申请日2018.05.10
公开(公告)日2018.09.11
IPC分类号C02F3/32; C02F3/34
摘要
本发明公开了一种以菌丝球为载体的固定化微藻反应器及废水处理方法，该反应器包括进水系统、反应器主体和出水系统，进水系统包括进水箱，进水箱依次连接有进水泵和进水管;反应器主体包括上升管和下降管;进水管另一端与下降管的顶端连通，上升管位于下降管的管腔内;下降管的管底部设置有曝气头，曝气头通过进气管与空气压缩机连通;出水系统包括出水箱和出水管，出水管安装在下降管侧壁上;出水管与下降管连通，出水管出水至出水箱。该方法包括以下步骤：制作反应器;制备浓缩藻液、菌丝球悬液、絮凝剂发酵液和光合细菌浓缩液;菌藻共生系统快速启动和运行。本发明解决了菌丝球‑微藻共生颗粒系统形成时间较长及稳定性较差的问题。
翻译权利要求书
1.一种以菌丝球为载体的固定化微藻反应器，其特征在于，包括进水系统、反应器主体和出水系统，进水系统包括进水箱(1)，所述进水箱(1)通过管道依次连接有进水泵(2)和进水管(11);反应器主体包括上升管(5)和下降管(6);所述的进水管(11)另一端与下降管(6)的顶端连通，所述的上升管(5)位于下降管(6)的管腔内，上升管(5)和下降管(6)由内至外同轴线套装;所述的下降管(6)的管底部设置有曝气头(8)，曝气头(8)通过进气管(13)与空气压缩机(7)连通;出水系统包括出水箱(4)和出水管(12)，所述出水管(12)安装在下降管(5)侧壁上;出水管(12)与下降管(5)连通，出水管(12)出水至出水箱(4)。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的出水系统还包括出水电磁阀(3)，出水电磁阀(3)设置在出水管(12)上且与出水管(12)连通，所述的下降管(6)侧壁上还安装有均匀分布的取样口(14)，取样口(14)与所述的出水管(12)相对设置。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的出水管(12)安装在距离上升管(5)底部的1/2-2/3高度处，所述的上升管(5)的高度和上升管(5)的内径的比值为1:4-6;所述的下降管(6)的高度和下降管(6)的内径的比值为1:4-7。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，该反应器还包括有PLC控制器(9)，PLC控制器(9)通过导线分别与进水泵(2)、电磁出水阀(3)、空气压缩机(7)、外置光源(20)、温度控制器(15)，溶解氧传感器(16)和pH传感器(17)相连;所述外置光源(20)设置在外置光源托架(19)上，所述外置光源托架(19)设置在下降管(6)的外侧壁上。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，下降管(6)的顶部设置有反应器盖(21)，所述反应器盖(21)上设置有用于固定温度控制器(15)，溶解氧传感器(16)、pH传感器(17)和进水管(11)的固定孔。
6.一种基于以菌丝球为载体的固定化微藻反应器的废水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制作权利要求1-5中任一权利要求所述的反应器;
步骤2、制备浓缩藻液、菌丝球悬液、絮凝剂发酵液和光合细菌浓缩液;
步骤3、菌藻共生系统快速启动和运行。
7.根据权利要求6所述的废水处理方法，其特征在于，所述步骤2中的菌丝球悬液包括真菌孢子悬液、菌丝球悬液或破碎菌丝体悬液;
所述真菌孢子悬液通过以下方法制备得到：将斜面上的真菌孢子转入装有玻璃珠的无菌水中，使斜面上的孢子悬浮于水中，将此放有玻璃珠的悬液置于摇床中180rpm摇床中震荡2h，目的是使孢子充分分散，使每毫升含有孢子数为108-109cfu;用于菌藻耦合系统培养，孢子悬液接种量确定为1mL/1000mL菌藻耦合培养基;
所述的菌丝球孢子选用真菌黑曲霉Aspergillus niger;
菌丝球悬液通过以下方法制备得到：接种孢子浓度为104个/m L，培养基初始p H为6～7，在37℃、160rpm摇床上培养3d，所述的菌丝球培养基为菌藻耦合培养基;
