申请日2017.12.25
公开(公告)日2018.06.08
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明公开了一种基于光生物反应器的污水深度处理系统及方法，该系统包括调节池、光生物反应器和过滤池等;该方法利用调节池实现污水水量水质调节，为利用微藻间歇处理污水创造相对稳定适宜的进水条件;利用结构设计独特的光生物反应器，从推移流循环流动、组合光照、侧壁排气和顶部加盖等多方面创造有利于微藻生长的良好条件，促使微藻更好地吸收降解污水中的氮、磷等污染物，进而更高效地净化污水;利用滤池中的滤网截留大量增殖的微藻，让净化后的污水透滤网、排入回用水管道或下水道，并将滤网截留的藻液回流至光生物反应器;采用间歇运行的方式，经济、高效、方便地利用光生物反应器对污水进行深度处理。
权利要求书
1.一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，其特征在于，包括调节池(19)、光生物反应器(21)和过滤池(14);其中，
调节池(19)内设置有水温及pH检测箱(18)，调节池(19)上连通有调节池进水管(22)和调节池出水管(17);
光生物反应器(21)包括密闭腔室的混合箱(10)以及设置在该混合箱(10)上两端开口的圆柱形筒体(3)，圆柱形筒体(3)内的中心处设置有用于放置灯管的圆柱形灯管桶(5)，沿着该圆柱形灯管桶(5)自上而下在圆柱形筒体(3)内套装有若干个圆环形跑道(6)，上下相邻两个圆环形跑道(6)之间通过扇形弯槽(8)相连通，且最底层的圆环形跑道(6)通过呈螺旋状向下分布的扇形弯槽(8)与混合箱(10)顶部上开设的通孔(9)相连通，混合箱(10)通过循环管路(2)以及设置在循环管路(2)上的循环泵(1)与最顶层的圆环形跑道(6)相连通;混合箱(10)内设置搅拌装置(27)，混合箱(10)上连通有曝气泵(28);
过滤池(14)内设置有滤网(15)，过滤池(14)上连通有过滤池进水管(25)和藻液回收管(26);
调节池(19)底部高于混合箱(10)顶部，混合箱(10)底部高于过滤池(14)顶部，调节池进水管(22)与混合箱进水管(24)连通，混合箱出水管(12)与过滤池进水管(25)连通，藻液回收管(26)与混合箱(10)顶部连通，且藻液回收管(26)上设置有回流泵(29)。
2.根据权利要求1所述的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，其特征在于，调节池(19)上还连通有调节池放空管(23)，过滤池(14)上连通有过滤池放空管(16)。
3.根据权利要求1所述的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，其特征在于，调节池(19)底部高于混合箱(10)顶部10cm，混合箱(10)底部高于过滤池(14)顶部10cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，其特征在于，圆环形跑道(6)中心线长度与宽度之比为10。
5.根据权利要求1所述的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，其特征在于，混合箱(10)的顶部还开设有取样孔(11)。
6.根据权利要求1所述的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，其特征在于，圆柱形筒体(3)的侧壁上自上而下开设有若干排气孔(13)，顶部还设置有圆盖(4)。
7.根据权利要求1所述的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，其特征在于，光生物反应器(21)的最顶层的圆环形跑道(6)与对应扇形弯槽(8)的连通处还设置有挡板(7)。
