离子交换膜式微藻污水处理系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及利用微藻处理污水的系统和方法，具体涉及一种离子交换膜式微藻污 水处理系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，由于世界人口的飙升、经济的快速发展和环境的恶化，诸多国家面临较为严 重的淡水资源短缺问题，尤其是水资源本就不丰富的国家和地区。据统计，目前全球约有10 亿人无法获取安全的饮用水，世界住院患者半数以上染病与污水相关。因此，合理有效的解 决水资源短缺问题已成为当今社会的重中之重。在2009年，全球每年水资源消耗量约为 3.91 X1012m3,其中半数以上都会变成废水排入环境中，在水资源浪费的同时，对环境造成 严重污染。鉴于此，对污水进行治理回收成为近年来世界各国研究的重点课题。
[0003] 对污水进行回收处理的方法主要有物理-化学法，微生物厌氧发酵法和微藻处理 法。物理-化学法是指通过沉淀、过滤和吸附等手段将污水中的固体悬浮物进行除去。这种 方法主要是针对固体悬浮物颗粒进行的，而污水中的其他成分则无法除去。微生物厌氧发 酵法是利用厌氧微生物的代谢，在无氧环境下，将污水中的有机物转化为沼气和水，可实现 除废与产能的同步进行。然而，该技术无法除去污水中的无机盐离子，如硝酸盐、铵盐、磷酸 盐等。为了对污水中的氮磷无机盐离子进行去除，学者提出了利用微藻处理污水的方法。微 藻是一种单细胞生物，可利用污水中的氮磷等无机物作为营养物质，以太阳能作为能量来 源，将空气中的二氧化碳进行捕捉，通过自身生长代谢转化为油脂、糖类和蛋白质等产物， 达到一举多得的功效。
[0004] 传统的利用微藻对污水进行处理的方法一般是直接将微藻与污水进行混合，微藻 在生长的同时将污水中的氮磷无机盐吸收。然而，由于污水具有较大的混浊度及较高浓度 的铵盐和重金属等离子，直接混合时会对微藻生长造成较强烈的毒害作用，导致其生长速 率较慢，从而降低了污水中氮磷移除率。有学者通过将污水进行稀释，使其混浊度和氮磷及 重金属离子达到适宜微藻生长的浓度后再将微藻与污水进行混合。然而，在大规模应用时， 这种方法需要投入大量的净水资源对污水进行稀释，浪费净水资源的同时还会大大增加污 水处理成本。与此同时，微藻吸收大量的重金属后，其下游产品主要是生物柴油、营养品、护 肤品等，会有较大的毒性而不利于发动机使用或人畜使用。
【发明内容】
[0005] 为提高微藻处理污水可行性和经济性，本发明提供了一种离子交换膜式微藻污水 处理系统和方法。
[0006] 本发明的第一个技术方案是:一种离子交换膜式微藻污水处理方法，其特征在于： 包括如下步骤：
[0007] A:系统搭建:所述系统包括气体源、微藻培养腔室和污水处理腔室;微藻培养腔室 的顶部设置出气口，污水处理腔室的底部设置排水口；气体源与微藻培养腔室相连通，所述 气体源为微藻生长提供底物;微藻培养腔室与污水处理腔室相连通；同时，在污水进入微藻 培养腔室的通道上设置有阴离子交换膜和阳离子交换膜；
[0008] B:反应器接种:将活化后的微藻菌种以一定浓度接种于灭菌后的净水中并转移至 微藻培养腔室内；
[0009] c:污水处理及微藻培养:将气体源中的气体鼓入微藻培养腔室;将待处理污水通 过污水初级过滤装置过滤污水中的大颗粒固体悬浮物后，排入污水处理腔室中；污水中的 阴离子和阳离子分别通过阴离子交换膜和阳离子交换膜渗入微藻培养腔室中，为微藻生长 提供营养;而气体源中的气体为微藻生长提供碳源;在培养微藻的同时，污水中的无机盐得 到去除;被利用后的气体通过出气口排出;培养周期结束后，收获微藻，排出处理后的污水。
[0010] 根据本发明所述的离子交换膜式微藻污水处理方法的优选方案，系统搭建前还需 进行如下步骤；
[0011]第一步:污水物理-化学参数确定:测试待处理污水中各种离子浓度，以确定离子 浓度最大的阴离子和阳离子；
