代替传统曝气的废水处理方法及应用
【技术领域】
[0001]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02，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】
[0002]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02。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。
[0003]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02的浪费。而充足02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。
[0004]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02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】
[0005]本发明的目的在于提供一种光合生物自生02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02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。
[0006]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
[0007]—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。
[0008]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、C02/混合空气/烟气或其他混合气瓶19组成。
[0009]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I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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]所述蓄电池I与光伏板2连接，蓄电池I分别与第一光源4-1、第二光源4-2连接。
[0014]所述C02/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。
[0015]具体操作步骤如下:
[0016]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。
[0017]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。
[0018]3.通蓄电池I与光伏板2连接，蓄电池I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02。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]6.将C02/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，0)2可以更充分地溶解在水中，补充了光合作用的原料0)2;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。
[0022]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。
[0023]本发明的优点:
[0024]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。
[0025]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；
[0026]3.减排C02。用含有0)2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。
[0027]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。
【附图说明】
[0028]图1本发明改造后的氧化曝气装置结构示意图。
[0029]图中，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、未灭菌的废水进水管5 ;处理后的水出口管6、pH电极7、0D电极8、溶氧电极9、磷酸根电极10、氨氮/硝酸根电极U、无机碳电极12、光强电极13、曝气池(内含废水，光合生物、其他微生物)14、微泡发生装置15、流量计16、阀门17、减压阀18、C02/混合空气/烟气或其他混合气19。
[0030]图2本发明实施例1处理淀粉工业废水(原水，未灭菌)的总氮总磷变化图。
[0031]图3本发明实施例2处理变质淀粉黑水(未灭菌)的总氮总磷变化图。
[0032]图4本发明实施例3处理淀粉工业废水总氮总磷变化图。
[0033]图5本