利用高级氧化对污水进行预处理培养工程微藻进行污水深度处理和二氧化碳减排的方法

摘要

利用高级氧化对污水进行预处理培养工程微藻进行污水深度处理和二氧化碳减排的方法。它涉及了利用高级氧化对污水和烟气进行预处理，利用人工培养工程微藻同时解决污水深度处理和CO2减排的方法。它解决了现有技术中藻类因为无法吸收污水中的大分子有机污染物而在污水处理中受到限制的缺陷。本发明利用高级氧化处理污水和烟气，之后在生物反应器中利用工程微藻将预处理后的污水进行深度处理，将烟气中的CO2吸收利用，工程微藻也可以提取功能性产品。本发明具有成本低、投资小、效率高、处理效果好、使烟气资源化、增加生物质能来源、减轻了污水深度处理工艺的负担、降低了工程造价，改变了传统意义上污水处理观念。

说明书

技术领域

本发明涉及利用高级氧化对污水和烟气进行预处理，利用人工培养工程微藻同时解决污水深度处理和CO₂减排的方法。

背景技术

目前利用工程微藻处理污水，由于污水中有毒、有害有机物的大量存在，导致工程微藻活力低、繁殖力低和污染物去除率低，而且工程微藻只能吸收烟气中的CO₂，对SO₂和气体氮氧化物无能为力。因此，工程微藻在环境治理工程中的应用受到限制。

发明内容

本发明为了解决目前利用工程微藻处理污水过程中工程微藻活力低、繁殖力低和污染物去除率低，而且工程微藻只能吸收烟气中的CO₂的缺陷而提供了一种利用高级氧化对污水进行预处理培养工程微藻进行污水深度处理和二氧化碳减排的方法。

本发明利用高级氧化对污水进行预处理培养工程微藻进行污水深度处理和二氧化碳减排的方法按照以下步骤进行：一、用高级氧化对污水和烟气进行预处理；二、将预处理后的污水采用Na₂CO₃或CaO调节pH值为6.5～8.5，再将调节后的污水及烟气通入到生物反应器中利用工程微藻进行深度处理；即完成了污水的处理及CO₂的减排。

本发明方法中采用高级氧化对污水和烟气先进行处理，能够将污水中的有机物，特别是将对工程微藻有毒、有害的有机物开环或断链，分解成对工程微藻无害并可以利用的小分子化合物，提高污水的可生化性；而且高级氧化能够将烟气中的SO₂和氮氧化物氧化成SO₄^2-和NO₃^-而去除。因为污水中威胁工程微藻生长的有毒、有害有机物被降解，同时由于高级氧化使污水中溶解的可被工程微藻利用的碳源、氮源等数量增加、增强了工程微藻的活力和繁殖力，扩大了工程微藻的数量，从而促进了工程微藻的除污效果。

利用高级氧化对污水进行预处理培养工程微藻进行污水深度处理和二氧化碳减排的方法具有成本低、效率高、投资小、处理效果好、变废为宝、增加生物质能来源的特点。本发明的独特之处在于利用高级氧化预处理污水和烟气，利用人工培养的工程微藻吸收污水中的有机物、氮磷等污染物质，以及烟气中大量的CO₂气体。本发明充分利用了污水和烟气资源，大幅度降低污水处理投资及运营成本，开辟了利用高级氧化应用的新领域，改变了传统意义上污水处理观念。

本发明利用高级氧化对污水进行预处理培养工程微藻进行污水深度处理和二氧化碳减排的方法过程：

一、利用高级氧化处理污水

污水中往往含有较高的氮磷等污染物，而碳源含量偏低，并且大分子难降解有机物占了很大比例，尤其是市政二级出水中，氮磷超标，COD_Cr的含量却要求在120以下，应用工程微藻深度处理污水时，碳源不足的问题凸显，需要外加碳源。利用高级氧化可以将污水中大分子有机化合物分解成小分子化合物，难降解物质开环或断链，提高污水的可生化性。

二、利用高级氧化处理烟气

工厂烟气中含有CO₂、SO₂、NO_x等污染物，其中CO₂是最主要的温室气体，对温室效应的贡献率达63％，SO₂、NO_x是引起酸雨形成的主要污染物，将其未经处理直接通入水中会极大地影响生物体的正常生长繁殖，利用高级氧化可以将SO₂、NO_x等污染物氧化成SO₄^2-、NO₃^-而除去，从而能够保证SO₂、NO_x等污染物既不污染空气又不影响藻类的生长。但会使pH降低，需要外加药剂进行调节。同时，含有大量CO₂的工厂烟气弥补了污水中碳源不足的难题。

