用于废水处理的活性污泥与微藻耦合颗粒化系统及其构建和运行方法

摘要

本发明公开了一种用于废水处理的活性污泥与微藻耦合颗粒化系统及其构建和运行方法，通过构建活性污泥与微藻耦合颗粒化系统用于净化污水，并回收能源，本发明所述系统包括微藻及其颗粒污泥载体，所述培养阶段沉降时间与反应器排水比分别控制范围为1-100分钟和10％-90％，曝气或搅拌形成剪切力控制在0.1-2cm/s，实际废水处理阶段沉降时间控制为0.5-30分钟，排水比控制为10％-90％，曝气或搅拌形成剪切力控制在0.1-3cm/s。本系统能够处理多种废水，剩余污泥可作为生物柴油、生物汽油、发酵产氢产甲烷、生物有机肥和生物碳等制备的原材料。

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理系统，特别是涉及一种用于废水处理的活性污泥与微 藻耦合颗粒化系统及其构建和运行方法。

背景技术

21世纪人类社会可持续发展所需迫切解决的两大问题：环境污染与能源危 机。水资源污染是环境污染的主要组成部分，随着人口数量不断升高及城市化 进程的加快，加上受技术水平、短期利益使然和法制不健全等因素的综合影响， 近年来水资源污染问题日益严重，而如何高效、低成本地去除水体中过量的氮 磷等污染物是水污染治理的重要难题。与此同时，调查指出全球的石油和天然 气储量将在未来40-50年后面临枯竭，2020年全球的能源缺口将达到488EJ/a， 因此为满足人类对能源的需求，开发经济高效、可再生及环境友好的新型能源 势在必行。

细菌和微藻是自然界水体中广泛存在的微生物种类，它们对促进水环境中 的氮磷等营养物质循环与维持水生环境的生态平衡具有重要作用，同时也被认 为是有望替代石化能源的主要生物质能源原料。好氧污泥(细菌)工艺是全球 应用最为广泛的去除污水中氮磷等营养污染物的处理技术，而污泥颗粒化技术 的出现成为目前其中一个研究热点，同时污水处理过程中产生的剩余污泥蕴涵 着大量的生物质，具有良好的资源化利用前景(如热解制油和制氢等)。微藻 是光能自养型单细胞生物，其在生长过程中需要消耗水环境中的氮磷等营养物 质以合成体内有机质，并通过光合作用将CO₂固定为有机碳(蛋白质、碳水化 合物、油脂)，藻细胞油脂中的三酰甘油酯(Triacylglycerols，TAG)是制备生 物柴油的主要原料。

研究证明活性污泥与微藻可形成耦合共生系统净化污水，此共生系统主要 分为两种模式：1)悬浮式菌藻，此类模式是将微藻与絮状活性污泥进行搭配后， 直接放入较浅稳定塘(深度0.3-0.5m)或光照反应器中进行污水净化和微藻培养； 2)固定化菌藻，此类模式是将微藻与絮状活性污泥进行搭配，并与物化载体(如 软性填料、藻酸钙和聚乙烯醇等)实现固定化，进而处理污水。研究指出藻菌 共生系统的污水净化效率明显高于单菌和单藻。因此，污泥-微藻耦合共生工艺 可在处理污水的同时，以污水为原料获取新资源和新能源，在缓解能源缺乏和 水环境污染方面具有广阔的发展前景。但是，此工艺仍存在一些关键问题需要 进一步解决：1)在悬浮式菌藻共生系统中，微藻沉降效能较差，不易收获分离， 对能源回收成本有很大影响，微藻收获是仅次于培养过程的第二大成本消耗；2) 悬浮式系统中如果污泥投加比例较低，会降低系统的处理效果和抗冲击能力。 而污泥投加比例较高时，光线在絮状活性污泥中穿透性较弱，微藻在光化反应 器中受光比表面积较小，不利于微藻生长；3)在固定化菌藻共生系统中，无毒、 多孔、不溶解于处理介质、不易被生物分解、且廉价易得的载体材料开发与选 用较为困难，从而造成固定化系统实际使用成本较高，重复利用性较差，并且 固定化过程中所用的物化材料会影响后续能源提取回收。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于废水处理的活性污泥与微藻耦合 颗粒化系统及其构建和运行方法。

为达上述目的，本发明一种用于废水处理的活性污泥与微藻耦合颗粒化系 统，所述系统包括油脂微藻及其颗粒污泥载体，所述颗粒污泥与微藻接种含量 分别为0.1-1g/L和1×10³-1×10¹⁵cell/L，接种基质为培养溶液。

其中所述颗粒污泥为厌氧颗粒污泥、好氧颗粒污泥或二者任意比例的混合 颗粒污泥。

其中所述污泥颗粒粒径范围为0.2-4毫米。

其中所述油脂微藻选自蓝藻、绿藻门、硅藻门或金藻门。

其中所述培养溶液为人工平配置溶液或污水溶液，所述人工配置或污水溶 液COD含量为100-2000mg/L，氨氮含量为5-500mg/L，总氮为5-600mg/L，磷 酸盐含量为1-40mg/L。

