公布日：2024.03.22

申請(qǐng)日：2023.11.23

分類號(hào)：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

本發(fā)明公開(kāi)了一種微藻膜生物反應(yīng)器及其在污水脫氮除磷處理中的應(yīng)用，包括反應(yīng)器主體，所述的反應(yīng)器主體內(nèi)設(shè)有微濾膜組件及懸浮型生物填料，并接種有微藻；反應(yīng)器主體內(nèi)的底部設(shè)有曝氣裝置；所述的反應(yīng)器主體為透明材質(zhì)，反應(yīng)器主體外部設(shè)有光源；所述的反應(yīng)器主體的頂部與進(jìn)水管路連通，進(jìn)水管路上設(shè)有進(jìn)水泵；所述微濾膜組件的頂部與出水管路連通，出水管路上設(shè)有出水泵；所述的懸浮型生物填料為負(fù)載了蟹殼粉的絲瓜絡(luò)。本發(fā)明在微藻膜生物反應(yīng)器中采用懸浮型生物填料和微濾膜組件結(jié)合的方式對(duì)微藻進(jìn)行懸浮固定培養(yǎng)，減少了微藻的堆積和聚集，擴(kuò)大了微藻與污水的接觸面積，可顯著加速微藻對(duì)污水中氮磷的去除。

權(quán)利要求書(shū)

1.一種微藻膜生物反應(yīng)器，其特征是，包括反應(yīng)器主體，所述的反應(yīng)器主體內(nèi)設(shè)有微濾膜組件及懸浮型生物填料，并接種有微藻；反應(yīng)器主體內(nèi)的底部設(shè)有曝氣裝置；所述的反應(yīng)器主體為透明材質(zhì)，反應(yīng)器主體外部設(shè)有光源；所述的反應(yīng)器主體的頂部與進(jìn)水管路連通，進(jìn)水管路上設(shè)有進(jìn)水泵；所述微濾膜組件的頂部與出水管路連通，出水管路上設(shè)有出水泵；所述的懸浮型生物填料為負(fù)載了蟹殼粉的絲瓜絡(luò)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微藻膜生物反應(yīng)器，其特征是，所述的微藻為蛋白核小球藻；微藻的接種量為反應(yīng)器主體有效容積的5~15%。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微藻膜生物反應(yīng)器，其特征是，所述的微濾膜組件為簾式聚偏氟乙烯中空纖維膜組件，膜孔徑為0.01~0.1μm，膜通量5~20L/(m2·h)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微藻膜生物反應(yīng)器，其特征是，所述懸浮型生物填料的制備方法為：A）將蟹殼清洗、粉碎、過(guò)篩后分別用氫氧化鈉溶液和雙氧水對(duì)其進(jìn)行處理，清洗并干燥后得到粒徑為100~500目的預(yù)處理后的蟹殼粉；B）將絲瓜絡(luò)剪切成4~5cm的小段，分別在去離子水和氫氧化鈉溶液中浸泡后清洗、干燥得到預(yù)處理后的絲瓜絡(luò)；C）將預(yù)處理后的蟹殼粉加入去離子水中，分散均勻后向分散液中加入多巴胺，攪拌均勻后加入Tris-HCl緩沖液將體系pH調(diào)節(jié)至8.0~8.5，攪拌均勻后得到反應(yīng)液；D）將預(yù)處理后的絲瓜絡(luò)浸漬在反應(yīng)液中，振蕩反應(yīng)6~12h后將絲瓜絡(luò)取出烘干，得到負(fù)載了蟹殼粉的絲瓜絡(luò)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微藻膜生物反應(yīng)器，其特征是，步驟C）中預(yù)處理后的蟹殼粉和多巴胺的質(zhì)量比為4~5:1；步驟D）中預(yù)處理后的絲瓜絡(luò)與反應(yīng)液中的蟹殼粉的質(zhì)量比為2~3:1。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或4或5所述的微藻膜生物反應(yīng)器，其特征是，所述懸浮型生物填料的投料體積為反應(yīng)器主體有效容積的10~30%。