三、利用生物反应器培养藻类

污水中含有较多的营养物质，其中氮磷等含量较高，为微藻的生长提供了N源、P源，高级氧化后还可提供部分C源；工厂烟气中含有大量的CO₂，为微藻生长的C源；生物反应器具有光、温度、溶解氧、CO₂、pH和营养物质等培养条件的调节与控制系统。能实现工程微藻的高密度培养并获得较高的单位面积或体积产量。在高级氧化进行预处理后的污水与烟气中，藻类进行光合作用，吸收CO₂、N、P放出O₂，在净化水质的同时获得工程微藻。

四、利用工程微藻生产功能产品：藻类富含蛋白质、脂类、维生素和矿物质等，所有收获的藻类生物量有许多潜在的应用价值，如：用于食料和医药业(人和动物的营养补充物：维生素、蛋白质、脂肪酸、多糖等)；提取化工产品如化妆品、精细化工产品等；作为能源产生沼气、燃料；用于饵料和饲料业(鱼虾、甲壳动物等水产动物的饵料，家禽饲料)；农业上作为土壤调节剂、肥料等。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式利用高级氧化对污水进行预处理培养工程微藻进行污水深度处理和二氧化碳减排的方法按照以下步骤进行：一、用高级氧化对污水和烟气进行预处理；二、将预处理后的污水采用Na₂CO₃或CaO调节pH值为6.5～8.5，再将调节后的污水及烟气通入到生物反应器中利用工程微藻进行深度处理；即完成了污水的处理及CO₂的减排。

本实施方式用Na₂CO₃或CaO调节pH值可以短时间内改变水体的pH值，从而为下一步工程微藻提供一个适宜的启动环境。本实施方式步骤二中经过高级氧化的烟气采用底部曝气的方式通入注有污水的生物反应器。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中的烟气来自于水泥厂、钢铁厂、石油厂、乙烯厂、合成氨厂、环氧乙烷厂或制氢厂。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二的不同点是：步骤一中的污水来自于城市污水厂的二级出水、城市污水厂未完成处理的污水或自然水体(江、河、湖)。其它步骤及参数与具体实施方式一至二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三的不同点是：步骤二中将预处理后的污水采用Na₂CO₃或CaO调节pH值为6.5～8.5。其它步骤及参数与具体实施方式一至三相同。

本实施方式中的pH值为藻类生长最适生长的pH值，为了应用工程微藻治理污水及烟气的效果更好，利用加药装置调节pH，以达到最好的应用效果。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四的不同点是：步骤一中将烟气通入污水中，将混合物进行高级氧化预处理。其它步骤及参数与具体实施方式一至四相同。

本实施方式减少了分步高级氧化的投资成本，将SO₂、NO_x等污染物氧化成SO₄^2-、NO₃^-而除去，同时将污水中大分子有机化合物分解成小分子化合物，难降解物质开环或断链，提高了污水的可生化性。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四的不同点是：步骤一中污水与烟气分别进行高级氧化预处理。其它步骤及参数与具体实施方式一至四相同。

本实施方式对污水和烟气的处理更彻底，处理效率更高。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六的不同点是：步骤一中应用的高级氧化方式为Fenton试剂氧化、UV/Fe²⁺-草酸/H₂O₂氧化、UV/H₂O₂/Fe²⁺氧化、O₃/H₂O₂氧化、O₃/UV氧化、O₃/UV/H₂O₂氧化、超临界水氧化、O₃/H₂O₂氧化、光催化氧化、化学氧化剂氧化、以臭氧为主的高级氧化、以过氧化氢为主的高级氧化、以超声波为主的高级氧化及以紫外线为主的高级氧化中的一种或几种方式的联用。其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。

本实施方式中每种处理方式的具体参数参见具体实施方式八至十四。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五或六的不同点是：步骤一中应用的高级氧化方式为Fenton试剂氧化，其中H₂O₂投加量为500～4000mg/L，FeSO₄投加量为500～3500mg/L，反应时间为0.1～3h，其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。

采用本实施方式方法进行处理烟气中CO₂的去除率为20％～80％，污水中COD的去除率为5％～60％，BOD去除率为20％～80％。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五或六的不同点是：步骤一中应用的高级氧化方式为以臭氧为主的高级氧化，臭氧投加量为1～300mg/L。其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。

采用本实施方式的方法处理有机废水和烟气，烟气中CO₂的去除率为20％～90％，COD的去除率为10％～80％，BOD去除率为20％～90％。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五或六的不同点是：步骤一中应用的高级氧化方式为以过氧化氢为主的高级氧化，H₂O₂的浓度为1-300mmol/L。其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。

