wangming利用微藻脱氮除磷的光生物反应器的设计报告.docx

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wangming利用微藻脱氮除磷的光生物反应器的设计报告

摘要

在污水处理厂二沉池后构建微藻光生物反应器，以二级出水为培养基进行微藻培养，同时在处理系统中选择含油脂量高的藻种作为污水深度脱氮除磷的单元，可以在深度净化污水的同时，从水中回收N、P等营养物质，并将收获的高价值微藻细胞生物质作为生产生物柴油的原料，从而完成污水的深度脱氮除磷处理与微藻生产生物柴油相结合的目的，实现污水处理系统从处理工艺向生产工艺的转化。

本设计主要是一种操作简单,价格低廉,光能和C02利用率高,能高密度培养小球藻（Chlorellavulgaris）的220L跑道式光生物反应器,设备主体由PC材质的反应釜和不锈钢支架组成，并配备PLC自控操作仪，使温度、PH、溶解氧等可以自动调节，且增加了LED光照补充系统，可以实现微藻连续光合作用，加快对污水中氮磷的吸收。

根据装置流程对光生物反应器的各部件进行安装说明,同时介绍了该跑道式光生物反应器用于培养小球藻的具体方法和步骤。

为日后微藻培养和污水处理耦合工艺的实验研究提供的适合的设备，推进新技术的发展，加快国内对污水处理新工艺的研究。

关键词：

污水深度处理微藻脱氮除磷光生物反应器

Abstract

Energycrisisandthecrisisofwaterresourcearetwobigproblemintoday'sworld.Developmentofefficientnitrogenandphosphoruscontroltechnologyandfindsustainablerenewableandenvironmentallyfriendlynewenergyistheeffectivemeasuretosolvethesechallenges.Theemergenceofmicroalgaecultivationtechnologyforwaterqualitydeeppurification,thenitrogenandphosphorusefficientremovalandbioenergyproduction.Inthedepthofthesewagetreatmentprocessandonthebasisofmicroalgaecultivationtoproducebiodiesel,putforwardthewastewateradvancedtreatmenttechnologyandmicroalgaecultivatingtheconceptofcouplingproductiontechnology,withtheNandPinwastewatersuchasinorganicsubstancesforthesubstrate,onthecultivationofmicroalgae,realizetheefficientremovalofnitrogenandphosphorusinsewage,formicroalgaeharvestedatthesametime,andthroughthedifferentwayofalgalcellsintheprocessingproductionofbiofuels.

Thisdesignmainlyisakindofsimpleoperation,lowcost,highutilizationrateoflightenergyandourfleet,canhighdensitytocultivateChlorella（Chlorellavulgaris）of220llandingstriplightbioreactors,andaccordingtotheinstallationprocessopticalpartsforinstallationofbioreactorconnectionandinstructions,atthesametimeintroducedtherunwaylighttypebioreactorisusedforcultivationofspecificmethodsandstepsofChlorella.

Keywords:

advancedwastewatertreatmentmicroalgaenitrogenandphosphorusremoval

photobioreactors

第一章绪论

微藻培养技术的出现，为污水的深度脱氮除磷处理和生物质能源的生产提供了契机。

在污水的深度脱氮除磷工艺和微藻培养产生生物柴油的基础上，提出了污水深度处理工艺和微藻培养生产工艺耦合的理念，以污水中的N、P等无机物为底物，进行微藻的培养，实现污水中氮、磷的高效去除，同时进行微藻的收获，并通过不同的藻细胞加工方式生产各种生物燃料。

1.1课题背景

水资源危机和能源危机和是当今世界的两大难题。

开发高效的污水处理技术以及寻找可再生、环境友好的新能源是解决这些问题的有效手段。

利用污水大规模培养微藻生产生物质柴油已经成为国内外学者关注研究的一个崭新领域和方向。

微藻具有特殊的生理生态功能和突出的优点，是开展污水净化和生物质能源生产的不二选择。

1.1.1能源危机与水资源危机

能源危机关系到人类的未来发展。

据估计，全球的原油储量和天然气储量将分别在40年和64年后用尽[1]。

在石油和煤炭等不可再生资源面临枯竭的同时，化石燃料的大量燃烧也带来了许多环境问题。

能源危机关系到国家的经济安全和长远发展；另外，能源的供应不但影响到经济的发展，也与各国间的军事、政治息息相关，并且这种影响在今后将变的越发重要。

同时，能源问题还牵扯到工人就业等民生问题。

总之，能源与我们的生活息息相关，能源枯竭必将带来毁灭性灾难。

因此，开发可再生和环境友好型新能源，是我们当下面临的重要任务。

与能源危机并行的另一大危机就是淡水资源危机。

我国人均淡水资源匮乏且浪费和污染严重。

2014年度的中国环境状况公报显示：

环保部对全国423条主要河流、62座重点湖泊（水库）的968个国控地表水监测断面（点位）开展了水质监测，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ类水质断面分别占3.4%、30.4%、29.3%、20.9%、6.8%、9.2%，主要污染指标为化学需氧量、总磷和五日生化需氧量。