7.一種如權(quán)利要求1~6任一所述的微藻膜生物反應(yīng)器在污水脫氮除磷處理中的應(yīng)用，其特征是，包括如下步驟：（1）微藻種子液的制備：將微藻接種在培養(yǎng)基中進(jìn)行光照培養(yǎng)，取處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期的藻液作為微藻種子液；（2）微藻掛膜：在微藻膜生物反應(yīng)器中加入培養(yǎng)基，將微藻種子液接入微藻膜生物反應(yīng)器中，并加入混合營(yíng)養(yǎng)液，光照曝氣培養(yǎng)8~12d進(jìn)行掛膜；（3）微藻生物膜的馴化：掛膜后在6~7d內(nèi)用待處理污水置換微藻膜生物反應(yīng)器中的培養(yǎng)基，并繼續(xù)進(jìn)行光照曝氣培養(yǎng)，全部置換后再穩(wěn)定培養(yǎng)1~3d，完成馴化；（4）污水脫氮除磷處理：將待處理污水加入經(jīng)馴化后的微藻膜生物反應(yīng)器內(nèi)，在光照和曝氣條件下進(jìn)行脫氮除磷處理。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征是，步驟（1）和步驟（2）中使用的培養(yǎng)基為BG-11培養(yǎng)基；步驟（2）中使用的混合培養(yǎng)液中包括葡萄糖、尿素及磷酸二氫鉀，加入的葡萄糖、尿素及磷酸二氫鉀在培養(yǎng)基中的濃度分別為7.0~9.0g/L，1.0~2.0g/L，70~80mg/L。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征是，步驟（1）中的光照培養(yǎng)條件為：培養(yǎng)溫度27~29℃，光照強(qiáng)度2300~2500Lux。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征是，步驟（2）和步驟（3）中光照曝氣培養(yǎng)時(shí)的光照強(qiáng)度為2000~2200Lux；光照周期為10~14h光照，14~10h黑暗；曝氣量為1~3L/m3；步驟（4）中的光照和曝氣條件與步驟（2）和（3）中相同。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的微藻膜生物反應(yīng)器存在的上述問(wèn)題，提供一種微藻膜生物反應(yīng)器及其在污水脫氮除磷處理中的應(yīng)用，在微藻膜生物反應(yīng)器中采用懸浮型生物填料和微濾膜組件結(jié)合的方式對(duì)微藻進(jìn)行懸浮固定培養(yǎng)，減少了微藻的堆積和聚集，擴(kuò)大了微藻與污水的接觸面積，可顯著加速微藻對(duì)污水中氮磷的去除。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種微藻膜生物反應(yīng)器，包括反應(yīng)器主體，所述的反應(yīng)器主體內(nèi)設(shè)有微濾膜組件及懸浮型生物填料，并接種有微藻；反應(yīng)器主體內(nèi)的底部設(shè)有曝氣裝置；所述的反應(yīng)器主體為透明材質(zhì)，反應(yīng)器主體外部設(shè)有光源；所述的反應(yīng)器主體的頂部與進(jìn)水管路連通，進(jìn)水管路上設(shè)有進(jìn)水泵；所述微濾膜組件的頂部與出水管路連通，出水管路上設(shè)有出水泵；所述的懸浮型生物填料為負(fù)載了蟹殼粉的絲瓜絡(luò)。

本發(fā)明在反應(yīng)器主體內(nèi)同時(shí)設(shè)置微濾膜組件及懸浮型生物填料，由負(fù)載了蟹殼粉的絲瓜絡(luò)制成的懸浮型生物填料具有低的密度、大的比表面積和良好的生物親和性，在曝氣裝置產(chǎn)生的氣流作用下可懸浮于反應(yīng)器內(nèi)，充分吸附反應(yīng)器內(nèi)的懸浮微藻，將微藻固定在其表面形成微藻生物膜，懸浮固定培養(yǎng)微藻有助于促進(jìn)反應(yīng)器中微藻的光合作用，可提升微藻的生長(zhǎng)能力及對(duì)污水的凈化能力，并減少了微藻的堆積和聚集，擴(kuò)大了微藻與污水的接觸面積，有助于微藻快速攝取污水中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并加速其在體內(nèi)的積累和轉(zhuǎn)化，可顯著加速微藻對(duì)污水中氮磷的去除。反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，污水從頂部進(jìn)入反應(yīng)器主體內(nèi)，在反應(yīng)器主體外部光源的光照作用下，微藻生物膜會(huì)進(jìn)行光合作用對(duì)污水進(jìn)行凈化，去除污水中的氮、磷、COD等污染物，處理后的污水透過(guò)微濾膜組件，通過(guò)出水管路流出反應(yīng)器。由于微藻生物膜的新陳代謝作用，會(huì)有老化的微藻生物膜脫落，微濾膜組件的設(shè)置有助于富集脫落的微藻生物膜，避免衰老、死亡后的藻細(xì)胞滯留在反應(yīng)器中對(duì)光照進(jìn)行遮擋，從而對(duì)微藻生物膜的光合作用造成影響。