采用本实施方式的方法处理有机废水和烟气，烟气中CO₂的去除率为15％～75％，COD的去除率为5％～55％，BOD去除率为15％～90％。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式五或六的不同点是：步骤一中应用的高级氧化方式为以超声波为主的高级氧化，超声波的频率为20～200kHz。其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。

本实施方式不仅进行了高级氧化，还进行了超声的除垢、阻垢，能够防止管道的结垢现象。

采用本实施方式的方法处理有机废水和烟气，烟气中CO₂的去除率为10％～60％，COD的去除率为5％～45％，BOD去除率为10％～60％。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式五或六的不同点是：步骤一中应用的高级氧化方式为以紫外线为主的高级氧化，采用的紫外灯包括：低压低强度汞灯、中压高强度汞灯和低压高强度汞灯，输出功率为1～5Kw。其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。

本实施方式不仅进行了高级氧化，还进行了紫外线有杀菌作用。

采用本实施方式的方法处理有机废水和烟气，烟气中CO₂的去除率为10％～40％，COD的去除率为5％～40％，BOD去除率为10％～50％。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式五或六的不同点是：步骤一中应用的高级氧化方式为超临界水氧化。其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。

本实施方式以超临界水为反应介质，温度高于水的临界温度(374.3℃)，压力在22.1MPa之上，以空气、氧气或双氧水等为氧化剂。

采用本实施方式的方法处理有机废水和烟气，烟气中CO₂的去除率为20％～75％，COD的去除率为10％～50％，BOD去除率为30％～90％。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式五或六的不同点是：步骤一中应用的高级氧化方式为高压脉冲辐射。其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。

本实施方式中的高压脉冲范围为25～300ns，重复频率为20～200Hz，峰值为5～320kV。

采用本实施方式的方法处理有机废水和烟气，烟气中CO₂的去除率为20％～85％，COD的去除率为20％～60％，BOD去除率为30％～90％。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四的不同点是：步骤二中的生物反应器为开放式光生物反应器，比表面积为1～10。其它步骤及参数与具体实施方式一至十四相同。

本实施方式的方法具有操作简单，技术完善，投资少及成本低的优点。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五的不同点是：步骤二中的生物反应器中培养的工程微藻为螺旋藻、小球藻及盐藻中一种或几种的组合。其它步骤及参数与具体实施方式一至十五相同。

本实施方式中工程微藻为能够提取生物制品的的工程微藻，在使用后能够收获藻产品，收获的藻产品可用作饲料、肥料，甚至还可用于生产有用的化学物质。

本实施方式中工程微藻由两种或两种以上物质组成时，按任意比例混合。

在市政污水二级出水中投加藻类的初始投加量为15～3000个/毫升，处理时间为2～72小时。

城市污水厂未完成处理的污水投加藻类的初始投加量为15～3000个/毫升，处理时间为2～72小时。

自然水体中投加藻类的初始投加量为15～3000个/毫升，处理时间为2～72小时。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十五的不同点是：步骤二中的生物反应器中培养的工程微藻是通过筛选得到的高油微藻、高蛋白质微藻及高维生素微藻中的一种或几种的组合。其它步骤及参数与具体实施方式一至十五相同。

本实施方式中工程微藻由两种或两种以上物质组成时，按任意比例混合。

本实施方式的高油微藻的筛选方法为：从自然水体(江、河、湖)中利用培养基(培养基成分由300mg/L的(NH₂)₂CO₃，50mg/L的KH₂PO₄，300mg/L的MgSO₄，8mg/L的FeSO₄，1000mg/L的NaCl和500mg/L的NH₄HCO₃组成)分离到藻株，扩大培养后离心分离，称量同样多的藻类提取油脂，高油脂含量所对应的藻类即为筛选得到的。

本实施方式的高蛋白质微藻的筛选方法为：从自然水体(江、河、湖)中利用培养基(培养基成分由300mg/L的(NH₂)₂CO₃，50mg/L的KH₂PO₄，300mg/L的MgSO₄，8mg/L的FeSO₄，1000mg/L的NaCl和500mg/L的NH₄HCO₃组成)分离到藻株，扩大培养后离心分离，称量同样多的藻类提取蛋白质，高蛋白质含量所对应的藻类即为筛选得到的高蛋白质微藻。

本实施方式的高维生素微藻的筛选方法为：从自然水体(江、河、湖)中利用培养基(培养基成分由300mg/L的(NH₂)₂CO₃，50mg/L的KH₂PO₄，300mg/L的MgSO₄，8mg/L的FeSO₄，1000mg/L的NaCl和500mg/L的NH₄HCO₃组成)分离到藻株，扩大培养后离心分离，称量同样多的藻类提取维生素，高维生素含量所对应的藻类即为筛选得到的高维生素微藻。