[0012] 第二步：阴离子交换膜与阳离子交换膜最佳面积比计算:根据所测得的污水物理-化学参数，测试单位时间单位面积阴离子交换膜和阳离子交换膜上各种离子的渗透速率， 并根据所选微藻藻种查找其所需最佳离子量，对离子渗透量和微藻需求量进行核算，使离 子渗入量与微藻生长需求量相符;并根据第一步中所得到的离子浓度最大的阴离子和阳离 子来分别核算离子交换膜面积，得出阴离子交换膜与阳离子交换膜最佳面积比；
[0013] 根据本发明所述的离子交换膜式微藻污水处理方法的优选方案，所述系统采用筒 式结构;所述污水处理腔室设置在微藻培养腔室的内部;微藻培养腔室的壁面为镂空结构， 镂空处交替设置阴离子交换膜和阳离子交换膜;阴离子交换膜和阳离子交换膜的面积由步 骤二确定。
[0014] 根据本发明所述的离子交换膜式微藻污水处理方法的优选方案，所述系统采用板 式结构;所述污水处理腔室设置在微藻培养腔室的两侧，微藻培养腔室与污水处理腔室之 间的壁面为镂空结构，镂空处交替设置阴离子交换膜和阳离子交换膜；阴离子交换膜和阳 离子交换膜的面积由步骤二确定。
[0015] 根据本发明所述的离子交换膜式微藻污水处理方法的优选方案，所述系统采用管 式结构;微藻培养腔室与污水处理腔室通过管路连通;该管路包括前段和后段，管路的后段 浸泡在微藻培养腔室的培养液中；该管路的后段由阴离子交换膜和阳离子交换膜构成；阴 离子交换膜和阳离子交换膜的面积由步骤二确定。
[0016] 本发明的第二个技术方案是：离子交换膜式微藻污水处理系统，该系统包括气体 源、微藻培养腔室和污水处理腔室;其特征在于:微藻培养腔室的顶部设置出气口，污水处 理腔室的底部设置排水口；气体源与微藻培养腔室相连通，所述气体源为微藻生长提供底 物;所述微藻培养腔室与污水处理腔室相连通;并且，污水进入微藻培养腔室的通道上设置 有阴离子交换膜和阳离子交换膜。
[0017] 根据本发明所述的离子交换膜式微藻污水处理系统的优选方案，所述系统采用筒 式结构;所述污水处理腔室设置在微藻培养腔室的内部;微藻培养腔室的壁面为镂空结构， 镂空处交替设置阴离子交换膜和阳离子交换膜。
[0018] 根据本发明所述的离子交换膜式微藻污水处理系统的优选方案，所述系统采用板 式结构所述污水处理腔室设置在微藻培养腔室的两侧;微藻培养腔室与污水处理腔室之间 的壁面为镂空结构，镂空处交替设置阴离子交换膜和阳离子交换膜。
[0019] 根据本发明所述的离子交换膜式微藻污水处理系统的优选方案，所述系统采用管 式结构;微藻培养腔室与污水处理腔室通过管路连通;该管路包括前段和后段，管路的后段 浸泡在微藻培养腔室的培养液中；该管路的后段由阴离子交换膜和阳离子交换膜构成。
[0020] 本发明的工作原理为：
[0021] 由于在离子交换膜表面上存在较多的活性交换位点，具体讲，阳离子交换膜上含 有较多的羧基基团-C00H、磺酸基团-S03H和苯酚基团-C 6H4〇H等酸性基团；阴离子交换膜上 含有较多的季胺基团-NCH33OH或胺基基团-NH 2等碱性基团。这些基团在水溶液环境下能将 自身的离子与溶液中的同号离子进行交换。其中，阳离子交换膜表面基团上的氢离子能与 溶液中的金属离子或其他阳离子进行交换膜，而阴离子交换膜表面基团所产生的氢氧根能 与阴离子进行交换。在污水腔室中的高浓度目标离子与微藻培养培养腔室中的低浓度目标 离子通过浓度差作用下，离子交换膜分别进行两次离子交换即可实现目标离子从污水腔室 向微藻培养腔室的定向传输。其离子交换反应式如下所示：
[0022]阳离子交换反应式:R-S03H+A+4R-S03A+H+
[0023] 阴离子交换反应式:R-N( CH3) 3〇H+B--R-N( CH3) 3B+0H-
[0024] 其中，A+为某一目标阳离子，为某一目标阴离子。
[0025] 本发明的离子交换膜式微藻污水处理系统及方法有益效果在于:本发明可实现微 藻与污水的非直接接触式培养，从而有效避