一种污水处理过程中合成藻酸盐的方法以及设备

摘要

本发明涉及一种污水处理过程中合成藻酸盐的方法和设备，其中：方法包括以下步骤：S1：将污水排放至微生物反应器中，在适宜的环境条件下，经微生物的新陈代谢作用，有机污染物被降解，并且微生物分泌藻酸盐；S2：含有大量藻酸盐的微生物反应器中的泥水，流入至碱洗溶解反应器中；S3：含有可溶性藻酸盐的碱洗溶解反应器中的泥水，流入至超滤膜组件中，溶解性藻酸盐溶液经超滤膜组件分离后，出水作为中水回收利用，而藻酸盐溶液被浓缩，进入后续藻酸盐提取工艺中。本发明的有益效果在于，提供一种污水处理过程中合成藻酸盐的方法和设备，在实现污水净化的同时，不仅回收中水资源，而且生产藻酸盐。

说明书

技术领域

本发明涉及一种污水处理过程中合成藻酸盐的方法及设备

背景技术

藻酸盐(Alginate)又名褐藻酸盐、海带胶、褐藻胶、海藻酸盐，通常源 自大型海生褐藻植物；可从中提取出天然多糖碳水化合物，如，海藻酸： (C₆H₇O₆H)n及其盐类。近年来一些研究发现，藻酸盐除天然源自海带、巨藻等褐 藻之外，自然界中有两大类细菌即假单胞菌属(Pseudomonas)和固氮菌属 (Azotobacter)的细菌也能够生物合成藻酸盐。甚至，一些淡水微藻亦有可能 生物合成藻酸盐。

藻酸盐作为一种高价值的生物聚合物，在食品、医药卫生、日用化学品、 纺织以及生物技术等领域，具有广泛的应用和极高的经济价值。针对本专利所 涉及的污水处理领域，藻酸盐亦有广泛的应用。其分子结构中含有大量羧酸基、 羟基等极性基团，它们可与重金属离子结合，从而将重金属从污/废水中有效分 离。亦可以作为良好的水处理絮凝剂和细胞固定化载体材料。因其对人体及皮 肤无毒、无刺激，易生物降解，可以称之为一种绿色、可持续高分子材料。

目前，藻酸盐的生产主要从海带、巨藻等海洋褐藻中提取，但其生产成本 高，藻酸盐成份不可调控、易受季节影响，且其生产废水容易对环境造成污染。 而且，利用假单胞菌属和固氮菌属细菌生物合成藻酸盐，纯种培养这两类细菌， 需要消耗大量的有机营养生产原料，这使得生产成本大幅度提高。据统计，每 生产1吨藻胶及碘等产品需要1200多吨淡水和大量煤炭、酸、碱等，所产生的 废水很难回收利用，大部分都直接排放。

在生产藻酸钠的工艺中，将排放大量的生产废水，其中含有糖胶、色素、 纤维素等有机物，以及大量的杂质离子(如Na⁺、Ca²⁺、CI^-等)。如果排放前不采 用任何工艺处理，会对海洋环境造成危害，引起海水水质恶化。这些因素导致 传统藻酸盐生产工艺的进一步推广应用，面临瓶颈问题。有介于此，研究开发 人员尝试利用假单胞菌属和固氮菌属细菌生物合成藻酸盐。以续批式发酵和连 续培养生产工艺方式，通过生物工程技术调控细菌产藻酸盐的特性，优化培养 条件，稳定产胶能力；从而，生物合成各种具有特定结构性能的藻酸盐。然而， 纯种培养这两类细菌，需要消耗大量的有机营养生产原料，这使得生产成本大 幅度提高。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于解决现有技术的 缺陷，本发明提供一种污水处理过程中合成藻酸盐的方法和设备，在实现污水 净化的同时，不仅回收中水资源，而且生产藻酸盐。

本发明提供了一种污水处理过程中合成藻酸盐的方法，包括以下步骤：

S1：将污水排放至微生物反应器中，在适宜的环境条件下，经微生物的新 陈代谢作用，有机污染物被降解，并且微生物分泌藻酸盐；

S2：含有大量藻酸盐的微生物反应器中的泥水，流入至碱洗溶解反应器中；

S3：含有可溶性藻酸盐的碱洗溶解反应器中的泥水，流入至超滤膜组件中， 溶解性藻酸盐溶液经超滤膜组件分离后，出水作为中水回收利用，而藻酸盐溶 液被浓缩，进入后续藻酸盐提取工艺中。

可选的，所述含有可溶性藻酸盐的碱洗溶解反应器中的泥水先流入至分置 式微滤膜组件中，之后再流入至超滤膜组件中，分置式微滤膜组件用于截留从 碱洗溶解反应器流出泥水中的含微生物细胞体及其碎片与无机颗粒。

