申请日2015.08.12
公开(公告)日2015.11.18
IPC分类号C02F3/32; C02F3/02
摘要
本发明公开了一种光合生物自生O2代替传统曝气的废水处理方法，是使用预培养获得或从培养体系中收获的光合生物细胞如微藻，加入到改造后的氧化曝气装置中，使之达到一定的比例，然后通过光合生物的光合作用产生并分泌微小的O2气泡，交给光合生物-菌共生体系中的其他微生物用于生长和代谢。本发明方法与机械搅拌和鼓气带来大气泡的过程相比的优点：1.温和、节能、高效。2.减少了CO2排放，原本需要排放到大气中的CO2回收并经光合作用固定成生物质。3.环境友好。在基本不改变现有的传统工艺的条件下，减少排出水中的碳氮磷营养盐浓度，减少接纳排出水的天然水体的富营养化。
权利要求书
1.一种光合生物自生O2代替传统曝气的 废水处理方法，其特征在于，是 使用预培养获得或从培养体系中收获的光合生物细胞如微藻，加入到改造后的 氧化曝气装置中，使之达到一定的比例，然后通过光合生物的光合作用产生并 分泌微小的O2气泡，交给光合生物-菌共生体系中的其他微生物用于生长和代 谢;
所述改造后的氧化曝气装置由蓄电池(1)、光伏板(2)、电脑自动控制系 统(3)、第一光源(4-1)、第二光源(4-2)、未灭菌的废水、光合生物和菌进 水管(5);处理后的水出口管(6)、pH电极(7)、OD电极(8)、溶氧电极(9)、 磷酸根电极(10)、氨氮/硝酸根电极(11)、无机碳电极(12)、光强电极(13)、 曝气池(内含废水，光合生物和菌)(14)、微泡发生装置(15)、流量计(16)、 阀门(17)、减压阀(18)、CO2/混合空气/烟气或其他混合气瓶(19)组成;
所述曝气池(14)内有废水、光合生物和菌，未灭菌的废水进水管(5) 从曝气池(14)上插入曝气池(1)中;所述处理后的水出口管(6)从曝气池 14上插入曝气池(14)底部;
所述pH电极(7)、OD电极(8)、溶氧电极(9)、磷酸根电极(10)、氨 氮/硝酸根电极(11)、无机碳电极(12)和光强电极(13)并联置于曝气池(14) 内;
所述第一光源(4-1)设置在曝气池(14)顶部;所述第二光源(4-2)设 置在曝气池(14)侧面;所述微泡发生装置(15)设置在曝气池(14)底;
所述并联的pH电极(7)、OD电极(8)、溶氧电极(9)、磷酸根电极(10)、 氨氮/硝酸根电极(11)、无机碳电极(12)和光强电极(13)与所述电脑自动 控制系统(3)连接;
所述蓄电池(1)与光伏板(2)连接，蓄电池(1)分别与第一光源(4-1)、 第二光源(4-2)连接;
所述CO2/混合空气/烟气或其他混合气瓶(19)出口依次装有减压阀(18)、 阀门(17)、流量计(16)，流量计(16)与微泡发生装置(15)连接;
具体操作步骤如下：
1)将第一光源(4-1)设置在曝气池(14)顶部，第二光源(4-2)设置在曝气 池(14)侧面，调整距离，使光照强度达到1500Lux～5000Lux，形成光照曝 气池;
2)将待处理的未灭菌的废水通过未灭菌的废水、光合生物和菌进水管(5) 注入光照曝气池(14)内，然后通过未灭菌的废水、光合生物和菌进水管(5) 加入由预培养或回收步骤获得的光合生物，使光合生物与水中的微生物混合; 所述光合生物如小球藻属、栅藻属、蓝藻是海水或淡水藻类或光合细菌的一种 或多种;所述水中的微生物是非光合生物，以下称为菌;
3)蓄电池(1)与光伏板(2)连接，蓄电池(1)分别与第一光源(4-1)、 第二光源(4-2)连接，在光照条件下，曝气池(14)内的光合生物利用水中 的碳元素，进行光合作用释放O2;
4)光合生物释放的O2被菌摄取，用于生长和代谢，在有氧条件下，菌 能更充分地降解水中的有机物，并释放碳元素;
5)废水中有机物降解所释放碳元素，被光合生物进一步通过光合作用释 放更多O2，增加曝气池的溶解O2，促进光合生物和菌的生长、代谢、增殖，不 断增加曝气池中的各种生物数量。不断增多的光合生物和菌经过不断混合和相 互作用，最终形成具有小颗粒各种可观察形态的混合物;