8.根据权利要求1所述的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，其特征在于，混合箱(10)上还连通有水质检测箱(20)。
9.一种基于光生物反应器的污水深度处理系统方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至8中任一项所述的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，包括如下步骤：
a)将污水处理厂二沉池出水通过调节池进水管(23)引入调节池(19)，通过水温及pH检测箱(18)内设置的温度计、pH计实时监测调节池内水温、pH的变化情况，并控制调节池内水温在20℃～30℃，pH在7～8;然后将调节池(19)中的污水通过调节池出水管(17)流入光生物反应器(21)中的混合箱(10)，直至混合箱(10)中水位与其顶部距离为15cm;
b)根据混合箱(10)中的污水体积和混合液中最佳养殖的藻密度109个/L，计算处理污水所需的事先培养好的微藻浓缩液体积;将所需的微藻浓缩液加入光生物反应器(21)的混合箱(10)中，开启搅拌装置(27)，将微藻浓缩液与污水混合均匀;开启光生物反应器(21)中圆柱形灯管桶(5)内的LED灯;
c)启动循环泵(1)，提升混合箱(10)中的混合液，使混合液先流入最顶层的圆环形跑道(6)，以5cm/s的流速和推移流的形式在圆环形跑道(6)内流动，并保持圆环形跑道(6)内混合液厚度为4cm;混合液然后通过呈螺旋状向下分布的扇形弯槽(8)流入下一层圆环形跑道(6)，如此循环向下流入混合箱(10);混合液在光生物反应器(21)内循环流动过程中，微藻接受圆柱形灯管桶(5)内的LED灯发出的光照，吸收水中的营养盐，不断增殖;为满足微藻的生长，在混合箱(10)中用曝气泵(28)进行周期性曝气;
d)在微藻循环增殖的过程中，混合液中营养盐的浓度逐渐降低，污水随之被净化，通过混合箱(10)内安装的COD、TN、TP传感器对混合液水质进行实时监测，如果混合液中COD高于50mg/L、TN高于15mg/L、TP高于0.5mg/L，则继续进行循环处理;如果混合液中COD低于50mg/L、TN低于15mg/L、TP低于0.5mg/L，则将混合液经混合箱出水管(12)与过滤池进水管(25)流入过滤池(14)，再经滤网(15)进行过滤，将过滤后的清水排入回用水管道或下水道，将滤网(15)截留的藻液通过回流泵(29)回流至混合箱(10);
e)重复步骤a)～d)，进行下一次间歇污水深度处理，如此循环运行。
10.根据权利要求9所述的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统方法，其特征在于，步骤d)中，过滤后的清水通过过滤池放空管(16)排入回用水管道或下水道。
说明书
一种基于光生物反应器的污水深度处理系统与方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种基于光生物反应器的污水深度处理系统与方法。
背景技术
环境和资源是当今世界发展的重中之重。水污染作为环境污染的重要方面，其中以水体氮和磷等污染物浓度较高以及由此造成的水体富营养化问题尤为突出，而污水处理厂二级出水不达标排放是导致以上水污染问题的主要因素。针对污水处理厂二级出水，一般常用物化方法进行深度处理，以使出水水质达标;但物化法采用的化学药剂用量大，有可能造成二次污染，成本也较高，迫切需要开发高效、可持续的氮磷控制技术。高密度微藻培养技术的出现，为污水处理厂二级出水的深度处理、氮磷高效的去除和生物能源的生产提供了可能。