全国近岸海域301个国控监测点中，一、二、三、四及劣四类海水分别占28.6%、38.2%、7.0%、7.6%、18.6%，主要污染指标为无机氮和活性磷酸盐。

全国202个地级及以上城市开展了地下水水质监测工作，水质为优良级的监测点比例为10.8%，良好级的监测点比例为25.9%，较好级的监测点比例为1.8%，较差级的监测点比例为45.4%，极差级的监测点比例为16.1%。

因此，解决水资源污染问题对我国来说刻不容缓。

1.1.2藻类生物质能源的发展及优势

开发新能源成为应对能源危机的唯一方法。

新能源包括太阳能、风能、核能、地热能、氢能、海洋能和生物质能源（生物乙醇、生物氢气、生物沼气和生物柴油等）。

其中，生物质能源由于原材料丰富、生产操作安全可靠、能源形式多种多样，并且，其在燃烧过程中不向大气中净排放CO2的特点，在近30年的时间内，受到了国内外的广泛关注。

生物质能源的原料中，藻类因光合作用效率高、生长速度快、生长周期短、占地面积小、生产成本相对较低、油脂及生物质产率高和环境效益显著（其生长过程可吸收大量氮、磷等营养物质，并可通过光合作用固定CO2）等优势，吸引了越来越多的学者关注，并成为了新型生物质能源领域的研究前沿和热点[2]。

就目前来言，欧美、日本及包括我国在内的许多国家，都在越来越重视藻类生物质能源的研究和发展。

其中，美国在藻类生物质能源领域的研究因起步较早走在了该领域的前列,其最著名的项目是从1978年到1996年实施的“水生物种研究项目”（AquaticSpeciesProgram，ASP）,ASP项目系统研究了藻类作为生物质能源原材料的潜力[3]。

自20世纪90年代，随着世界经济的快速发展，石油的需求量日益增加并导致了一定程度的能源短缺，环境退化。

随着原油价格逐渐升高和人们对减少温室气体排放、改善环境的强烈呼吁，微藻生产生物柴油课题再次被给予了各方各界的极大关注。

美国能源部也于2008年重新启动了与藻类生物质能源相关的研究项目。

1.1.3污水处理现状

目前我国城镇生活污水处理系统中,常用的污水处理方法有活性污泥法、生物膜法、A2O及其衍生工艺、SBR工艺等。

这类传统的生活污水处理方法技术成熟,出水比较稳定,对有机物质、SS的去除率都很高,对细菌、病毒等有害的微生物去除效果也很好,但对污水中存在的N、P等营养物质,只能去除其总量的20%~40%,出水的总氮和总磷含量仍然偏高,完全可以引起水体的富营养化。

而近年来常用的以生物化学的方法处理和微生物处理为主的脱氮除磷工艺药剂消耗量大、运行成本较高,且传统的生化二级处理除磷工艺中，只是使大量的磷从污水转移至剩余污泥中,从根本上看,仍然不能消除磷对生态环境的影响，而且浪费了营养元素。

传统污水处理过程中，包括污水提升、氧气供给、化学需氧量（COD）生物转化、脱氮除磷、污泥浓缩等步骤。

在此过程中会消耗大量的电能，细菌等微生物降解污水中有机物的同时会有大量的CO2排放到大气中。

据统计，2010年我国城市污水处理厂污水处理总量达到0.88亿m3/d，处理城市污水所产生的CO2量约为0.29kg/（m3/d），每年CO2的排放量达到913.5万吨（相当于232.9万辆汽车年排放CO2量或350.7万吨左右标准煤燃烧排放的CO2量）[4]。