其中所述培养溶液还加入浓度为0.1-50mg/L的混合营养盐，所述营养盐元 素选自镁离子、钙离子、钾离子、铜离子、锌离子、铁离子之一或两种以上任 意比例的混合物。

一种构建用于废水处理的活性污泥与微藻耦合颗粒化系统的方法，包括以 下步骤：

以玻璃或有机玻璃反应器为装置，以序批式反应器运行方式进行，通过曝 气装置或搅拌装置控制系统培养溶液内微生物分布均匀，加入所述颗粒污泥， 并以颗粒污泥为载体，混合加入所述油脂微藻；

培养阶段沉降时间与反应器排水比分别控制范围为1-100分钟和10％-90％， 单一周期运行时间2-8小时，每天运行周期为2-6个周期，光照条件控制为 2000-40000lux光强范围，曝气或搅拌形成剪切力控制在0.1-2cm/s。

一种运行用于废水处理的活性污泥与微藻耦合颗粒化系统的方法，包括以 下步骤：培养结束后可用于实际废水处理过程，实际废水处理阶段沉降时间控 制为0.5-30分钟，排水比控制为10％-90％，单一周期运行时间为1-10小时，每 天运行周期为2-10个周期，光照条件控制为2000-40000lux光强范围，曝气或 搅拌形成剪切力控制在0.1-3cm/s。

所述系统排出剩余污泥作为生物柴油、生物汽油、发酵产氢产甲烷、生物 有机肥和生物碳制备的原材料。

本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：

1、提高菌藻共生系统内微生物生物量，从而促进污水净化效果及抗冲击能 力；

2、提高微生物的沉降性能，降低生物质原料收获成本；

3、物化载体零投入，降低固定化成本和能源回收过程中物化杂质抑制影响；

4、增强剩余活性污泥资源化收益，间接降低好氧污泥工艺运行成本；

5、保证污泥量的同时，增强系统透光性能；

6、可用于工厂废水处理同时，通过工厂废气提供剪切力，降低废气中温室 气体(如二氧化碳等)比重；

7、可以提高废水处理系统中剩余污泥的热值与油脂含量，促进其资源化利 用；

8、通过系统光照的介入与微藻对系统pH水平的提升，有效杀灭废水中所 合致病微生物；

9、相比传统污泥系统，提供废水中总氮和总磷的去除效率。

总之通过本专利的实施成果有望为菌藻共生提供一种新型模式，在污水净 化和资源回收方面具有一定的研究意义。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1和2为本发明活性污泥-微藻耦合颗粒的结构示意图；

图3和4为微藻与细菌和真菌耦合的电子显微镜扫描图片。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说 明。

实施以颗粒污泥与富合油脂藻类(包含蓝藻、绿藻门、硅藻门和金藻门) 为主体。本专利所申请的活性污泥与微藻耦合颗粒化系统可用于各种类型废水 的净化处理(包括生活污水、养殖废水及工业废水等)，可用于有效去除废水 中有机物、氮磷营养盐、重金属、持久性有机物(如抗生素和雌激素等)和致 病微生物。本系统适合处理废水的COD含量可在100-2000mg/L，氨氮含量 5-500mg/L，总氮在5-600mg/L，磷酸盐含量可在1-80mg/L。本系统启动与运行 以玻璃或有机玻璃反应器为装置，以序批式反应器运行方式进行，通过曝气装 置或搅拌装置控制系统内微生物分布均匀。

启动过程以颗粒污泥(包括厌氧颗粒和好氧颗粒)为载体，混合加入目标 藻种；接种颗粒污泥应具有较好的沉降性能，5分钟污泥体积指数(SVI₅)为 10-80mL/g，接种颗粒粒径范围为0.2-4毫米；颗粒污泥与藻类接种含量分别为 0.1-1g/L和1×10³-1×10¹⁵cell/L；培养溶液可为人工配置或上述实际废水，培养 溶液中有机质和氮磷营养物质含量如上述所述废水浓度，此外加入混合营养元 素，混合营养元素包括镁离子、钙离子、钾离子、铜离子、锌离子和铁离子， 营养盐浓度控制在0.1-50mg/L；通过控制沉降时间与反应器排水比(体积交换率) 进而实现污泥与微藻耦合颗粒启动，培养阶段沉降时间与反应器排水比分别控 制范围为1-100分钟和10％-90％，单一周期运行时间2-8小时，每天运行周期 为2-6个周期，光照条件控制为2000-40000lux光强范围，曝气或搅拌形成剪切 力控制在0.1-2cm/s。

培养结束后可用于实际废水处理过程，实际废水处理阶段沉降时间控制为 0.5-30分钟，排水比控制为10％-90％，单一周期运行时间为1-10小时，每天运 行周期为2-10个周期，光照条件控制为2000-40000lux光强范围，曝气或搅拌 形成剪切力控制在0.1-3cm/s。

该系统可以有效处理各种类型废水，且该系统排出剩余污泥可作为生物柴 油、生物汽油、发酵产氢产甲烷、生物有机肥和生物碳等制备的原材料。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发 明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员 对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定 的保护范围内。