因此，本發(fā)明中的微藻膜生物反應(yīng)器對(duì)微藻進(jìn)行懸浮固定培養(yǎng)，顯著提升了對(duì)污水中氮磷的去除效率；且添加的微濾膜組件有助于富集和清理在污水處理中脫落的微藻生物膜，避免衰老、死亡后的藻細(xì)胞削弱反應(yīng)器處理效果，使反應(yīng)器對(duì)污水中的COD、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)和總磷(TP)均表現(xiàn)出優(yōu)異的脫除效果。

作為優(yōu)選，所述的微藻為蛋白核小球藻；微藻的接種量為反應(yīng)器主體有效容積的5～15％。

作為優(yōu)選，所述的微濾膜組件為簾式聚偏氟乙烯中空纖維膜組件，膜孔徑為0.01～0.1μm，膜通量5～20L/(m2·h)。

作為優(yōu)選，所述懸浮型生物填料的制備方法為：A)將蟹殼清洗、粉碎、過(guò)篩后分別用氫氧化鈉溶液和雙氧水對(duì)其進(jìn)行處理，清洗并干燥后得到粒徑為100～500目的預(yù)處理后的蟹殼粉；B)將絲瓜絡(luò)剪切成4～5cm的小段，分別在去離子水和氫氧化鈉溶液中浸泡后清洗、干燥得到預(yù)處理后的絲瓜絡(luò)；C)將預(yù)處理后的蟹殼粉加入去離子水中，分散均勻后向分散液中加入多巴胺，攪拌均勻后加入Tris-HCl緩沖液將體系pH調(diào)節(jié)至8.0～8.5，攪拌均勻后得到反應(yīng)液；D)將預(yù)處理后的絲瓜絡(luò)浸漬在反應(yīng)液中，振蕩反應(yīng)6～12h后將絲瓜絡(luò)取出烘干，得到負(fù)載了蟹殼粉的絲瓜絡(luò)。

本發(fā)明中的懸浮型生物填料制備過(guò)程中，先通過(guò)步驟A)對(duì)蟹殼中的蛋白質(zhì)、脂肪等進(jìn)行去除，并對(duì)其進(jìn)行脫色，可使預(yù)處理后的蟹殼粉具有良好的吸附性能，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)加工副產(chǎn)品的重新利用；然后通過(guò)步驟B)用堿液對(duì)絲瓜絡(luò)進(jìn)行預(yù)處理，可提升絲瓜絡(luò)表面的親水性并提升其比表面積；最后在步驟C)和步驟D)中，通過(guò)多巴胺在蟹殼粉和絲瓜絡(luò)表面的自聚反應(yīng)，利用聚多巴胺將蟹殼粉負(fù)載在絲瓜絡(luò)表面，聚多巴胺具有優(yōu)異的粘附性，可將蟹殼粉牢固附著在絲瓜絡(luò)表面；同時(shí)聚多巴胺也可提升蟹殼粉及絲瓜絡(luò)表面的親水性，有利于提升懸浮型生物填料與微藻的親和性，使微藻生物膜更易在其表面附著和生長(zhǎng)。負(fù)載了蟹殼粉后，可進(jìn)一步增大絲瓜絡(luò)的比表面積，并提升其表面粗糙度，有利于微藻的吸附和負(fù)載，表面的微藻生物膜不易脫落；同時(shí)，蟹殼粉、絲瓜絡(luò)及聚多巴胺均具有較好的生物相容性，有利于微藻在懸浮型生物填料表面的吸附和生長(zhǎng)。

作為優(yōu)選，步驟A)中氫氧化鈉溶液的質(zhì)量濃度為5～10％，用氫氧化鈉溶液處理時(shí)，蟹殼粉與氫氧化鈉溶液的質(zhì)量比為1:5～10，處理溫度70～80℃，處理時(shí)間1～3h；雙氧水的質(zhì)量濃度為25～30％，用雙氧水處理時(shí)，蟹殼粉與雙氧水的質(zhì)量比為1:5～10，處理溫度40～60℃，處理時(shí)間1～3h。

