應器，其特征是，所述懸浮型生物填料的制備方法為：A）將蟹殼清洗、粉碎、過篩后分別用氫氧化鈉溶液和雙氧水對其進行處理，清洗并干燥后得到粒徑為100~500目的預處理后的蟹殼粉；B）將絲瓜絡剪切成4~5cm的小段，分別在去離子水和氫氧化鈉溶液中浸泡后清洗、干燥得到預處理后的絲瓜絡；C）將預處理后的蟹殼粉加入去離子水中，分散均勻后向分散液中加入多巴胺，攪拌均勻后加入Tris-HCl緩沖液將體系pH調節至8.0~8.5，攪拌均勻后得到反應液；D）將預處理后的絲瓜絡浸漬在反應液中，振蕩反應6~12h后將絲瓜絡取出烘干，得到負載了蟹殼粉的絲瓜絡。
5.根據權利要求4所述的微藻膜生物反應器，其特征是，步驟C）中預處理后的蟹殼粉和多巴胺的質量比為4~5:1；步驟D）中預處理后的絲瓜絡與反應液中的蟹殼粉的質量比為2~3:1。
6.根據權利要求1或4或5所述的微藻膜生物反應器，其特征是，所述懸浮型生物填料的投料體積為反應器主體有效容積的10~30%。
7.一種如權利要求1~6任一所述的微藻膜生物反應器在污水脫氮除磷處理中的應用，其特征是，包括如下步驟：（1）微藻種子液的制備：將微藻接種在培養基中進行光照培養，取處于對數增長期的藻液作為微藻種子液；（2）微藻掛膜：在微藻膜生物反應器中加入培養基，將微藻種子液接入微藻膜生物反應器中，并加入混合營養液，光照曝氣培養8~12d進行掛膜；（3）微藻生物膜的馴化：掛膜后在6~7d內用待處理污水置換微藻膜生物反應器中的培養基，并繼續進行光照曝氣培養，全部置換后再穩定培養1~3d，完成馴化；（4）污水脫氮除磷處理：將待處理污水加入經馴化后的微藻膜生物反應器內，在光照和曝氣條件下進行脫氮除磷處理。
8.根據權利要求7所述的應用，其特征是，步驟（1）和步驟（2）中使用的培養基為BG-11培養基；步驟（2）中使用的混合培養液中包括葡萄糖、尿素及磷酸二氫鉀，加入的葡萄糖、尿素及磷酸二氫鉀在培養基中的濃度分別為7.0~9.0g/L，1.0~2.0g/L，70~80mg/L。
9.根據權利要求7所述的應用，其特征是，步驟（1）中的光照培養條件為：培養溫度27~29℃，光照強度2300~2500Lux。
10.根據權利要求7所述的應用，其特征是，步驟（2）和步驟（3）中光照曝氣培養時的光照強度為2000~2200Lux；光照周期為10~14h光照，14~10h黑暗；曝氣量為1~3L/m3；步驟（4）中的光照和曝氣條件與步驟（2）和（3）中相同。
發明內容
本發明是為了克服現有技術中的微藻膜生物反應器存在的上述問題，提供一種微藻膜生物反應器及其在污水脫氮除磷處理中的應用，在微藻膜生物反應器中采用懸浮型生物填料和微濾膜組件結合的方式對微藻進行懸浮固定培養，減少了微藻的堆積和聚集，擴大了微藻與污水的接觸面積，可顯著加速微藻對污水中氮磷的去除。
為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種微藻膜生物反應器，包括反應器主體，所述的反應器主體內設有微濾膜組件及懸浮型生物填料，并接種有微藻；反應器主體內的底部設有曝氣裝置；所述的反應器主體為透明材質，反應器主體外部設有光源；所述的反應器主體的頂部與進水管路連通，進水管路上設有進水泵；所述微濾膜組件的頂部與出水管路連通，出水管路上設有出水泵；所述的懸浮型生物填料為負載了蟹殼粉的絲瓜絡。