目前用于微藻养殖的光生物反应器主要有开放式光生物反应器和封闭式光生物反应器。以跑道式光生物反应器为代表，其主要特点是反应器与外界环境处于连通的状态，并通过人工驱动藻液循环流动来促进微藻快速高效地生长。虽然其运行成本较低，但是占地面积较大且容易受到污染。封闭式光生物反应器以管式密闭光反应器为代表，其主要特点是反应器处于相对封闭状态，通过控制温度、光照强度、循环流量和曝气速率等光反应条件，使得系统内藻类生长处于适宜的条件。相对于开放式光生物反应器，密闭光照生物反应器可以更加精确地调节藻类生长的环境;但是结构复杂、较为封闭、设备造价较高，实际加工和清洗较为困难。此外，不仅其运行成本较高，而且放大较为困难，很难应用到大规模的生产中。
利用不同的微藻养殖的光生物反应器，可以在养殖微藻的过程中，对水中的污染物进行处理。因污水处理厂二级出水悬浮物含量比污水处理厂进水大幅减少，对微藻生长的不利影响大大削弱，故利用微藻对污水处理厂二级出水进行深度处理是一种比较可行的污水深度处理技术方法。对基于不同类型光生物反应器的污水深度处理系统，其净水性能、系统结构、运行管理等存在的问题也与各类光生物反应器存在的问题类似，研制出一种基于低成本、易运行的高密度养殖微藻的光生物反应器的污水深度处理系统，已成为目前利用微藻进行污水深度处理的关键。
发明内容
本次发明旨在提供一种基于光生物反应器的污水深度处理系统与方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，包括调节池、光生物反应器和过滤池;其中，
调节池内设置有水温及pH检测箱，调节池上连通有调节池进水管和调节池出水管;
光生物反应器包括密闭腔室的混合箱以及设置在该混合箱上两端开口的圆柱形筒体，圆柱形筒体内的中心处设置有用于放置灯管的圆柱形灯管桶，沿着该圆柱形灯管桶自上而下在圆柱形筒体内套装有若干个圆环形跑道，上下相邻两个圆环形跑道之间通过扇形弯槽相连通，且最底层的圆环形跑道通过呈螺旋状向下分布的扇形弯槽与混合箱顶部上开设的通孔相连通，混合箱通过循环管路以及设置在循环管路上的循环泵与最顶层的圆环形跑道相连通;混合箱内设置搅拌装置，混合箱上连通有曝气泵;
过滤池内设置有滤网，过滤池上连通有过滤池进水管和藻液回收管;
调节池底部高于混合箱顶部，混合箱底部高于过滤池顶部，调节池进水管与混合箱进水管连通，混合箱出水管与过滤池进水管连通，藻液回收管与混合箱顶部连通，且藻液回收管上设置有回流泵。
本发明进一步的改进在于，调节池上还连通有调节池放空管，过滤池上连通有过滤池放空管。
本发明进一步的改进在于，调节池底部高于混合箱顶部10cm，混合箱底部高于过滤池顶部10cm。
本发明进一步的改进在于，圆环形跑道中心线长度与宽度之比为10。
本发明进一步的改进在于，混合箱的顶部还开设有取样孔。
本发明进一步的改进在于，圆柱形筒体的侧壁上自上而下开设有若干排气孔，顶部还设置有圆盖。
本发明进一步的改进在于，光生物反应器的最顶层的圆环形跑道与对应扇形弯槽的连通处还设置有挡板。
本发明进一步的改进在于，混合箱上还连通有水质检测箱。
一种基于光生物反应器的污水深度处理系统方法，该方法基于上述一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，包括如下步骤：
a)将污水处理厂二沉池出水通过调节池进水管引入调节池，通过水温及pH检测箱内设置的温度计、pH计实时监测调节池内水温、pH的变化情况，并控制调节池内水温在20℃～30℃，pH在7～8;然后将调节池中的污水通过调节池出水管流入光生物反应器中的混合箱，直至混合箱中水位与其顶部距离为15cm;
b)根据混合箱中的污水体积和混合液中最佳养殖的藻密度109个/L，计算处理污水所需的事先培养好的微藻浓缩液体积;将所需的微藻浓缩液加入光生物反应器的混合箱中，开启搅拌装置，将微藻浓缩液与污水混合均匀;开启光生物反应器中圆柱形灯管桶内的LED灯;
c)启动循环泵，提升混合箱中的混合液，使混合液先流入最顶层的圆环形跑道，以5cm/s的流速和推移流的形式在圆环形跑道内流动，并保持圆环形跑道内混合液厚度为4cm;混合液然后通过呈螺旋状向下分布的扇形弯槽流入下一层圆环形跑道，如此循环向下流入混合箱;混合液在光生物反应器内循环流动过程中，微藻接受圆柱形灯管桶内的LED灯发出的光照，吸收水中的营养盐，不断增殖;为满足微藻的生长，在混合箱中用曝气泵进行周期性曝气;