作為優(yōu)選，步驟B)中在去離子水中的浸泡時(shí)間為1～3h；氫氧化鈉溶液的質(zhì)量濃度為5～10％，在氫氧化鈉溶液中的浸泡時(shí)間為1～3h。

作為優(yōu)選，步驟C)中多巴胺在分散液中的濃度為2～4mg/mL。

作為優(yōu)選，步驟C)中預(yù)處理后的蟹殼粉和多巴胺的質(zhì)量比為4～5:1；步驟D)中預(yù)處理后的絲瓜絡(luò)與反應(yīng)液中的蟹殼粉的質(zhì)量比為2～3:1。

作為優(yōu)選，所述懸浮型生物填料的投料體積為反應(yīng)器主體有效容積的10～30％。

本發(fā)明還提供了一種上述微藻膜生物反應(yīng)器在污水脫氮除磷處理中的應(yīng)用，包括如下步驟：(1)微藻種子液的制備：將微藻接種在培養(yǎng)基中進(jìn)行光照培養(yǎng)，取處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期的藻液作為微藻種子液；(2)微藻掛膜：在微藻膜生物反應(yīng)器中加入培養(yǎng)基，將微藻種子液接入微藻膜生物反應(yīng)器中，并加入混合營(yíng)養(yǎng)液，光照曝氣培養(yǎng)8～12d進(jìn)行掛膜；(3)微藻生物膜的馴化：掛膜后在6～7d內(nèi)用待處理污水置換微藻膜生物反應(yīng)器中的培養(yǎng)基，并繼續(xù)進(jìn)行光照曝氣培養(yǎng)，全部置換后再穩(wěn)定培養(yǎng)1～3d，完成馴化；(4)污水脫氮除磷處理：將待處理污水加入經(jīng)馴化后的微藻膜生物反應(yīng)器內(nèi)，在光照和曝氣條件下進(jìn)行脫氮除磷處理。

作為優(yōu)選，步驟(1)和步驟(2)中使用的培養(yǎng)基為BG-11培養(yǎng)基。

作為優(yōu)選，步驟(2)中使用的混合培養(yǎng)液中包括葡萄糖、尿素及磷酸二氫鉀，加入的葡萄糖、尿素及磷酸二氫鉀在培養(yǎng)基中的濃度分別為7.0～9.0g/L，1.0～2.0g/L，70～80mg/L。本發(fā)明在微藻掛膜過(guò)程中加入混合培養(yǎng)液，以葡萄糖作為碳源，尿素作為氮源，磷酸二氫鉀作為磷源，與光合自養(yǎng)相比，在混合營(yíng)養(yǎng)條件下固定化培養(yǎng)，可增加微藻細(xì)胞數(shù)量，提升其對(duì)污水的脫氮除磷效率。

作為優(yōu)選，步驟(1)中的光照培養(yǎng)條件為：培養(yǎng)溫度27～29℃，光照強(qiáng)度2300～2500Lux。

作為優(yōu)選，步驟(2)和步驟(3)中光照曝氣培養(yǎng)時(shí)的光照強(qiáng)度為2000～2200Lux；光照周期為10～14h光照，14～10h黑暗；曝氣量為1～3L/m3；步驟(4)中的光照和曝氣條件與步驟(2)和(3)中相同。

因此，本發(fā)明具有如下有益效果：(1)本發(fā)明中的微藻膜生物反應(yīng)器通過(guò)懸浮生物填料對(duì)微藻進(jìn)行懸浮固定培養(yǎng)，減少了微藻的堆積和聚集，擴(kuò)大了微藻與污水的接觸面積，顯著提升了氮磷去除效率；(2)本發(fā)明中的微藻膜生物反應(yīng)器中的微濾膜組件有助于富集和清理在污水處理中脫落的微藻生物膜，避免衰老、死亡后的藻細(xì)胞削弱反應(yīng)器處理效果，可進(jìn)一步提升對(duì)污水中污染物的去除效果；(3)懸浮型生物填料采用負(fù)載了蟹殼粉的絲瓜絡(luò)，通過(guò)多巴胺在蟹殼粉和絲瓜絡(luò)表面的自聚反應(yīng)，利用聚多巴胺將蟹殼粉負(fù)載在絲瓜絡(luò)表面，有利于微藻在懸浮型生物填料表面的吸附和生長(zhǎng)，表面的微藻生物膜不易脫落。

（發(fā)明人：楊會(huì)成;張習(xí)汝;李瑞雪;徐珊;彭虹輝;袁嘉琪;鮑晶晶）