污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法

　　申请日2018.02.02

　　公开(公告)日2018.08.17

　　IPC分类号C02F9/14; A23K10/12; A23K10/18; A23K20/147

　　摘要

　　一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法，属于水处理与资源化技术领域。通过厌氧消化单元降解污水中的有机物并生成甲烷与二氧化碳气体;通过纳滤膜分离单元截留厌氧消化单元出水中的大分子有害物质并透过氨氮小分子物质;在微生物蛋白生产单元中，通入厌氧消化单元产生的甲烷与二氧化碳气体，在微藻和甲烷氧化菌的相互作用下，将纳滤膜分离单元出水中的氨氮作为营养物质合成微生物蛋白，微藻利用二氧化碳作为碳源并通过光合作用产生氧气，而甲烷氧化菌以甲烷作为碳源并利用微藻产生的氧气，同时生成二氧化碳;三个单元相耦合，在纳滤膜分离单元中有效隔离了厌氧消化单元出水中的有害物质，保证后续微生物蛋白生产过程不受污染物的影响。

　　权利要求书

　　1.一种可回收污水中营养物质并合成微生物蛋白方法，其特征在于采用厌氧消化单元、纳滤膜分离单元、微生物蛋白生产单元相耦合的方式，实现污水中营养资源的低碳高效回收;

　　首先，通过厌氧消化单元降解污水中的有机物并生成甲烷与二氧化碳气体;进而，通过纳滤膜分离单元截留厌氧消化单元出水中的大分子有害物质并透过氨氮小分子物质;

　　最后，在微生物蛋白生产单元中，通入厌氧消化单元产生的甲烷与二氧化碳气体，在微藻和甲烷氧化菌的相互作用下，将纳滤膜分离单元出水中的氨氮作为营养物质合成微生物蛋白，其中，微藻利用二氧化碳作为碳源并通过光合作用产生氧气，而甲烷氧化菌以甲烷作为碳源并利用微藻产生的氧气，同时生成二氧化碳;由此，三个单元相耦合，在纳滤膜分离单元中有效隔离了厌氧消化单元出水中的有害物质，保证后续微生物蛋白生产过程不受污染物的影响;

　　在厌氧消化单元生产的甲烷与二氧化碳气体作为碳源，不断被微生物蛋白生产单元消耗，在整个系统中随产随用。

　　2.根据权利要求1所述的一种可回收污水中营养物质并合成微生物蛋白方法，其特征在于包括如下步骤：

　　步骤(1)、含有氨氮资源的污水，由水泵提供动力依次流经进水系统、厌氧消化单元和纳滤膜分离单元，再经调节装置，最后进入微生物蛋白生产单元;流经上述各单元后有机物和氨氮等污染物得到削减，最终由出水系统排出;在厌氧消化单元中首先实现有机物的厌氧分解和氨氮的释放，然后在纳滤膜分离单元中将氨氮透过而将大分子有害物质进行有效隔离;与此同时，厌氧消化单元产生的气体，经由储气及供气系统，进入微生物蛋白生产单元，进而在微生物蛋白生产单元中实现氨氮同化过程，在去除氨氮的同时合成微生物蛋白产品;

　　步骤(2)厌氧消化单元内以悬浮形式填充海绵载体，通过厌氧污泥接种并培养挂膜，在所形成的厌氧生物膜上富集产酸发酵菌和产甲烷菌，利用搅拌装置实现污水与挂膜载体的均匀混合，从而利用微生物作用，在厌氧条件(氧化还原电位低于-300mV)和中温条件(30-37摄氏度)下，将进水中的有机物分解并生成甲烷和二氧化碳;

　　步骤(3)、厌氧消化单元生成甲烷和二氧化碳气体，储存于储气及供气系统中，进而由供气泵提供动力，由气体流量计和压力表控制，将甲烷和二氧化碳气体供入微生物蛋白生产单元，作为微生物蛋白合成所需的碳源;当储气罐中的气压大于所设定的安全界限时，安全阀门开启，气体外排，并发出报警信号;

　　步骤(4)、厌氧消化单元的出水进入纳滤膜分离单元之后，由加压泵提供压力，水流从膜丝内部负压抽水汇集至出水管;纳滤膜孔径为1-3nm，分子量大于150g/M的大分子物质被截留在纳滤膜反应器主体D-1中(膜丝外部)，而分子量小于150g/M的氨氮透过膜丝，随出水进入下游调节装置;随着处理水量增加，在膜反应器主体中，因被截留的大分子物质浓度不断升高导致正常压力下的产水量下降10-20%时，关停加压泵，由阀门排出浓缩液，并由反冲洗进水阀门提供加压反冲洗水，对纳滤膜组件进行反冲洗;反冲洗结束后，重新开启加压泵继续运行;

　　步骤(5)、纳滤膜分离单元出水进入调节池，在此通过添加HC l或NaOH将pH调节至中性范围(6.5-7.5)，并添加微生物蛋白生产单元内微生物生长所需的微量金属元素(包括1-5mg/L铁，0.1-1mg/L铜，0.1-1mg/L锌);此外，针对微生物蛋白生产单元的序批式运行模式，调节池在微生物蛋白生产单元停止进水时通过临时储存纳滤膜分离单元的出水进行水量平衡调节;

