公布日：2024.03.22
申请日：2023.11.23
分类号：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
本发明公开了一种微藻膜生物反应器及其在污水脱氮除磷处理中的应用，包括反应器主体，所述的反应器主体内设有微滤膜组件及悬浮型生物填料，并接种有微藻；反应器主体内的底部设有曝气装置；所述的反应器主体为透明材质，反应器主体外部设有光源；所述的反应器主体的顶部与进水管路连通，进水管路上设有进水泵；所述微滤膜组件的顶部与出水管路连通，出水管路上设有出水泵；所述的悬浮型生物填料为负载了蟹壳粉的丝瓜络。本发明在微藻膜生物反应器中采用悬浮型生物填料和微滤膜组件结合的方式对微藻进行悬浮固定培养，减少了微藻的堆积和聚集，扩大了微藻与污水的接触面积，可显著加速微藻对污水中氮磷的去除。
权利要求书
1.一种微藻膜生物反应器，其特征是，包括反应器主体，所述的反应器主体内设有微滤膜组件及悬浮型生物填料，并接种有微藻；反应器主体内的底部设有曝气装置；所述的反应器主体为透明材质，反应器主体外部设有光源；所述的反应器主体的顶部与进水管路连通，进水管路上设有进水泵；所述微滤膜组件的顶部与出水管路连通，出水管路上设有出水泵；所述的悬浮型生物填料为负载了蟹壳粉的丝瓜络。
2.根据权利要求1所述的微藻膜生物反应器，其特征是，所述的微藻为蛋白核小球藻；微藻的接种量为反应器主体有效容积的5~15%。
3.根据权利要求1或2所述的微藻膜生物反应器，其特征是，所述的微滤膜组件为帘式聚偏氟乙烯中空纤维膜组件，膜孔径为0.01~0.1μm，膜通量5~20L/(m2·h)。
4.根据权利要求1所述的微藻膜生物反应器，其特征是，所述悬浮型生物填料的制备方法为：A）将蟹壳清洗、粉碎、过筛后分别用氢氧化钠溶液和双氧水对其进行处理，清洗并干燥后得到粒径为100~500目的预处理后的蟹壳粉；B）将丝瓜络剪切成4~5cm的小段，分别在去离子水和氢氧化钠溶液中浸泡后清洗、干燥得到预处理后的丝瓜络；C）将预处理后的蟹壳粉加入去离子水中，分散均匀后向分散液中加入多巴胺，搅拌均匀后加入Tris-HCl缓冲液将体系pH调节至8.0~8.5，搅拌均匀后得到反应液；D）将预处理后的丝瓜络浸渍在反应液中，振荡反应6~12h后将丝瓜络取出烘干，得到负载了蟹壳粉的丝瓜络。
5.根据权利要求4所述的微藻膜生物反应器，其特征是，步骤C）中预处理后的蟹壳粉和多巴胺的质量比为4~5:1；步骤D）中预处理后的丝瓜络与反应液中的蟹壳粉的质量比为2~3:1。
6.根据权利要求1或4或5所述的微藻膜生物反应器，其特征是，所述悬浮型生物填料的投料体积为反应器主体有效容积的10~30%。
7.一种如权利要求1~6任一所述的微藻膜生物反应器在污水脱氮除磷处理中的应用，其特征是，包括如下步骤：（1）微藻种子液的制备：将微藻接种在培养基中进行光照培养，取处于对数增长期的藻液作为微藻种子液；（2）微藻挂膜：在微藻膜生物反应器中加入培养基，将微藻种子液接入微藻膜生物反应器中，并加入混合营养液，光照曝气培养8~12d进行挂膜；（3）微藻生物膜的驯化：挂膜后在6~7d内用待处理污水置换微藻膜生物反应器中的培养基，并继续进行光照曝气培养，全部置换后再稳定培养1~3d，完成驯化；（4）污水脱氮除磷处理：将待处理污水加入经驯化后的微藻膜生物反应器内，在光照和曝气条件下进行脱氮除磷处理。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征是，步骤（1）和步骤（2）中使用的培养基为BG-11培养基；步骤（2）中使用的混合培养液中包括葡萄糖、尿素及磷酸二氢钾，加入的葡萄糖、尿素及磷酸二氢钾在培养基中的浓度分别为7.0~9.0g/L，1.0~2.0g/L，70~80mg/L。