6)将CO2/混合空气/烟气或其他混合气瓶(19)的气体通过减压阀(18)、 阀门(17)、流量计(16)，流量计(16)与微泡发生装置(15)连接，微泡发 生装置以微泡的形态进入含有光合生物-菌的曝气池中，一方面，在微泡状态 下，CO2可以更充分地溶解在水中，补充了光合作用的原料CO2;另一方面，微 泡上升过程中带动了液体上升，促进光合生物-菌的混合，避免形成过多沉淀 而减少参与水处理的光合生物-菌颗粒;
7)通过pH电极(7)、OD电极(8)、溶氧电极(9)、磷酸根电极(10)、 氨氮/硝酸根电极(11)、无机碳电极(12)和光强电极(13)与所述电脑自动 控制系统(3)连接，检测处理后的水的总氮、总磷等理化指标，以确定光照 曝气池达到传统机械搅拌曝气的效果，过滤收集光合生物-菌混合物，处理后 的水通过处理后的水出口管(6)进入其他工序，或达标排放。
说明书
一种光合生物自生O2代替传统曝气的废水处理方法及应用
技术领域
本发明属于环境保护领域，也可用于可再生生物能源领域，或者兼顾两个 领域。特别涉及一种光合生物用于废水处理的新工艺，改进了现有废水处理的 曝气阶段工艺。更具体地说，首先通过预培养获得光合生物细胞;然后将光合 生物投入改造过的曝气装置;在光照条件下，光合生物产生O2，并将O2分泌 到环境中;体系中的光合生物和其他微生物获得O2，加快生长和代谢;微生物 作用降解和吸收吸附污染物;总体来说，明显减少曝气阶段的能源需求。
背景技术
本发明涉及的光合生物属于能进行光合作用的、体积微小的水生植物和 (或)微生物，但是它们的光合效率、生长速度高于传统陆生植物，可以快速 合成和积累各种生物质，包括细胞、脂肪、维生素等细胞内容物，生物质经过 加工，可以用于工业、农业、食品等多个领域。其中，微藻(如小球藻等绿藻， 以及蓝藻)是目前培养技术较为成熟、应用前景明朗的光合生物。传统工艺将 微藻培养于无菌的人工培养基中，成本高，缺少经济竞争力。研究表明，一些 种属的微藻能够光合作用转化有机废水中的碳素，以及空气或烟气中的CO2， 释放O2。微藻生长、代谢还吸收吸附了废水中的氮磷营养盐，净化废水，减少 接纳排出水的天然水体的富营养化。
传统废水二级处理工艺中，氧化曝气是一个高耗能的过程，通过鼓气和机 械搅拌将O2输送到体系中，液质剧烈混合和巨大气泡破裂是整个工艺的特征。 因为O2的溶解度很低，由大气泡携带的O2在液体中停留的时间很短，不能被 充分交换进入液体中，因此就很难被微生物利用，大部分O2没有利用就散逸 到环境中，造成了能量和O2的浪费。而充足O2能促进微生物生长和代谢，保 证氧化曝气工艺的效果。尽管使用优化的空气或O2分布系统能部分改善O2的 传质效果，但不能明显降低能耗。
因此，急需开发一种高效的、节能减排的、经济可行的O2分布方法。经 过研究，利用微藻等光合生物的光合作用产生O2的微小气泡，提供给共生的 菌类用于生长和代谢，缩短了的O2传递过程，提高了微生物捕获和利用O2的 效率，并且可以利用光合生物对碳氮磷营养盐的吸收吸附作用，提高出水的品 质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光合生物自生O2代替传统曝气的废水处理方 法，通过引入一定比例的光合生物，由光合生物光合作用产生O2供光合生物- 菌共生体系利用，代替传统的机械法氧化曝气工艺，从而开发一种新型简单高 效、节能减排、成本较低的废水氧化曝气方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种光合生物自生O2代替传统曝气的废水处理方法，是使用预培养获得 或从培养体系中收获的光合生物(如微藻)细胞，加入到改造后的氧化曝气装 置中，使之达到一定的比例，然后通过光合生物的光合作用产生并分泌微小的 O2气泡，交给光合生物-菌共生体系中的其他微生物用于生长和代谢。