　　步骤(6)、在微生物蛋白生产单元中，同时接种微藻(栅藻)和甲烷氧化菌(甲基球菌)，由水泵从调节池泵入富含氨氮且进行了pH调节的进水，由供气泵从储气罐泵入厌氧消化单元生成的甲烷和二氧化碳气体;甲烷和二氧化碳气体从疏水供气膜组件的膜丝内部供气，经气液界面扩散至膜丝外部液相中，该膜组件根据供气量的不同安装不同数量的膜丝(供气量为1L/d时，安装80-160根膜丝);利用搅拌装置充分实现水、气与微生物之间的均匀混合;

　　步骤(7)、微生物蛋白生产单元由外部设置的可调节光强和波长的LED光源进行照射，使微藻利用气相中的二氧化碳作为碳源，利用液相中的氨氮作为氮源，在光合作用下合成微藻细胞作为微生物蛋白产品，并生成氧气;同时，甲烷氧化菌利用微藻生成的氧气氧化气相中的甲烷，并利用液相中的氨氮作为氮源，合成甲烷氧化菌细胞作为微生物蛋白产品，同时生成二氧化碳可再次供微藻光合作用利用;污水中的氨氮被微藻和甲烷氧化菌同化吸收，在双重净化水质的同时，合成了微藻和甲烷氧化菌两类微生物蛋白;

　　步骤(8)、微生物蛋白生产单元设置为序批式运行模式，每个周期起始阶段，水泵首先开启，待微生物蛋白生产反应器主体中注满水后，水泵关闭，之后同时开启疏水供气膜组件、搅拌装置和LED光源，开始合成微生物细胞;当微生物细胞浓度达到要求数值时(测定吸光度OD600大于0.4时)，暂停疏水供气膜组件、搅拌装置和LED光源的运转，待微生物细胞静置沉淀后(静置沉淀30mi n以上)，由反应器中部出水系统排除出水，再由反应器底部阀门排除大部分的微生物产品(为所有细胞的2/3至3/4)，剩余少量细胞(为所有细胞的1/4至1/3)作为下一个周期的接种微生物;出水和微生物细胞均排出后，重新开启水泵进入下一个周期。

　　3.一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置，其特征在于包括进水系统、厌氧消化单元、储气及供气系统、纳滤膜分离单元、调节装置和微生物蛋白生产单元;

　　进水系统主体由储水箱构成，通过进水管路经由进水阀门和进水泵与厌氧消化单元相连;

　　厌氧消化单元与进水管路相连，内部填充悬浮海绵载体，顶部设置集气罩，通过出气管路与储气及供气系统相连，由搅拌电机提供搅拌动力，搅拌叶片实现旋转混合，外部设置加热保温装置，并设置出水管路与纳滤膜分离单元相连;

　　储气及供气系统中，储气罐与出气管路相连，出气管路上设置带有安全阀的压力计，储气罐由供气管路与供气泵相连，并经由供气管路上设置的气体流量计和压力表与微生物蛋白生产单元相连;

　　纳滤膜分离单元与厌氧消化单元的出水管路相连，其中，亲水纳滤膜组件完全浸泡在膜反应器主体之中，膜反应器主体下部设置浓缩液排出阀门和反冲洗进水阀门;

　　纳滤膜分离单元的出水由压力计和加压泵控制，由管路相连进入调节装置;

　　调节装置主体由调节池构成，其通过管路经由调节池阀门和水泵与微生物蛋白生产单元相连;

　　微生物蛋白生产单元中，采用疏水膜的供气膜组件完全浸泡在反应器主体液相之中，反应器主体内设搅拌装置，外部设置可调节光强和波长的LED光源，反应器底部设置蛋白产品出口阀门，中部设置出水系统。

　　4.根据权利要求3所述的一种可回收污水中营养物质并合成微生物蛋白装置，其特征在于进水系统的储水箱通过管道连接进水阀门，进水阀门通过管道连接进水泵，进水泵通过管道连接厌氧消化单元，厌氧消化单元的腔体内连接搅拌器，搅拌器的下端连接搅拌叶片，悬浮海绵载体分布在氧消化单元的腔体内下方，加热保温装置包裹厌氧消化单元的腔体外部，厌氧消化单元的腔体上部连接集气罩，搅拌器固定在集气罩上，集气罩连接出气管路，厌氧消化单元的腔体上部连接出水管路，出水管路的另一端连接纳滤膜分离单元的上部，纳滤膜分离单元的膜反应器主体腔体内连接亲水纳滤膜组件，膜反应器主体腔体下方分别连接浓缩液排出阀门、反冲洗进水阀门，亲水纳滤膜组件出水口通过管道连接压力计，压力计通过管道连接加压泵，加压泵的另一端通过管道连接调节装置的调节池，调节池通过管道连接调节池阀门，调节池阀门通过管道连接水泵，水泵的另一端通过管道连接微生物蛋白生产单元的反应器主体的下部，反应器主体的腔体内连接疏水膜供气组件，疏水膜供气组件的下方放置搅拌装置，反应器主体的腔体中部连接出水系统，反应器主体的腔体下部连接蛋白产品出口阀门，可调节光强和波长的LED光源照射反应器主体，出气管路的另一端连接储气及供气系统的储气罐，储气罐通过管道连接带有安全阀的压力计及供气泵，供气泵通过管道连接气体流量计，气体流量计的另一端通过管道连接压力表，气体流量计的另一端通过反应器主体的顶部连接疏水膜供气组件。