本發明在反應器主體內同時設置微濾膜組件及懸浮型生物填料，由負載了蟹殼粉的絲瓜絡制成的懸浮型生物填料具有低的密度、大的比表面積和良好的生物親和性，在曝氣裝置產生的氣流作用下可懸浮于反應器內，充分吸附反應器內的懸浮微藻，將微藻固定在其表面形成微藻生物膜，懸浮固定培養微藻有助于促進反應器中微藻的光合作用，可提升微藻的生長能力及對污水的凈化能力，并減少了微藻的堆積和聚集，擴大了微藻與污水的接觸面積，有助于微藻快速攝取污水中的氮磷等營養物質并加速其在體內的積累和轉化，可顯著加速微藻對污水中氮磷的去除。反應器運行過程中，污水從頂部進入反應器主體內，在反應器主體外部光源的光照作用下，微藻生物膜會進行光合作用對污水進行凈化，去除污水中的氮、磷、COD等污染物，處理后的污水透過微濾膜組件，通過出水管路流出反應器。由于微藻生物膜的新陳代謝作用，會有老化的微藻生物膜脫落，微濾膜組件的設置有助于富集脫落的微藻生物膜，避免衰老、死亡后的藻細胞滯留在反應器中對光照進行遮擋，從而對微藻生物膜的光合作用造成影響。
因此，本發明中的微藻膜生物反應器對微藻進行懸浮固定培養，顯著提升了對污水中氮磷的去除效率；且添加的微濾膜組件有助于富集和清理在污水處理中脫落的微藻生物膜，避免衰老、死亡后的藻細胞削弱反應器處理效果，使反應器對污水中的COD、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)和總磷(TP)均表現出優異的脫除效果。
作為優選，所述的微藻為蛋白核小球藻；微藻的接種量為反應器主體有效容積的5～15％。
作為優選，所述的微濾膜組件為簾式聚偏氟乙烯中空纖維膜組件，膜孔徑為0.01～0.1μm，膜通量5～20L/(m2·h)。
作為優選，所述懸浮型生物填料的制備方法為：A)將蟹殼清洗、粉碎、過篩后分別用氫氧化鈉溶液和雙氧水對其進行處理，清洗并干燥后得到粒徑為100～500目的預處理后的蟹殼粉；B)將絲瓜絡剪切成4～5cm的小段，分別在去離子水和氫氧化鈉溶液中浸泡后清洗、干燥得到預處理后的絲瓜絡；C)將預處理后的蟹殼粉加入去離子水中，分散均勻后向分散液中加入多巴胺，攪拌均勻后加入Tris-HCl緩沖液將體系pH調節至8.0～8.5，攪拌均勻后得到反應液；D)將預處理后的絲瓜絡浸漬在反應液中，振蕩反應6～12h后將絲瓜絡取出烘干，得到負載了蟹殼粉的絲瓜絡。
本發明中的懸浮型生物填料制備過程中，先通過步驟A)對蟹殼中的蛋白質、脂肪等進行去除，并對其進行脫色，可使預處理后的蟹殼粉具有良好的吸附性能，實現水產加工副產品的重新利用；然后通過步驟B)用堿液對絲瓜絡進行預處理，可提升絲瓜絡表面的親水性并提升其比表面積；最后在步驟C)和步驟D)中，通過多巴胺在蟹殼粉和絲瓜絡表面的自聚反應，利用聚多巴胺將蟹殼粉負載在絲瓜絡表面，聚多巴胺具有優異的粘附性，可將蟹殼粉牢固附著在絲瓜絡表面；同時聚多巴胺也可提升蟹殼粉及絲瓜絡表面的親水性，有利于提升懸浮型生物填料與微藻的親和性，使微藻生物膜更易在其表面附著和生長。負載了蟹殼粉后，可進一步增大絲瓜絡的比表面積，并提升其表面粗糙度，有利于微藻的吸附和負載，表面的微藻生物膜不易脫落；同時，蟹殼粉、絲瓜絡及聚多巴胺均具有較好的生物相容性，有利于微藻在懸浮型生物填料表面的吸附和生長。