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征是，步骤（1）中的光照培养条件为：培养温度27~29℃，光照强度2300~2500Lux。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征是，步骤（2）和步骤（3）中光照曝气培养时的光照强度为2000~2200Lux；光照周期为10~14h光照，14~10h黑暗；曝气量为1~3L/m3；步骤（4）中的光照和曝气条件与步骤（2）和（3）中相同。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的微藻膜生物反应器存在的上述问题，提供一种微藻膜生物反应器及其在污水脱氮除磷处理中的应用，在微藻膜生物反应器中采用悬浮型生物填料和微滤膜组件结合的方式对微藻进行悬浮固定培养，减少了微藻的堆积和聚集，扩大了微藻与污水的接触面积，可显著加速微藻对污水中氮磷的去除。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种微藻膜生物反应器，包括反应器主体，所述的反应器主体内设有微滤膜组件及悬浮型生物填料，并接种有微藻；反应器主体内的底部设有曝气装置；所述的反应器主体为透明材质，反应器主体外部设有光源；所述的反应器主体的顶部与进水管路连通，进水管路上设有进水泵；所述微滤膜组件的顶部与出水管路连通，出水管路上设有出水泵；所述的悬浮型生物填料为负载了蟹壳粉的丝瓜络。
本发明在反应器主体内同时设置微滤膜组件及悬浮型生物填料，由负载了蟹壳粉的丝瓜络制成的悬浮型生物填料具有低的密度、大的比表面积和良好的生物亲和性，在曝气装置产生的气流作用下可悬浮于反应器内，充分吸附反应器内的悬浮微藻，将微藻固定在其表面形成微藻生物膜，悬浮固定培养微藻有助于促进反应器中微藻的光合作用，可提升微藻的生长能力及对污水的净化能力，并减少了微藻的堆积和聚集，扩大了微藻与污水的接触面积，有助于微藻快速摄取污水中的氮磷等营养物质并加速其在体内的积累和转化，可显著加速微藻对污水中氮磷的去除。反应器运行过程中，污水从顶部进入反应器主体内，在反应器主体外部光源的光照作用下，微藻生物膜会进行光合作用对污水进行净化，去除污水中的氮、磷、COD等污染物，处理后的污水透过微滤膜组件，通过出水管路流出反应器。由于微藻生物膜的新陈代谢作用，会有老化的微藻生物膜脱落，微滤膜组件的设置有助于富集脱落的微藻生物膜，避免衰老、死亡后的藻细胞滞留在反应器中对光照进行遮挡，从而对微藻生物膜的光合作用造成影响。
因此，本发明中的微藻膜生物反应器对微藻进行悬浮固定培养，显著提升了对污水中氮磷的去除效率；且添加的微滤膜组件有助于富集和清理在污水处理中脱落的微藻生物膜，避免衰老、死亡后的藻细胞削弱反应器处理效果，使反应器对污水中的COD、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)和总磷(TP)均表现出优异的脱除效果。
作为优选，所述的微藻为蛋白核小球藻；微藻的接种量为反应器主体有效容积的5～15％。
作为优选，所述的微滤膜组件为帘式聚偏氟乙烯中空纤维膜组件，膜孔径为0.01～0.1μm，膜通量5～20L/(m2·h)。
作为优选，所述悬浮型生物填料的制备方法为：A)将蟹壳清洗、粉碎、过筛后分别用氢氧化钠溶液和双氧水对其进行处理，清洗并干燥后得到粒径为100～500目的预处理后的蟹壳粉；B)将丝瓜络剪切成4～5cm的小段，分别在去离子水和氢氧化钠溶液中浸泡后清洗、干燥得到预处理后的丝瓜络；C)将预处理后的蟹壳粉加入去离子水中，分散均匀后向分散液中加入多巴胺，搅拌均匀后加入Tris-HCl缓冲液将体系pH调节至8.0～8.5，搅拌均匀后得到反应液；D)将预处理后的丝瓜络浸渍在反应液中，振荡反应6～12h后将丝瓜络取出烘干，得到负载了蟹壳粉的丝瓜络。