破碎菌丝体悬液通过以下方法制备得到：即将培养成熟的菌丝球转入装有玻璃珠的无菌水中，置于摇床中180rpm摇床中震荡30min，并用搅拌机破碎30s，用得到的菌丝碎片接种到菌藻耦合培养基中完成菌丝球培养的过程;
所述的浓缩藻液通过以下步骤制备得到：将微藻接种至高密度培养微藻摇瓶中，温度控制在28-32℃的范围内,以30℃为最佳光照培，培养基为上述模拟食品废水，光照强度5000Lux，pH值为7.0，培养时间为96-120小时。在上述适宜条件培养，细胞密度达到109-1010/mL，微藻最终转接入反应器，接种量为100mL/1000mL耦合系统培养基;
所述的菌藻耦合培养基为模拟食品废水，其配方为：葡萄糖1500.0mg/L，牛肉膏75.0mg/L，蛋白胨112.5mg/L，氯化铵300.0mg/L，硫酸亚铁30.0mg/L，无水氯化钙150.0mg/L，磷酸氢二钾52.5mg/L，无水磷酸二氢钾22.5mg/L，硫酸镁22.5mg/L，微量元素1mL/L，碳酸氢钠若干;
其中，微量元素为H3BO4 150mg/L，ZnSO4·7H2O 120mg/L，MnCl2·7H2O 120mg/L，CuSO4·5H2O 30mg/L，NiCl2 50mg/L，CoCl2·6H2O 210mg/L，KI 30mg/L，Na2MoO4 65mg/L;
生物絮凝剂发酵液是由克雷伯氏菌属发酵制备而成;光合细菌浓缩液是指红假单胞菌属细菌的发酵菌液。
8.根据权利要求7所述的废水处理方法，其特征在于，所述步骤3中的菌藻共生系统快速启动和运行具体为：
步骤3.1、进水：每个反应周期，进水保持在20-30℃条件下，进水泵(2)把进水箱(1)内的模拟废水通过进水管(11)通入反应器主体的下降管(6)内，通过PLC控制器(9)设置进水泵(2)的进水时间为3-6分钟，进水结束后关闭进水泵(2);
步骤3.2、耦合颗粒系统形成：在反应器主体上端开口处接种一定量真菌孢子悬液、菌丝球悬液或破碎菌丝体悬液中的一种和浓缩藻液，同时添加一定量的生物絮凝剂及光合细菌浓缩液，此时启动空气压缩机(7)，压缩空气通过进气管(13)由曝气头(8)供入反应器主体内，反应器主体中的废水在上升气流的带动下在上升管(5)内向上运动，升至上升管(5)与下降管(6)的上端连接处开始进入下降管(6)，然后向下运动到反应器的底部;曝气12-60小时真菌孢子逐渐形成菌丝球，在形球过程中菌丝相互缠绕，微藻紧密结合在菌丝体上，形成绿色菌丝球;
步骤3.3、稳定化运行：步骤2中所述的菌藻共同生长，经过一段时间培养形成菌藻耦合颗粒后，关闭空气压缩机(7)使菌藻共生体在重力条件下与污水分离，沉淀1分钟，排水5分钟，然后反应器进入闲置期120分钟;开始进入稳定运行期，反应器采用间歇式进水。
9.根据权利要求8所述的废水处理方法，其特征在于，步骤3.2中的真菌孢子悬液的添加量与反应器污水的体积比为1:1000;菌丝球悬液的最终接种浓度为400mg/L，破碎菌丝体悬液的最终接种浓度为200mg/L;浓缩藻液的添加量与反应器污水的体积比为1:10;所述的生物絮凝剂发酵液与反应器污水的体积比为1:50-1:150;光合细菌浓缩液与反应器污水的体积比为1:50-1:150;耦合颗粒系统的培养条件为：温度20-30℃、空气通气量60-180L/h，溶解氧3.0mg/L、pH 6-8、光照强度5000-10000Lux，光暗比12:12。
10.根据权利要求8所述的废水处理方法，其特征在于，步骤3中的稳定运行期的运行条件如下：周期为12h，其中包括5min中进水，589min曝气(120L/h)，沉淀1min，排水5min和闲置120min。
说明书
一种以菌丝球为载体的固定化微藻反应器及废水处理方法
技术领域
本发明属于污水生物处理回用与资源化技术领域，具体地说，涉及一种以菌丝球为载体的固定化微藻反应器及废水处理方法。
背景技术