作為優選，步驟A)中氫氧化鈉溶液的質量濃度為5～10％，用氫氧化鈉溶液處理時，蟹殼粉與氫氧化鈉溶液的質量比為1:5～10，處理溫度70～80℃，處理時間1～3h；雙氧水的質量濃度為25～30％，用雙氧水處理時，蟹殼粉與雙氧水的質量比為1:5～10，處理溫度40～60℃，處理時間1～3h。
作為優選，步驟B)中在去離子水中的浸泡時間為1～3h；氫氧化鈉溶液的質量濃度為5～10％，在氫氧化鈉溶液中的浸泡時間為1～3h。
作為優選，步驟C)中多巴胺在分散液中的濃度為2～4mg/mL。
作為優選，步驟C)中預處理后的蟹殼粉和多巴胺的質量比為4～5:1；步驟D)中預處理后的絲瓜絡與反應液中的蟹殼粉的質量比為2～3:1。
作為優選，所述懸浮型生物填料的投料體積為反應器主體有效容積的10～30％。
本發明還提供了一種上述微藻膜生物反應器在污水脫氮除磷處理中的應用，包括如下步驟：(1)微藻種子液的制備：將微藻接種在培養基中進行光照培養，取處于對數增長期的藻液作為微藻種子液；(2)微藻掛膜：在微藻膜生物反應器中加入培養基，將微藻種子液接入微藻膜生物反應器中，并加入混合營養液，光照曝氣培養8～12d進行掛膜；(3)微藻生物膜的馴化：掛膜后在6～7d內用待處理污水置換微藻膜生物反應器中的培養基，并繼續進行光照曝氣培養，全部置換后再穩定培養1～3d，完成馴化；(4)污水脫氮除磷處理：將待處理污水加入經馴化后的微藻膜生物反應器內，在光照和曝氣條件下進行脫氮除磷處理。
作為優選，步驟(1)和步驟(2)中使用的培養基為BG-11培養基。
作為優選，步驟(2)中使用的混合培養液中包括葡萄糖、尿素及磷酸二氫鉀，加入的葡萄糖、尿素及磷酸二氫鉀在培養基中的濃度分別為7.0～9.0g/L，1.0～2.0g/L，70～80mg/L。本發明在微藻掛膜過程中加入混合培養液，以葡萄糖作為碳源，尿素作為氮源，磷酸二氫鉀作為磷源，與光合自養相比，在混合營養條件下固定化培養，可增加微藻細胞數量，提升其對污水的脫氮除磷效率。
作為優選，步驟(1)中的光照培養條件為：培養溫度27～29℃，光照強度2300～2500Lux。
作為優選，步驟(2)和步驟(3)中光照曝氣培養時的光照強度為2000～2200Lux；光照周期為10～14h光照，14～10h黑暗；曝氣量為1～3L/m3；步驟(4)中的光照和曝氣條件與步驟(2)和(3)中相同。
因此，本發明具有如下有益效果：(1)本發明中的微藻膜生物反應器通過懸浮生物填料對微藻進行懸浮固定培養，減少了微藻的堆積和聚集，擴大了微藻與污水的接觸面積，顯著提升了氮磷去除效率；(2)本發明中的微藻膜生物反應器中的微濾膜組件有助于富集和清理在污水處理中脫落的微藻生物膜，避免衰老、死亡后的藻細胞削弱反應器處理效果，可進一步提升對污水中污染物的去除效果；(3)懸浮型生物填料采用負載了蟹殼粉的絲瓜絡，通過多巴胺在蟹殼粉和絲瓜絡表面的自聚反應，利用聚多巴胺將蟹殼粉負載在絲瓜絡表面，有利于微藻在懸浮型生物填料表面的吸附和生長，表面的微藻生物膜不易脫落。
（發明人：楊會成;張習汝;李瑞雪;徐珊;彭虹輝;袁嘉琪;鮑晶晶）