上述改造后的氧化曝气装置由蓄电池1、光伏板2、电脑自动控制系统3、 第一光源4-1、第二光源4-2、未灭菌的废水、光合生物和菌进水管5;处理 后的水出口管6、pH电极7、OD电极8、溶氧电极9、磷酸根电极10、氨 氮/硝酸根电极11、无机碳电极12、光强电极13、曝气池(内含废水，光合 生物和菌)14、微泡发生装置15、流量计16、阀门17、减压阀18、CO2/混 合空气/烟气或其他混合气瓶19组成。
所述曝气池14内有废水、光合生物和菌。未灭菌的废水进水管5从曝气 池14上插入曝气池1中。所述处理后的水出口管6从曝气池14上插入曝气池 14底部。
所述pH电极7、OD电极8、溶氧电极9、磷酸根电极10、氨氮/硝酸 根电极11、无机碳电极12和光强电极13并联置于曝气池14内。
所述第一光源4-1设置在曝气池14顶部。所述第二光源4-2设置在曝气 池14侧面。所述微泡发生装置15设置在曝气池14底。
所述并联的pH电极7、OD电极8、溶氧电极9、磷酸根电极10、氨 氮/硝酸根电极11、无机碳电极12和光强电极13与所述电脑自动控制系统3 连接。
所述蓄电池1与光伏板2连接，蓄电池1分别与第一光源4-1、第二光源 4-2连接。
所述CO2/混合空气/烟气或其他混合气瓶19出口依次装有减压阀18、阀 门17、流量计16，流量计16与微泡发生装置15连接。
具体操作步骤如下：
1.将第一光源4-1设置在曝气池14顶部，第二光源4-2设置在曝气池 14侧面。调整距离，使光照强度达到1500Lux～5000Lux，形成光照曝气池。
2.将待处理的未灭菌的废水、光合生物和菌通过未灭菌的废水、光合生 物和菌进水管5注入光照曝气池14内，然后通过未灭菌的废水、光合生物和 菌进水管5加入由预培养或回收步骤获得的光合生物，使光合生物与水中的微 生物混合。所述光合生物如小球藻属、栅藻属、蓝藻是海水或淡水藻类或光合 细菌的一种或多种;所述水中的微生物是非光合生物，以下称为菌。
3.通蓄电池1与光伏板2连接，蓄电池1分别与第一光源4-1、第二光 源4-2连接，在光照条件下，曝气池14内的光合生物利用水中的碳元素，进 行光合作用释放O2。
4.光合生物释放的O2被菌摄取，用于生长和代谢，在有氧条件下，菌能 更充分地降解水中的有机物，并释放碳元素。
5.废水中有机物降解所释放碳元素，被光合生物进一步通过光合作用释 放更多O2，增加曝气池的溶解O2，促进光合生物和菌的生长、代谢、增殖，不 断增加曝气池中的各种生物数量。不断增多的光合生物和菌经过不断混合和相 互作用，最终形成具有小颗粒各种可观察形态的混合物。
6.将CO2/混合空气/烟气或其他混合气瓶19的气体通过减压阀18、阀门 17、流量计16，流量计16与微泡发生装置15连接，微泡发生装置以微泡的 形态进入含有光合生物-菌的曝气池中。一方面，在微泡状态下，CO2可以更充 分地溶解在水中，补充了光合作用的原料CO2;另一方面，微泡上升过程中带 动了液体上升，促进光合生物-菌的混合，避免形成过多沉淀而减少参与水处 理的光合生物-菌颗粒。
7.通过pH电极7、OD电极8、溶氧电极9、磷酸根电极10、氨氮/ 硝酸根电极11、无机碳电极12和光强电极13与所述电脑自动控制系统3连 接，检测处理后的水的总氮、总磷等理化指标，以确定光照曝气池达到传统机 械搅拌曝气的效果，过滤收集光合生物-菌混合物，处理后的水通过处理后的 水出口管6进入其他工序，或达标排放。
本发明的优点：
1.温和高效。与机械搅拌和鼓气带来大气泡的过程相比，光合生物产生 O2的整个过程非常温和，没有机械剪切对细胞产生的伤害，而且新生O2体积小、 纯度高，被微生物就近利用的效率更高。
2.节能。不再需要传统工艺中的大功率机械搅拌和鼓气;在气候温暖和光 照充足的地区还可以进一步省下部分用于光照的能耗;
3.减排CO2。用含有CO2的空气及混合气，或工业废气产生液质循环混合 的微泡，不仅节约O2，而且将原本需要排放到大气中的CO2回收并经光合作用 固定成生物质。
4.环境友好。在基本不改变现有的传统工艺的条件下，减少排出水中的碳 氮磷营养盐浓度，减少接纳排出水的天然水体的富营养化。