由此可见，我国城市污水处理厂CO2排放量巨大，且处于无控制排放状态。

因此，研究一种全新的，环境友好型的污水处理方法具有重大意义。

1.1.4污水处理与藻类生物质能源生产耦合

一方面，微藻的培养需要大量的淡水资源和无机氮、磷等营养元素；另一方面，污水处理厂要对大量的潜在淡水资源--污水，进行脱氮除磷处理。

因此，将微藻培养和污水处理二者有机的结合起来可以获得一箭双雕的效果。

1.2国内外研究历程及分析

利用污水大规模培养微藻生产生物柴油已经成为国内外学者关注的一个崭新领域和方向。

1.2.1国内外研究历程及现状

在20世纪50年代，Oswald和Gotaas[5]就提出将微藻作为一种替代生活污水处理中的活性污泥的生物系统，奠定了藻类污水处理技术的基础。

20世纪60年代出现了高速率藻塘（HRAP）,它通过形成藻菌共生系统（Algae-bacteriasymbioticsystem）来净化污水[6]。

1971年,Mcgriff等提出“活性藻”方法,把藻类和活性污泥结合起来,使藻类具有与活性污泥一样良好的絮凝沉降性能,再采用与活性污泥似的流程来处理污水,污水中氮的去除率达92%,磷的去除率达94%[7]。

20世纪80年代之后,国内外对利用微藻净化城镇生活污水进行了大量的实验室和各种规模的试验性研究,更加深入的了解了微藻净化污水的机理,并相继建立了微藻吸收并去除N、P营养物质的动力型模型及与环境因子的相关模型。

这些都为微藻应用于城市生活污水处理打下了良好的基础。

1.2.2当前技术前沿与热点

大量的研究表明，藻类对农业废水、城市生活污水等污水中的N、P等营养物质有十分显著的去除效果。

但是，利用藻类处理城镇生活污水仍存在以下技术难点：

生物量少、水力停留时间较长、易造成出水SS过高等。

为解决上述难点，国内外研究者进一步开发了微藻光生物反应器、固定化藻类系统等藻类污水生物处理系统。

当前国外利用光生物反应器培养藻类已从实验室发展到大规模工业化生产，法国Cadarache的一个工厂已达到1000m2的规模[8]。

微藻光生物反应器的开发研制也是我国微藻研究中的一个新领域，但国内利用光生物反应器培养藻类起步较晚，一直未取得突破性进展，目前还尚处于实验室规模。

所以我国仍急需要研制出光能利用率高、价格便宜、适用于城镇生活污水处理及藻类易收获的一体化的微藻光生物反应器。

1.2.3光生物反应器的种类

目前藻类培养主要是通过自养和异养两种方式。

微藻的自养培养系统可分为两种：

即利用开放式户外池塘和封闭式光生物反应器。

开放式户外池塘可分为圆池式、跑道式和斜坡式等。

封闭式光生物反应器包括跑道式、柱式、管式、板式等。

其中封闭跑道式光生物反应器中藻类对光的利用率高，氮、磷等在污水中分布均匀，是当前研究的主要方向。

第二章微藻污水处理耦合工艺设计

2.1藻种的选择

筛选出适合的藻种对其应用场合、培养的难易程度及微藻的后续收获利用都有密切的关系。

2.1.1筛选条件

筛选出合适的藻种是该耦合工艺的关键一步。

对于可进行污水处理且能回收生产生物柴油的藻种，通常要求：

生长速度快、光利用率高、对酸碱环境适应性强、适应温度范围宽、CO2转化率高、对重金属有较高的耐性；同时，要具有高产油率、易于收获、在培养系统中为优势藻种等。

如图2.1[9]所示，蓝藻和绿藻具有较大优势，且绿藻中的小球藻Chlorella和斜生栅藻Scenedesmusobliquus耐污能力强，可直接利用水中的有机物；同时，小球藻还属于富油微藻，所以小球藻是比较合适的选择。