可选的，所述碱洗溶解反应器中设置有一体式微滤膜组件，用于截留碱洗 溶解反应器中微生物细胞体及其碎片与无机颗粒。

可选的，所述分置式微滤膜组件和一体式微滤膜组件分离得到的微生物细 胞体及其碎片与无机颗粒的高浓度悬浊液作为残留物排出。

可选的，所述步骤S1中还包括向碱洗溶解反应器中加入NaOH、KOH或Na₂CO₃强碱，以调整反应器中pH值，使碱洗溶解反应器中以非溶解态存在的藻酸盐与 褐藻酸转变成可溶的藻酸盐。

可选的，所述步骤S2中的碱洗溶解反应器中，经重力沉降作用，含微生 物细菌的沉淀物，一部分回流至微生物反应器中，从而调节其中的微生物量； 一部分作为残留物排出。

可选的，所述步骤S1中的污水包括市政管网排放的污水，或工业生产排 放的含可生物降解有机物的废水。

本发明还提供一种污水处理过程中合成藻酸盐的设备，包括微生物反应 器、碱洗溶解反应器以及超滤膜组件，所述碱洗溶解反应器分别与所述微生物 反应器和所述超滤膜组件相连通。

可选的，还包括分置式微滤膜组件，所述分置式微滤膜组件分别与碱洗溶 解反应器和所述超滤膜组件相连通。

可选的，还包括一体式微滤膜组件，所述一体式微滤膜组件设置在所述碱 洗溶解反应器中，所述一体式微滤膜组件与所述超滤膜组件相连通。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明使用的有机营养物来源于污水，变废为宝，节省生产原料成本；

2、不仅不产生生产废水，而且将污水中有机污染转化成高回收价值的藻 酸盐，同时污水得以处理，实现环境保护；

3、通过微生物混合菌种培养生物工程技术，在假单胞菌属和固氮菌属细 菌为优势菌的环境下，定向调控合成特定分子量与结构的藻酸盐，不受季节等 自然环境条件的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的污水处理过程中合成藻酸盐的方法的工艺流 程图；

图2为本发明实施例2提供的污水处理过程中合成藻酸盐的方法的工艺流 程图；

图3为本发明实施例3提供的污水处理过程中合成藻酸盐的设备的结构示 意图；

图4为本发明实施例4提供的污水处理过程中合成藻酸盐的设备的结构示 意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附 图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保 护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施 例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基 于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是 指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三” 仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定 连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连 接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的 连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。

下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，为本发明实施例1提供的一种污水处理过程中合成藻酸盐的 方法，包括以下步骤：

第一步：污水排放至微生物反应器1中，在适宜的环境条件下，经微生物 的新陈代谢作用，有机污染物被降解，并且微生物分泌藻酸盐；上述的微生物 反应器1，与污水处理领域曝气池类似，但微生物、有机污染物质、水等构成 的混合物体系并不限于普通的活性污泥，亦可以为絮凝污泥与颗粒污泥，甚至 为添加了填料的生物膜。由前述藻酸盐的来源可知，关键的技术点为该微生物 反应体系中必须含有能分泌藻酸盐的假单胞菌属或固氮菌属细菌。而该两种菌 属存在并大量分泌藻酸盐的条件有赖于反应器的培养环境条件，如溶解氧量、 pH值、微量元素含量、营养成分等。值得说明的是，本发明所述的污水不限于 市政管网排放的污水，也可以为工业生产排放的含可生物降解有机物的废水。 因此，该微生物反应器的作用即为，以污水中有机污染物为营养物，培养能够 分泌大量藻酸盐的以假单胞菌属与固氮菌属细菌为优势菌群的微生物菌群；

第二步：含有大量藻酸盐的微生物反应器1中的泥水，其中含有的藻酸盐 主要为非溶解态，如絮凝污泥、颗粒污泥等，流入至碱洗溶解反应器2。在微 生物反应器1中生物合成的一部分藻酸盐，有可能以非溶解性的盐存在如钙盐、 镁盐、铁盐等，或者吸附于细胞体及其碎片与无机颗粒表面；如果微生物反应 器1呈酸性，则有一部分藻酸盐可能转化成不溶于水的褐藻酸。为了提高后续 膜组件分离提纯藻酸盐的回收率，向碱洗溶解反应器2中加入NaOH、KOH或 Na₂CO₃等强碱，以调整反应器中pH值，使非溶解态的藻酸盐与褐藻酸转变成可 溶的藻酸盐，如藻酸钠、藻酸钾等。碱洗溶解反应器2中，经重力沉降作用， 含微生物细菌的沉淀物，一部分回流至微生物反应器2中，从而调节其中的微 生物量；一部分作为残留物排出；