随着工业进步和社会发展，排放的市政废水和水污染日趋严重。现代污水处理方法主要分为物理处理法、化学处理法、物化处理法和生物处理法。相比较而言，生物处理污水由于适用范围广、投资和运行费用低，多年来已被确立为生活污水、城市混合污水、有机工业污水处理的主要手段之一，在生物法中利用藻类处理废水的研究早在世纪年代就有人报道。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能的有机质，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，有些微藻还可以利用外加碳源进行异养生长，生长量和油脂量均大大提高。近年来，微藻在生物柴油制备和污水深度脱氮除磷方面受到了越来越多的关注，为缓解21世纪人类面临的化石能源危机和水质危机提供了可能的解决途径。基于微藻的污水处理和高价值生物能源生产耦合系统技术以有机废水营养物质为资源，可实现污水处理系统从“处理工艺”向“生产工艺”的转化，污水处理包括深度处理污水的同时，以污水中的氮磷等营养物质培养微藻，获得高价值的生物能源和生物资源，在未来能源、资源愈加紧张的严峻形式下具有更加广阔的发展前景。活性污泥法是目前世界上应用最广泛的污水生物处理技术，该技术的最大弊端是产生大量的剩余污泥，容易对环境造成二次污染。菌丝球作为固定微生物的新型生物质载体为这一难题的解决提供了全新的方法和思路。将菌丝球与微藻共同培养形成共生系统，发挥各自优势，有望形成新的菌藻共生系统，为污水处理技术提供新方法和新思路。但菌丝球-微藻共生颗粒系统形成时间较长及稳定性较差等问题，也限制了其在水处理领域中的大规模应用。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术中中生物反应器的启动与稳定运行性能差、污水处理效果不佳、微藻沉降性能差，不易收获的问题，提供了一种以菌丝球为载体的固定化微藻反应器及废水处理方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种以菌丝球为载体的固定化微藻反应器，包括进水系统、反应器主体和出水系统，进水系统包括进水箱，所述进水箱通过管道依次连接有进水泵和进水管;反应器主体包括上升管和下降管;所述的进水管另一端与下降管的顶端连通，所述的上升管位于下降管的管腔内，上升管和下降管由内至外同轴线套装;所述的下降管的管底部设置有曝气头，曝气头通过进气管与空气压缩机连通;出水系统包括出水箱和出水管，所述出水管安装在下降管侧壁上;出水管与下降管连通，出水管出水至出水箱。
可选地，所述的出水系统还包括出水电磁阀，出水电磁阀设置在出水管上且与出水管连通，所述的下降管侧壁上还安装有均匀分布的取样口，取样口与所述的出水管相对设置。
可选地，所述的出水管安装在距离上升管底部的1/2-2/3高度处，所述的上升管的高度和上升管的内径的比值为1:4-6;所述的下降管的高度和下降管的内径的比值为1:4-7。
可选地，该反应器还包括有PLC控制器，PLC控制器通过导线分别与进水泵、电磁出水阀、空气压缩机、外置光源、温度控制器，溶解氧传感器和pH传感器相连;所述外置光源设置在外置光源托架上，所述外置光源托架设置在下降管的外侧壁上。
可选地，下降管的顶部设置有反应器盖，所述反应器盖上设置有用于固定温度控制器，溶解氧传感器、pH传感器和进水管的固定孔。
本发明还公开了一种基于以菌丝球为载体的固定化微藻反应器的废水处理方法，包括以下步骤：
步骤1、制作上述的反应器;
步骤2、制备浓缩藻液、菌丝球悬液、絮凝剂发酵液和光合细菌浓缩液;;
步骤3、菌藻共生系统快速启动和运行。
可选地，所述步骤2中的菌丝球悬液包括真菌孢子悬液、菌丝球悬液或破碎菌丝体悬液;
所述真菌孢子悬液通过以下方法制备得到：将斜面上的真菌孢子转入装有玻璃珠的无菌水中，使斜面上的孢子悬浮于水中，将此放有玻璃珠的悬液置于摇床中180rpm摇床中震荡2h，目的是使孢子充分分散，使每毫升含有孢子数为108-109cfu;用于菌藻耦合系统培养，孢子悬液接种量确定为1mL/1000mL菌藻耦合培养基;
所述的菌丝球孢子选用真菌黑曲霉Aspergillus niger;
菌丝球悬液通过以下方法制备得到：接种孢子浓度为104个/m L，培养基初始p H为6～7，在37℃、160rpm摇床上培养3d，所述的菌丝球培养基为菌藻耦合培养基;
破碎菌丝体悬液通过以下方法制备得到：即将培养成熟的菌丝球转入装有玻璃珠的无菌水中，置于摇床中180rpm摇床中震荡30min，并用搅拌机破碎30s，用得到的菌丝碎片接种到菌藻耦合培养基中完成菌丝球培养的过程;