本发明中的悬浮型生物填料制备过程中，先通过步骤A)对蟹壳中的蛋白质、脂肪等进行去除，并对其进行脱色，可使预处理后的蟹壳粉具有良好的吸附性能，实现水产加工副产品的重新利用；然后通过步骤B)用碱液对丝瓜络进行预处理，可提升丝瓜络表面的亲水性并提升其比表面积；最后在步骤C)和步骤D)中，通过多巴胺在蟹壳粉和丝瓜络表面的自聚反应，利用聚多巴胺将蟹壳粉负载在丝瓜络表面，聚多巴胺具有优异的粘附性，可将蟹壳粉牢固附着在丝瓜络表面；同时聚多巴胺也可提升蟹壳粉及丝瓜络表面的亲水性，有利于提升悬浮型生物填料与微藻的亲和性，使微藻生物膜更易在其表面附着和生长。负载了蟹壳粉后，可进一步增大丝瓜络的比表面积，并提升其表面粗糙度，有利于微藻的吸附和负载，表面的微藻生物膜不易脱落；同时，蟹壳粉、丝瓜络及聚多巴胺均具有较好的生物相容性，有利于微藻在悬浮型生物填料表面的吸附和生长。
作为优选，步骤A)中氢氧化钠溶液的质量浓度为5～10％，用氢氧化钠溶液处理时，蟹壳粉与氢氧化钠溶液的质量比为1:5～10，处理温度70～80℃，处理时间1～3h；双氧水的质量浓度为25～30％，用双氧水处理时，蟹壳粉与双氧水的质量比为1:5～10，处理温度40～60℃，处理时间1～3h。
作为优选，步骤B)中在去离子水中的浸泡时间为1～3h；氢氧化钠溶液的质量浓度为5～10％，在氢氧化钠溶液中的浸泡时间为1～3h。
作为优选，步骤C)中多巴胺在分散液中的浓度为2～4mg/mL。
作为优选，步骤C)中预处理后的蟹壳粉和多巴胺的质量比为4～5:1；步骤D)中预处理后的丝瓜络与反应液中的蟹壳粉的质量比为2～3:1。
作为优选，所述悬浮型生物填料的投料体积为反应器主体有效容积的10～30％。
本发明还提供了一种上述微藻膜生物反应器在污水脱氮除磷处理中的应用，包括如下步骤：(1)微藻种子液的制备：将微藻接种在培养基中进行光照培养，取处于对数增长期的藻液作为微藻种子液；(2)微藻挂膜：在微藻膜生物反应器中加入培养基，将微藻种子液接入微藻膜生物反应器中，并加入混合营养液，光照曝气培养8～12d进行挂膜；(3)微藻生物膜的驯化：挂膜后在6～7d内用待处理污水置换微藻膜生物反应器中的培养基，并继续进行光照曝气培养，全部置换后再稳定培养1～3d，完成驯化；(4)污水脱氮除磷处理：将待处理污水加入经驯化后的微藻膜生物反应器内，在光照和曝气条件下进行脱氮除磷处理。
作为优选，步骤(1)和步骤(2)中使用的培养基为BG-11培养基。
作为优选，步骤(2)中使用的混合培养液中包括葡萄糖、尿素及磷酸二氢钾，加入的葡萄糖、尿素及磷酸二氢钾在培养基中的浓度分别为7.0～9.0g/L，1.0～2.0g/L，70～80mg/L。本发明在微藻挂膜过程中加入混合培养液，以葡萄糖作为碳源，尿素作为氮源，磷酸二氢钾作为磷源，与光合自养相比，在混合营养条件下固定化培养，可增加微藻细胞数量，提升其对污水的脱氮除磷效率。
作为优选，步骤(1)中的光照培养条件为：培养温度27～29℃，光照强度2300～2500Lux。
作为优选，步骤(2)和步骤(3)中光照曝气培养时的光照强度为2000～2200Lux；光照周期为10～14h光照，14～10h黑暗；曝气量为1～3L/m3；步骤(4)中的光照和曝气条件与步骤(2)和(3)中相同。
因此，本发明具有如下有益效果：(1)本发明中的微藻膜生物反应器通过悬浮生物填料对微藻进行悬浮固定培养，减少了微藻的堆积和聚集，扩大了微藻与污水的接触面积，显著提升了氮磷去除效率；(2)本发明中的微藻膜生物反应器中的微滤膜组件有助于富集和清理在污水处理中脱落的微藻生物膜，避免衰老、死亡后的藻细胞削弱反应器处理效果，可进一步提升对污水中污染物的去除效果；(3)悬浮型生物填料采用负载了蟹壳粉的丝瓜络，通过多巴胺在蟹壳粉和丝瓜络表面的自聚反应，利用聚多巴胺将蟹壳粉负载在丝瓜络表面，有利于微藻在悬浮型生物填料表面的吸附和生长，表面的微藻生物膜不易脱落。
（发明人：杨会成;张习汝;李瑞雪;徐珊;彭虹辉;袁嘉琪;鲍晶晶）
