申请日2015.05.22
公开(公告)日2015.09.23
IPC分类号C02F9/14
摘要
本实用新型提出一种回收利用水热液化废水中营养元素的设备，包括光合细菌培养器、微藻培养器、过滤单元、进气单元;过滤单元设置有超滤膜、清液出口和浓缩液出口;进气单元包括空气压缩机、CO2气体罐、混合气室，混合气室连接微藻培养器;空气压缩机通过气体管路连接光合细菌培养器。本实用新型将光合细菌处理、微藻处理以及滤膜过滤并收获三者结合，实现了污水中高浓度有机物的大幅度降解和氮元素的大幅度降解。该反应器做到了水热液化废水中营养物质的梯级利用与水资源的回收利用，并能产生出可以用于热化学生产生物原油的生物质，实现了污染物降解、资源回收利用及生物质资源生产的多重功效。
权利要求书
1.一种回收利用水热液化废水中营养元素的设备，其特征在于， 包括光合细菌培养器、微藻培养器、光合细菌过滤单元、微藻过滤单 元、进气单元;
所述光合细菌培养器设置有废水进口，所述光合细菌培养器通过 管路连接所述光合细菌过滤单元，所述微藻培养器通过管路连接所述 微藻过滤单元;
所述光合细菌过滤单元设置有超滤膜、清液出口和浓缩液出口， 所述清液出口通过管路连接所述微藻培养器;所述微藻过滤单元设置 有超滤膜、清液排出口和浓缩液出口;
所述进气单元包括空气压缩机、CO2气体罐、混合气室，空气压 缩机和CO2气体罐均通过气体管路连接所述混合气室，所述混合气室 通过气体管路连接所述微藻培养器;所述空气压缩机通过气体管路连 接光合细菌培养器。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光合细菌培 养器为圆柱形透光有机玻璃容器，所述光合细菌培养器底部设置有曝 气盘，该曝气盘通过气体管路连接空气压缩机。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微藻培养器 为圆柱形透光有机玻璃容器，所述微藻培养器底部设置有曝气盘，该 曝气盘通过气体管路连接混合气室。
4.根据权利要求1-3任一所述的设备，其特征在于，所述超滤 膜为内压式中空纤维膜。
5.根据权利要求1-3任一所述的设备，其特征在于，连接所述 光合细菌过滤单元的管路上设置有隔膜泵、阀门、压力表和转子流量 计。
6.根据权利要求1-3任一所述的设备，其特征在于，连接所述 微藻过滤单元的管路上设置有隔膜泵、阀门、压力表和转子流量计。
说明书
一种回收利用水热液化废水中营养元素的设备
技术领域
本实用新型属于废水处理领域，具体涉及一种利用微生物的废 水处理其设备。
背景技术
水热液化废水为将微藻、餐厨垃圾、猪粪通过热化学方法转化为 生物原油过程中产生的废水，该废水富含碳、氮、磷等常量元素，又 富含多种微量元素、部分重金属及酚类物质，其中COD、TN、NH3-N、 TP可分别高达200000、14000、8000、2000mg/L。如果用传统的工业 废水处理方法处理该废水，不但造成处理费用高，而且也会导致极大 的碳、氮、磷资源浪费。目前水热液化废水还没有成熟的处理方法， 对该废水的处理研究还处于小试阶段，主要利用该废水的稀释液培养 微藻，通过调控废水氮磷比、pH值、废水与培养基配比来优化废水 处理效果及微藻产量，从而达到废水的资源化利用，并减轻后续的废 水处理成本。但相比常规废水，该废水中毒害物质之较多，对藻类生 长产生抑制，微藻在其中生长6-8天后，生物量才能达到最高值，所 需生长时间较长。
通过以上叙述可知，利用微藻处理水热液化废水存在营养元素循 环利用效率低的问题，废水中高有机碳浓度也会一直微藻对氮磷元素 吸收，限制了其对营养物的利用。为了提高该废水中碳氮磷元素的降 解效率，需将废水特性与微生物生理生化特性相结合，从污染物降解 的自然规律出发，重新选择废水处理的微生物主体，研究碳氮磷元素 归趋与微生物间耦合作用，从而达到该废水最大程度上的资源化和生 物量的最大产出。
光合细菌是一大类与微藻相似，具有两套能量合成转化体系的微 生物，能在光照或有氧条件下生存，且对有机物的利用范围广、有机 负荷耐受力高、代谢机制灵活，但其降解污染物不彻底。其主要营光 能异养，可以小分子有机物为碳源，且有机物利用范围广，但光合细 菌有降解极限，最终COD停留在300-500mg/L，有大量研究结果表明 光合细菌对多种高浓度有机废水处理效果较好。微藻是一种光和效率 高、适应性强、生长周期短的生物，对铵盐、磷酸盐及低浓度有机污 染物降解效果好，很早就被用于污水处理。微藻对污染物的降解主要 依赖光合作用，在光能自养方面，其只能利用CO2作为碳源，且在CO2充足时，微藻对氮磷物质的吸收利用效率会提高;在化能异养方面， 其利用有机物范围较窄，耐受有机负荷较低，最高约为6000mg/L。
目前关于单独开展光合细菌与微藻处理污水的研究较多，但将其 耦合用于处理废水的研究较少，且其耦合作用机制不清。两者物质能 量代谢途径各有特点，使得两者在耦合系统中对光、氧的需求及对碳、 氮、磷元素代谢途径各异，使得形成的耦合体系不能简单地应用于原 油生产废水的处理。