　　说明书

　　一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法

　　技术领域

　　本发明涉及一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法，属于水处理与资源化技术领域。

　　背景技术

　　水污染是当今最重要的环境问题之一，污水中有机物、氨氮等污染物的达标排放仍面临较大挑战。长期以来，污水处理主要以污染物去除为目标，消耗大量能源。如今，在可持续发展理念引领下，亟需发展新型绿色污水处理技术，以同时实现污染物削减和资源回收。

　　目前已有研究者开发了多种污水中营养物质的资源回收方法。例如，鸟粪石沉淀法对污水中的磷具有较高回收率，但其产品主要用作肥料，经济价值相对较低，而且该方法对氮的回收率很低。在污水氮回收领域，已有方法主要包括气提、吸附等物理方法回收氨氮，但因其回收成本高于工业合成氮肥的成本，应用受到明显限制。而以污水直接施用于农田的方式利用营养物质，又面临运输成本高、病原菌和有害物质(如抗生素)二次污染等经济与环境问题。通过微生物合成作用，将污水营养资源合成为富含高比例蛋白质(可达细胞质量的70%以上)的微生物，从而生产具有高附加值的饲料级微生物蛋白，具有经济和环境双重效益。

　　微生物学及食品工业领域已有研究表明，细菌、真菌和微藻等均可通过同化作用将碳源、氨氮等合成细胞而生成微生物蛋白。其中，利用甲烷氧化菌生产微生物蛋白，已在饲料加工领域得到研究与应用，并已被欧盟批准作为饲料出售。但在这些研究和应用中，碳源、氮源作为培养基组分，采用化学纯甲烷、氯化铵等药品进行添加。可见，将污水中的营养物质作为碳源和氮源进行微生物蛋白合成，在环境工程领域具有广阔前景，但仍面临两个问题：(1)为了保证所合成的微生物蛋白可用作饲料，需要在回收碳氮资源的同时隔离污水中可能存在的有害物质(如抗生素等);(2)甲烷氧化菌需要利用甲烷生长，但甲烷是易爆气体，甲烷的大量储存存在安全隐患，在应用中需要加以防范。此外，在回收污水营养物质生产微生物蛋白的环境工程领域，目前仅限于科学试验与机理研究，开发新型污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法，具有重要实际意义。

　　发明内容

　　为了克服现有技术的不足,本发明提供一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法。

　　一种可回收污水中营养物质并合成微生物蛋白方法，采用厌氧消化单元、纳滤膜分离单元、微生物蛋白生产单元相耦合的方式，实现污水中营养资源的低碳高效回收;

　　在厌氧消化单元生产的甲烷与二氧化碳气体作为碳源，不断被微生物蛋白生产单元消耗，在整个系统中随产随用。

　　一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置，包括进水系统、厌氧消化单元、储气及供气系统、纳滤膜分离单元、调节装置和微生物蛋白生产单元;

　　进水系统主体由储水箱构成，通过进水管路经由进水阀门和进水泵与厌氧消化单元相连;

　　纳滤膜分离单元的出水由压力计和加压泵控制，由管路相连进入调节装置;

　　调节装置主体由调节池构成，其通过管路经由调节池阀门和水泵与微生物蛋白生产单元相连;

　　本发明与现有技术相比，克服了已有技术在二次污染和生产安全中的不足，具有显著的创新性和应用前景。

　　具有以下优点及突出性效果：

　　(1)基于污水资源回收及微生物蛋白合成的装置及方法，可以同时实现污水中污染物的削减和资源回收，与新一代可持续污水处理与资源化理念相吻合，特别是，在污染物的削减过程中无需曝气，可节约能源消耗，所合成的微生物蛋白可用于动物饲料添加，具有较高经济价值。

　　(2)通过厌氧消化单元、纳滤膜分离单元和微生物蛋白生产单元相耦合，利用厌氧消化单元产生的甲烷作为碳源和能源，在技术经济双方面具有独特优势，利用纳滤膜分离单元有效隔离厌氧消化单元出水中的有害物质，从而确保后续微生物生产蛋白单元中生产过程不受二次污染，可产出高品质微生物蛋白。

　　(3)在整个系统中，厌氧消化单元生产的甲烷与二氧化碳气体，随产随用，从而在储气及供气系统中无需大规模储存甲烷气体，此外，在微生物生产蛋白单元中采用膜供气的方式泵入甲烷，即可最大程度地确保甲烷供气的安全性，又提高了甲烷和二氧化碳气体的供气效率，从而避免了安全隐患，又提高了资源利用效率。