所述的浓缩藻液通过以下步骤制备得到：将微藻接种至高密度培养微藻摇瓶中，温度控制在28-32℃的范围内,以30℃为最佳光照培，培养基为上述模拟食品废水，光照强度5000Lux，pH值为7.0，培养时间为96-120小时。在上述适宜条件培养，细胞密度达到109-1010/mL，微藻最终转接入反应器，接种量为100mL/1000mL耦合系统培养基;
所述的菌藻耦合培养基为模拟食品废水，其配方为：葡萄糖1500.0mg/L，牛肉膏75.0mg/L，蛋白胨112.5mg/L，氯化铵300.0mg/L，硫酸亚铁30.0mg/L，无水氯化钙150.0mg/L，磷酸氢二钾52.5mg/L，无水磷酸二氢钾22.5mg/L，硫酸镁22.5mg/L，微量元素1mL/L，碳酸氢钠若干;
其中，微量元素为H3BO4150mg/L，ZnSO4·7H2O 120mg/L，MnCl2·7H2O 120mg/L，CuSO4·5H2O 30mg/L，NiCl250mg/L，CoCl2·6H2O 210mg/L，KI 30mg/L，Na2MoO4 65mg/L;
生物絮凝剂发酵液是由克雷伯氏菌属发酵制备而成;光合细菌浓缩液是指红假单胞菌属细菌的发酵菌液。
可选地，所述步骤3中的菌藻共生系统快速启动和运行具体为：
步骤3.1、进水：每个反应周期，进水保持在20-30℃条件下，进水泵把进水箱内的模拟废水通过进水管通入反应器主体的下降管内，通过PLC控制器设置进水泵的进水时间为3-6分钟，进水结束后关闭进水泵;
步骤3.2、耦合颗粒系统形成：在反应器主体上端开口处接种一定量真菌孢子悬液、菌丝球悬液或破碎菌丝体悬液中的一种和浓缩藻液，同时添加一定量的生物絮凝剂及光合细菌浓缩液，此时启动空气压缩机，压缩空气通过进气管由曝气头供入反应器主体内，反应器主体中的废水在上升气流的带动下在上升管内向上运动，升至上升管与下降管的上端连接处开始进入下降管，然后向下运动到反应器的底部;曝气12-60小时真菌孢子逐渐形成菌丝球，在形球过程中菌丝相互缠绕，微藻紧密结合在菌丝体上，形成绿色菌丝球;
步骤3.3、稳定化运行：步骤2中所述的菌藻共同生长，经过一段时间培养形成菌藻耦合颗粒后，关闭空气压缩机使菌藻共生体在重力条件下与污水分离，沉淀1分钟，排水5分钟，然后反应器进入闲置期120分钟;开始进入稳定运行期，反应器采用间歇式进水
可选地，步骤3.2中的真菌孢子悬液的添加量与反应器污水的体积比为1:1000;菌丝球悬液的最终接种浓度为400mg/L，破碎菌丝体悬液的最终接种浓度为200mg/L;浓缩藻液的添加量与反应器污水的体积比为1:10;所述的生物絮凝剂发酵液与反应器污水的体积比为1:50-1:150;光合细菌浓缩液与反应器污水的体积比为1:50-1:150;耦合颗粒系统的培养条件为：温度20-30℃、空气通气量60-180L/h，溶解氧3.0mg/L、pH 6-8、光照强度5000-10000Lux，光暗比12:12。
可选地，步骤3中的稳定运行期的运行条件如下：周期为12h，其中包括5min中进水，589min曝气(120L/h)，沉淀1min，排水5min和闲置120min。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明的反应器增加了反应器在进水阶段污水与藻和真菌接触混合效果，为在单级反应器中实现高效氮磷的同步去除提供了基础;反应器操作运行简便，在室温条件下缓解了微藻生物处理系统经济微藻难于收获的问题，大大降低收获成本;
2)本发明以孢子悬液及微藻共投加方式形成耦合系统，这较于传统的形成耦合系统直接投加方式节约了培养成本，节约了驯化时间，提高了整个系统的处理效能，延长了高效而稳定的运行周期，污染物的去除效率高，出水水质稳定;本发明的反应器具有运行费用低，占地面积小等特点;解决了菌丝球-微藻共生颗粒系统形成时间较长及稳定性较差等问题，开发出菌藻共生快速形成、定向调控及高效稳定运行的方法。
3)本发明的方法，具有常温条件下较好的同步碳、氮、磷的去除效果，碳、氮、磷的去除效率分别为89.5%，98.9%，95.5%。
4)本发明为控制常温有机废水氮磷的排放提供了有效的方法，可广泛应用于常温有机污水的同步氮磷的去除，具有良好的社会、经济和环境效益。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。