实用新型内容
针对本领域的不足之处，本实用新型的目的是提出一种回收利用 水热液化废水中营养元素的设备。
实现本实用新型目的技术方案为：
一种回收利用水热液化废水中营养元素并生产生物质原料的设 备，，包括光合细菌培养器、微藻培养器、光合细菌过滤单元、微藻 过滤单元、进气单元;
所述光合细菌培养器设置有废水进口，所述光合细菌培养器通过 管路连接所述光合细菌过滤单元，所述微藻培养器通过管路连接所述 微藻过滤单元;
所述光合细菌过滤单元设置有超滤膜、清液出口和浓缩液出口， 所述清液出口通过管路连接所述微藻培养器;所述微藻过滤单元设置 有超滤膜、清液排出口和浓缩液出口;
所述进气单元包括空气压缩机、CO2气体罐、混合气室，空气压 缩机和CO2气体罐均通过气体管路连接所述混合气室，所述混合气室 通过气体管路连接所述微藻培养器;所述空气压缩机通过气体管路连 接光合细菌培养器。
其中，所述光合细菌培养器为圆柱形透光有机玻璃容器，所述光 合细菌培养器底部设置有曝气盘，该曝气盘通过气体管路连接空气压 缩机;
其中，所述微藻培养器为圆柱形透光有机玻璃容器，所述微藻培 养器底部设置有曝气盘，该曝气盘通过气体管路连接混合气室。
优选地，所述超滤膜为内压式中空纤维膜。
其中，连接所述光合细菌过滤单元的管路上设置有隔膜泵、阀门、 压力表和转子流量计。
类似地，连接所述微藻过滤单元的管路上设置有隔膜泵、阀门、 压力表和转子流量计。
使用本实用新型提出的设备，对水热液化废水中营养元素的回收 利用方法，包括步骤：
1)水热液化法生产生物原油产生的废水，用水稀释至COD浓度 为18000～20000mg/L，并用1mol/L的HCl和/或NaOH溶液调节稀释 后废水pH值至6.5～7.5;
2)接种光合细菌于步骤1)所得废水中，接种量为0.24g/L至 0.30g/L干重，进行培养;
3)将步骤2)中接种的光合细菌培养11～13天后，把废水与光 合细菌用超滤膜进行分离，得到光合细菌的浓缩液和出水;
4)向步骤3)分离后的出水中接种微藻，接种量为0.13g/L至 0.18g/L干重;白天通入CO2与空气混合气体培养微藻;连续培养6-8 天，使微藻的生长到达平台期。
5)将步骤4)培养完毕的微藻与水热液化废水的混合废水再用超 滤膜进行分离，得到微藻的浓缩液和最终出水。
其中，使用的光合细菌为沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)，为红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)，菌株编号为1.8929， 购自中科院普通微生物菌种保藏管理中心(地址：北京市朝阳区北辰 西路1号院3号中国科学院微生物研究所);微藻为小球藻Chlorella sp.，为Chlorella属，藻株编号：FACHB-1067，购自中科院水生所 (地址：武汉珞珈山东湖南路7号中科院水生生物研究所淡水藻种 库)。
其中，所述水热液化法生产生物原油产生的废水中COD为 170000-220000mg/L，TN浓度为8000-14000mg/L，NH3-N浓度为 4000-10000mg/L，TP浓度1000-2000mg/L，pH值为9.5-13.5。
进一步地，所述步骤2)中光合细菌的培养条件为：光照强度为 3000-4000lx，通入空气，空气流量为0.1-0.2L/min·L-1。
优选地，所述步骤3)中，所用超滤膜为内压式中空纤维膜，产 水通量为80-120L/H·m2。
其中，所述步骤3)中，超滤膜分离操作条件如下：运行压力为 0.15-0.3MPa，最大透膜压差为0.3MPa。该超滤膜最大反洗压力为 0.15MPa。
进一步地，所述步骤4)中，微藻的培养条件为：光照强度为 2200-3000lx，光暗周期比为10-14:14-10;在光照时间通入空气与CO2混合气体，混合气体流量范围为0.1-0.2L/min·L-1，为微藻生长补充碳 源并保持废水pH值在6.8～7.3，非光照时间不通气。
优选地，微藻的培养条件为：光照强度为2200-3000lx，光暗周 期比为12:12;在光照时间通入空气与CO2混合气体，CO2占空气体 积的2～4%。混合气体流量范围可为0.1-0.2L/min·L-1。
其中，所述步骤5)中，超滤膜分离操作条件如下：运行压力为 0.15-0.3MPa，最大透膜压差为0.3MPa。该超滤膜最大反洗压力为 0.15MPa。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型将光合细菌的养殖、废水处理与微藻的养殖及废水处 理、以及光合细菌与微藻的收获合并在一起，形成了一套有机的整体， 同实现了水热液化废水的处理，废水中营养元素的梯级回收利用，及 菌体以及藻体的回收与生物质原料的生产。。在经过该过程处理之后， 水热液化废水的COD浓度降低了95%以上，TN和TP的浓度也降低 70%以上，极大地减轻了该废水的后续处理负担。另外，该系统的生 物量可实现4-5倍增长。