d)在微藻循环增殖的过程中，混合液中营养盐的浓度逐渐降低，污水随之被净化，通过混合箱内安装的COD、TN、TP传感器对混合液水质进行实时监测，如果混合液中COD高于50mg/L、TN高于15mg/L、TP高于0.5mg/L，则继续进行循环处理;如果混合液中COD低于50mg/L、TN低于15mg/L、TP低于0.5mg/L，则将混合液经混合箱出水管与过滤池进水管流入过滤池，再经滤网进行过滤，将过滤后的清水排入回用水管道或下水道，将滤网截留的藻液通过回流泵回流至混合箱;
e)重复步骤a)～d)，进行下一次间歇污水深度处理，如此循环运行。
本发明进一步的改进在于，步骤d)中，过滤后的清水通过过滤池放空管排入回用水管道或下水道。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统与方法，由调节池、光生物反应器、滤池组成一套完整的基于光生物反应器的污水处理系统;利用调节池实现污水水量水质调节，为利用微藻间歇处理污水创造相对稳定适宜的进水条件;利用结构设计独特的光生物反应器，从推移流循环流动、组合光照、侧壁排气和顶部加盖等多方面创造有利于微藻生长的良好条件，促使微藻更好地吸收降解污水中的氮、磷等污染物，进而更高效地净化污水;利用滤池中的滤网截留大量增殖的微藻，让净化后的污水透滤网、排入回用水管道或下水道，并将滤网截留的藻液回流至光生物反应器;采用间歇运行的方式，经济、高效、方便地利用光生物反应器对污水进行深度处理。
具体来说，本发明提供的一种基于光生物反应器的污水深度处理系统，利用循环泵驱使藻液在圆环形跑道中以推移流的形式循环流动，设定圆环形跑道中心线长度与宽度之比为10，优于开放式光生物反应器内流态，能使藻液混合更均匀，也可避免微藻粘附于光生物反应器的壁面，保证微藻处于一种良好的光照状态;通过流量控制使藻液以最适于微藻生长的流速(约5cm/s)流动，通过藻液循环流动消除微藻生长过程中形成的营养盐浓度梯度，共同促使微藻与营养盐处于最佳的传质状态，有利于微藻生长;利用中间圆柱形灯管桶的光源以及圆柱形筒体外侧的自然光，为藻液提供最佳的光照强度和光照角度，极大地提高了光照的利用率，加强了微藻的光合作用，节约了部分能量，优于其他开放式光生物反应器内对藻液的单面照射;通过独特的结构设计和运行控制，从多方面创造有利于微藻生长的良好条件，使微藻高效生长，进而高效净化污水;是一种结构紧凑、运行成本低、易于控制的基于高效微藻养殖的污水处理装置。
进一步，藻液在圆环形跑道中以推移流的形式循环流动，属于一种开放式重力流，可以较大程度降低藻细胞的损害。
进一步，当中间的圆柱形灯管桶内的LED灯管全部通电打开时，圆环形跑道最外侧的光照强度为5000lux左右，内侧受到大约8000lux左右，满足微藻生长所需的最佳光照强度;当有特殊光照需求的时候，可以增减灯管的数量或更换不同功率的灯管来达到相应要求。
进一步，可以调节循环泵的流量以及圆环形跑道末端的开口程度，使圆环形跑道中藻液的厚度保持在1cm～4cm，实现藻液生长做需的最佳光照状态。
进一步，混合箱的顶部还开设有取样孔，主要是通过取样孔来定时检测藻液的生长情况，还可增加外界环境与混合箱内部的空气交换。
进一步，混合箱的底部还设置有放空阀，放空阀主要作用是收获高密度藻液，此外在清洗箱体的时候可以将清洗废水排出。
进一步，混合箱顶部的通孔为圆孔，其中通孔主要是使混合箱内的藻液与圆环形跑道中流动的藻液相互交换，圆孔的设计可以使流动的藻液保持较好的水力条件以减少流动过程中的水头损失，也可以减少对藻细胞的损害。
进一步，圆柱形筒体的侧壁上自上而下开设有若干排气孔，圆柱形筒体的设计主要是为了隔绝外界环境的不稳定状况对内部藻液的造成的影响，匹配内部圆环形跑道，充分提高内部空间和材料的使用率。排气孔可以增加内部空气与外界空气的交换，快速与外界进行热量交换。