但是对于用于污水处理来说仍有较大的缺点，因此选育合适的藻种仍是未来短期内的重要目标。

图2.1各藻种比较

Figure2.1Theeffectscomparison

2.1.2营养条件及培养环境

微藻生长所需要的营养元素大约有15~20种，主要为C、N、P、Fe、Mn、Mo、Co、Zn等元素[10]。

而一般生活污水中就富含微藻可利用的营养物质。

曾有研究者对低浓度生活污水培养小球藻进行过实验，小球藻生长和污水处理效果均良好。

即证明，利用微藻直接在污水中培养，去除污水中的无机和有机污染物的同时产油微藻正常生长在技术上是可行的。

藻类的生长需要适宜的外部环境，如：

温度、光照、PH、DO等。

所以光生物反应器在运行过程中，必须时刻进行监测这些外部条件。

2.1.3小球藻对污水中氮磷净化率

陈春云等[11]研究发现小球藻最高去除富营养水体中的N、P率可达到80%。

吕福荣[12]等研究发现小球藻在自养条件下2d后对添加在自来水中氮、磷利用率可分别达到75%和62%。

胡开辉等[13]研究发现小球藻对生活污水中氮的去除率达到87.6%左右，对磷的去除率达89.0%。

于媛等[14]研究发现小球藻去除水产加工废水中氨态氮可达76.9%。

2.2耦合工艺设计原理及目标

2.2.1耦合工艺设计原理

在污水处理厂二沉池后构建微藻光生物反应器，以二级出水为培养基进行微藻培养，同时在处理系统中选择有益藻种作为深度脱氮除磷的单元，可以在深度净化污水的同时，从水中回收氮磷，并将获得的高价值微藻细胞生物质作为生产生物柴油的原料，从而将污水的深度处理与生产生物柴油相结合，实现污水处理系统从处理工艺向生产工艺的转化，不但深度净化了污水，而且把污水作为资源为人类的发展服务。

2.2.2耦合工艺的近期目标

废水微藻资源化处理耦合工艺的近期目标是对污水处理厂以现有污水处理设备为基础进行升级改造。

就是在现有的污水处理厂基础上进行改造，在二沉池后建设微藻光生物反应器，以二级出水为培养基培养高油脂含量的可进行污水脱氮除磷的优势藻种。

工艺流程如图2.2[15]所示。

图2.2废水微藻资源化耦合工艺流程图

Figure2.2Microalgaewastewaterrecyclingcouplingprocessflowdiagram

曝气阶段：

1、可由光生物反应器内的微藻光合作用产生的浓度较高的O2，提供补充曝气阶段的耗氧；并且由于活性污泥中微生物的呼吸作用放出大量的CO2，可用于微藻光生物反应器的无机碳源补充。

2、由于耦合工艺以二级出水为培养基，藻类生长繁殖需要大量的氮、磷等无机元素，而传统污水处理厂的二级出水至少达到国家一级B的水质要求，氮、磷等无机元素的含量较低。

所以，在改造后的污水处理厂的二级处理中不必采用A2O工艺进行脱氮除磷，只要通过一般的活性污泥方法去除有机污染物等就可以；氮、磷等无机元素可以作为微藻的营养原料，在三级处理（光生物反应器）中进行充分的利用和去除，可更大限度的节约脱氮除磷设备建设及运行过程中的成本。

光生物反应器阶段：

1、微藻的生长需要由外部补充无机碳源，除曝气池的CO2流入外，还可以把附近工厂（如热电厂等）内产生的高CO2浓度废气通入；既可以保护环境，减缓温室效应，又可以作为无机碳源供藻类生长。

2、在微藻光生物反应器内部或外部，通过膜分离截留和浓藻液回流的方式，完成光生物反应器内微藻细胞的高密度培养；且在藻液通过膜分离后，水质得到净化，氮、磷含量大大降低。

膜分离后的浓藻液，进行油脂的提取，并通过酯交换反应得到生物柴油。

后续阶段：

浓藻液提取油脂之后得到的物质称藻渣。

藻渣也是生物质，其中含有大量的蛋白质、有机化合物及有机氮、磷等物质。

通过生物厌氧发酵，藻渣进一步分解产生CH4、H2等能源物质，生物厌氧发酵后剩余物质可作为生物质肥料进一步利用。

2.2.3耦合工艺的未来发展方向

未来的污水处理系统，不能再仅仅是去除水中的污染物，而应该是一种资源化、环境友好化的处理方式。

是一种把污水当做可以利用的资源，实现污水处理系统从“处理工艺”向“生产工艺”转化的新途径。

预设计工艺流程如图2.3[16]所示。

图2.3面向未来的新型污水处理与能源耦合工艺流程图

Figure2.3Forthefutureofnewtypeofsewagetreatmentandenergycouplingprocessflowdiagram

沉淀絮凝阶段：

1、沉淀池的设计不做改变与传统工艺相同，由管网收集的生活污水先进入沉淀池。

2、沉淀池出来的污水进入絮凝过滤系统，由絮凝过滤系统代替传统工艺中的曝气池。

此阶段去除了传统工艺中的A2O工艺，有机污染物不再由微生物通过呼吸作用降解为CO2或转化为剩余污泥；而是在絮凝池中通过絮凝剂的作用凝集，然后过滤分离，从而得到低有机物含量的出水。