第三步：含可溶性藻酸盐的碱洗溶解反应器2中的泥水，其中含有的藻酸 盐为溶解态，流入至分置式微滤膜组件3。碱洗溶解反应器2中的泥水中不仅 含有待回收的藻酸盐，亦含有微生物细胞体及其碎片与无机颗粒，这些悬浮物 质的大小一般大于1.0μm，所以采用微滤膜(其截留孔径一般为0.1～1.0μm) 几乎能够完全截留去除，而藻酸盐和水则能通过微滤膜。微滤膜孔径根据具体 工程实际中悬浮物质大小而定；

第四步：去除了微生物细胞体及其碎片与无机颗粒的，含溶解性藻酸盐的 分置式微滤膜组件3滤出液，流入至超滤膜组件4。藻酸盐溶液经超滤膜组件4 分离后，出水作为中水回收利用；而藻酸盐溶液被浓缩，进入后续藻酸盐提取 工艺，如可以采用钙凝-酸化法分离提纯藻酸盐。例如，市售藻酸钠分子量一般 为1.2～19万道尔顿，对应的宏观尺寸大约为0.005～0.05μm，而超滤膜孔径 一般为0.001～0.02μm；因此，选择的超滤膜孔径应根据具体工程实际中浓缩 分离的藻酸盐分子量大小而定。

实施例2

图2所示，为本发明实施例2提供的一种污水处理过程中合成藻酸盐的方 法，包括以下步骤：

第一步：污水排放至微生物反应器1中，在适宜的环境条件下，经微生物 的新陈代谢作用，有机污染物被降解，并且微生物分泌藻酸盐；上述的微生物 反应器1，与污水处理领域曝气池类似，但微生物、有机污染物质、水等构成 的混合物体系并不限于普通的活性污泥，亦可以为絮凝污泥与颗粒污泥，甚至 为添加了填料的生物膜。由前述藻酸盐的来源可知，关键的技术点为该微生物 反应体系中必须含有能分泌藻酸盐的假单胞菌属或固氮菌属细菌。而该两种菌 属存在并大量分泌藻酸盐的条件有赖于反应器的培养环境条件，如溶解氧量、 pH值、微量元素含量、营养成分等。值得说明的是，本发明所述的污水不限于 市政管网排放的污水，也可以为工业生产排放的含可生物降解有机物的废水。 因此，该微生物反应器的作用即为，以污水中有机污染物为营养物，培养能够 分泌大量藻酸盐的以假单胞菌属与固氮菌属细菌为优势菌群的微生物菌群；

第二步：含有大量藻酸盐的微生物反应器1中的泥水，其中含有的藻酸盐 主要为非溶解态，如絮凝污泥、颗粒污泥等，流入至碱洗溶解反应器2。在微 生物反应器1中生物合成的一部分藻酸盐，有可能以非溶解性的盐存在如钙盐、 镁盐、铁盐等，或者吸附于细胞体及其碎片与无机颗粒表面；如果微生物反应 器1呈酸性，则有一部分藻酸盐可能转化成不溶于水的褐藻酸。为了提高后续 膜组件分离提纯藻酸盐的回收率，向碱洗溶解反应器2中加入NaOH、KOH或、 Na₂CO₃等强碱，以调整反应器中pH值，使非溶解态的藻酸盐与褐藻酸转变成可 溶的藻酸盐，如藻酸钠、藻酸钾等。碱洗溶解反应器2中，经重力沉降作用， 含微生物细菌的沉淀物，一部分回流至微生物反应器2中，从而调节其中的微 生物量；一部分作为残留物排出；

第三步：含可溶性藻酸盐的碱洗溶解反应器2中的泥水，其中含有的藻酸 盐为溶解态，此实施例中，微滤膜组件浸没于碱洗溶解反应器2中，如图2所 示，即为一体式微滤膜组件5；从而节省生产工艺的占地面积；实施例2与实 施例1相比，除了微滤膜组件的连接形式不同，其他均一致；一体式微滤膜组 件5分离得到的含微生物细胞体及其碎片与无机颗粒高浓度悬浊液作为残留物 排出；

第四步：去除了微生物细胞体及其碎片与无机颗粒的，含溶解性藻酸盐的 一体式微滤膜组件5滤出液，流入至超滤膜组件4。溶解性藻酸盐溶液经超滤 膜组件4分离后，出水作为中水回收利用；而藻酸盐溶液被浓缩，进入后续藻 酸盐提取工艺，如可以采用钙凝-酸化法分离提纯藻酸盐。例如，市售藻酸钠分 子量一般为1.2～19万道尔顿，对应的宏观尺寸大约为0.005～0.05μm，而超 滤膜孔径一般为0.001～0.02μm；因此，选择的超滤膜孔径应根据具体工程实 际中浓缩分离的藻酸盐分子量大小而定。