进一步，圆柱形筒体的顶部还设置有圆盖，圆盖可以阻断外部污染物质的进入，保证循环流动的藻液免受到污染，也可以通过增大圆盖的开启度来促进筒体内部与外界的空气和热量交换。
进一步，最顶层的圆环形跑道与对应扇形弯槽的连通处还设置有挡板，挡板主要是为了保证在同一圆环形跑道中循环流动一次，然后进入下一圆环形跑道，最终实现藻液在混合箱与圆环形跑道之间的循环流动。
进一步，所有的扇形弯槽呈螺旋状下分布，扇形弯槽主要是为了将圆环形跑道中的藻液平缓过渡到下一个圆环形跑道中，以最大化地保持原来圆环形跑道中的藻液的流态不变，使藻液在循环流动中受到的作用力较小，保证藻细胞的正常生长。
本发明提供的一种基于光生物反应器的污水深度处理方法，首先搭建由调节池、光生物反应器和过滤池组成的基于光生物反应器的污水深度处理系统，使污水在一个完整的载体中依次完成水量水质调节、水质净化、藻水分离，最终通过间歇运行方式实现基于光生物反应器的污水深度处理。
进一步，将污水处理厂二沉池出水通过调节池进水管引入调节池，通过水温及pH检测箱内设置的温度计、pH计实时监测调节池内水温、pH的变化情况，并控制调节池内水温在20℃～30℃左右，pH7～8左右，为微藻繁殖和净化污水创造相对稳定适宜的进水条件;然后将调节池中的污水缓慢通过调节池出水管流入光生物反应器中的混合箱，直至混合箱中水位与其顶部距离为15cm，以将每次间歇处理的水量控制在合理的范围。
进一步，根据混合箱中的污水体积和混合液中最佳养殖的藻密度109个/L，计算处理污水所需的事先培养好的微藻浓缩液体积，使微藻接种如污水后，能以最佳的藻密度条件进行后续繁殖、净化污水;将所需的微藻浓缩液加入光生物反应器的混合箱中，开启搅拌装置，将微藻浓缩液与污水混合均匀，以使微藻更好地均匀吸收污水中氮、磷等污染物;开启光生物反应器中圆柱形灯管桶内的LED灯，预热光生物反应器，并利用圆柱形灯管桶外的自然光，增强微藻的光照强度，促进起生长，加强其净化污水能力。
进一步，启动循环泵使混合箱中的混合液先流入最顶层的圆环形跑道，以约5cm/s的流速和推移流的形式在圆环形跑道内流动，让微藻处于良好的混合状态，与污水充分接触;并保持圆环形跑道内混合液厚度4cm左右，使微藻都能较好地接受光照;混合液然后通过呈螺旋状向下分布的扇形弯槽流入下一层圆环形跑道，如此循环向下流入混合箱，避免流速变化过大冲刷微藻，影响其生长;混合液在光生物反应器内循环流动过程中，微藻接受圆柱形灯管桶内的LED灯发出的光照，吸收水中的氮、磷等营养盐，不断增殖。
进一步，根据前期实验研究结果，充气量控制在300ml/min～600ml/min促进微藻的生长，故混合箱用曝气泵进行周期性曝气(每间隔1h充气10分钟充气量为500ml/min)，并可通过实时监测水中溶解氧浓度适当调节。混合液在循环过程中，随着藻密度的逐渐上升，混合液体内部需要充足的溶解氧来满足微藻的生长需求，同时微藻光合作用所需要的二氧化碳的减少导致水体pH上升，适当的曝气可以减缓pH的上升，以此来减小高pH对藻体的危害。
进一步，在微藻循环增殖的过程中，混合液中氮、磷等营养盐的浓度逐渐降低，污水随之被净化，通过混合箱内安装的COD、TN、TP传感器对混合液水质进行实时监测，如果混合液中COD高于50mg/L、TN高于15mg/L、TP高于0.5mg/L，则继续进行循环处理;如果混合液中COD低于50mg/L、TN低于15mg/L、TP低于0.5mg/L，则将混合液流入过滤池，再经滤网过滤，实现藻水分离、出水排放、部分被膜截留的藻液回流至混合箱。此外，也可通过混合箱中的细胞检测器来控制回流泵的运行与停止，当混合液中的藻密度超过109个/L时，回流泵会停止运行;当混合液中的藻密度低于109个/L时，回流泵会持续运行，以增加光生物反应器中微藻数量、保证正常处理污水。通过这种实时监测水质的方法，确定微藻循环养殖和污水间歇处理的时间，可以更经济地处理污水、降低能耗。