需要说明的是，本发明工艺不限于污水处理过程中生物合成藻酸盐的回 收；由于藻酸盐为一种多糖类胞外聚合物(ExtracellularPolymeric Substances,EPS)，因此其他的多糖、蛋白质、核酸、脂类等生物大分子物质， 亦适合本发明之工艺流程；不同的是，微生物反应器1中微生物菌群以及培养 环境条件、碱洗溶解反应器2的反应条件、分置式微滤膜组件3和一体式微滤 膜组件5中微滤膜孔径、以及超滤膜组件4中超滤膜孔径。另外，本发明还适 应于以污水为有机营养物，培养海洋褐藻或淡水微藻生物合成藻酸盐。

实施例3

如图3所示，为本发明实施例3提供的一种污水处理过程中合成藻酸盐的 设备，包括微生物反应器1、碱洗溶解反应器2以及超滤膜组件4，碱洗溶解反 应器分别与微生物反应器和超滤膜组件相连通；还包括分置式微滤膜组件3， 分置式微滤膜组件分别与碱洗溶解反应器和超滤膜组件相连通。

实施例4

如图4所示，为本发明实施例4提供的一种污水处理过程中合成藻酸盐的 设备，包括微生物反应器1、碱洗溶解反应器2以及超滤膜组件4，碱洗溶解反 应器分别与微生物反应器和超滤膜组件相连通；还包括一体式微滤膜组件5， 一体式微滤膜组件设置在碱洗溶解反应器中，一体式微滤膜组件与超滤膜组件 相连通。

本专利突出优点如下：

1、节省生产原料成本。与微生物纯种培养生产藻酸盐不同，本发明专利 采用的有机营养物来源于污水，在污水处理的过程中，培养能大量分泌藻酸盐 的以假单胞菌属与固氮菌属细菌为优势菌种的混合微生物体系。因此，不需要 外来营养原料的添加。

2、实现环境保护与水资源回收。传统的从海带、巨藻等海洋褐藻中提取 藻酸盐生产工艺，必将产生大量的生产废水，然而，本发明专利以污水中有机 污染物为营养源，在藻酸盐生产的过程中，不仅回收高价值的藻酸盐，而且经 超滤膜组件的出水，可以作为中水回收利用。

3、定向调控合成特定分子量与结构的藻酸盐。传统的从海带、巨藻等海 洋褐藻中提取藻酸盐生产工艺中，褐藻生长容易受季节等自然环境条件的影响， 然而本发明专利采用微生物混合菌种培养生物工程技术，通过调节合适的环境 条件，培养能分泌特定藻酸盐的以假单胞菌属与固氮菌属细菌为优势菌种的混 合微生物体系。

4、微生物反应器中微生物存在形态，不局限于污水处理领域中的活性污 泥、生物膜、好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥中的哪一种，而是以能生物合成藻 酸盐的假单胞菌属与固氮菌属细菌为主要菌群的混合微生物反应系统。

5、本发明实施例提供的碱洗溶解反应器中，不限于在反应器中添加强碱， 只要能将反应器中的非溶解性胞外分泌物转化为溶解态、且不破坏胞外分泌物 的分子结构的物质都可以作为添加物。

6、本发明实施例中采用的分置式微滤膜组件和一体式微滤膜组件中微滤 膜孔径的大小，根据实际工程中待去除的细胞体及其碎片与无机颗粒的尺寸选 定。

7、本发明实施例中采用的超滤膜组件中超滤膜孔径的大小，根据实际工 程中待浓缩提纯的胞外多聚物分子量而选定。

本发明实施例提供的污水处理过程中合成藻酸盐的方法以及设备，不仅适 用于藻酸盐，而且能够用于其他的EPS回收，如多糖、多糖、蛋白质、核酸、 脂类等胞外分泌的生物大分子物质；以污水为有机营养源，培养的微生物与藻 类不限于本发明所述之假单胞菌属与固氮菌属细菌、巨型海洋褐藻类、淡水微 藻，其他的只要是以污水为营养源生产藻酸盐的方法与工艺都属于本发明的范 围；微生物反应器中微生物存在形态，不局限于污水处理领域中的活性污泥、 生物膜、好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥中的哪一种，而是以能生物合成藻酸盐 的假单胞菌属与固氮菌为主要菌群的混合微生物反应系统。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应 技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。