微藻培养阶段：

根据具体环境要求，未来采取耦合工艺的污水处理厂中的微藻培养装置可以是开放塘也可以是封闭式的光生物反应器。

由于去除了传统污水处理系统中的A2O工艺，污水中的氮和磷等被作为营养元素由微藻吸收利用。

同时可以通过碳捕获和储存（carboncaptureandstorage,CCS）技术[17]给微藻培养提供碳源。

在该阶段中，不但高效去除了污水中的氮磷等元素，还回收利用了其他工厂排放的CO2，抑制了温室效应。

微藻分离、收获阶段：

一般根据所培养微藻的不同类型选择不同的分离收获方式，如：

气浮、絮凝沉淀、离心、过滤等。

通过分离得到的浓缩藻液，进行油脂提取，再通过酯交换反应生产生物柴油。

后续阶段：

1、微藻收获后污水得到净化，所获得清水，经过湿地、消毒等步骤后，进行不同方式的再生利用。

2、提取油脂后的藻渣、絮凝池中得到的高浓度有机物和初沉池中的污泥，通过厌氧消化的方法生产沼气，剩余的底物可以作为生产有机肥料的原料。

由上述过程可知，在未来的耦合工艺中，污水处理及藻类培养的过程中，不产生废弃物，不污染环境，同时还把废弃物转变成了再生水、生物质燃料、有机肥料等高价值产品。

2.3耦合工艺未来发展需克服问题

2.3.1发展途中的问题

因为耦合工艺近期目标是在原有污水处理厂的基础上进行改建，以污水的二级出水为培养基，所以藻类选择、培养过程等不同于仅以藻类生物质能源生产为目的的工艺。

现在技术上还有些许困难需要解决。

适宜二级出水条件的高产油藻种的选择

所培育藻种必须具备：

①在二级出水中能够快速生长；②高产油；③高效脱氮除磷；④生长竞争能力强。

水质条件的变化对藻类生长的影响

现有污水处理厂的二级出水的水质中氮、磷的含量偏低，经改造去除A2O工艺后，氮、磷的含量应可达到要求，但是，浓度会在一定范围内波动；且出水中会含有较多的杂菌、杂藻及有毒物质。

所以要研究不同浓度的氮、磷对藻细胞油脂积累的影响规律，以及不同温度、pH、无机碳浓度和溶解氧等对微藻细胞油脂积累的影响。

（1）培养微藻对出水水质的影响

（2）微藻细胞的生长是否会向水中排放有机物甚至是有毒有害物质，易造成出水SS过高等问题。

第三章光生物反应器的结构设计及工艺计算

3.1光生物反应器的反应釜部分设计

3.1.1反应釜主体材质的选择

光生物反应器反应釜主体部分采用PC材质。

PC是聚碳酸酯的简称，聚碳酸酯的英文是Polycarbonate，简称PC工程塑料，作为被世界范围内广泛使用的材料，PC有着其自身的特性和优点，在生活的各个角落都能见到PC塑料的影子，大规模工业生产及容易加工的特性也使其价格极其低廉。

它的强度可以满足从手机到防弹玻璃的各种需要，缺点是和金属相比硬度不足，但其强度和韧性很好。

PC材质具有以下特性：

1、透光性：

视颜色的不同，透光率可达12%--88%。

2、阻燃性：

根据国家GB8624-97测试属阻类B1级，无火滴，无毒气。

3、抗冲击：

PC耐力板的冲击强度是普通玻璃的250--300倍。

4、易装性：

易安装，可冷弯。

5、隔音性：

隔音效果佳，在国际上是高速公路隔音材料的首选。

6、防紫外线抗老化：

产品表面含有防紫外线共挤出层，户外耐候性好，长期使用仍能保持良好的光学特性和机械性能。

7、超强耐候性：

具有出色的耐候性，在-40℃到120℃范围内保持各项物理性能指标。

表3.1PC耐力板的技术指标

Table3.1ThetechnicalindexofthePCenduranceplate

【技术指标】

特性

单位

指标值

比重

g/cm2

1.2

透光率

%

88

冲击强度

J/M

850

弯曲强度

N/mm2

100

拉伸强度

N/mm2

≥60

断裂拉伸应力

Mpa

≥65

断裂拉伸率

%

＞100

导热系数

W/m·k

0.2

许用温度

℃

-40--+120

隔音效果

5mm厚PC板

衰减20分贝

表3.2几种材料部分性能比较

Table3.2Severalkindsofmaterialpartperformancecomparison

【性能比较】

性能

单位

有机玻璃

PC板

PVC板

玻璃钢

玻璃

密度

g/cm2

1.2

1.2

1.3--1.5

1.4--1.6

2.5

冲击强度

差

非常好

一般

一般

很差

连续使用温度

℃

90

120

75

100

240

可见光透过率

%

82

88

80

86

90

透光性能

数年后

很好

很好

差

差

非常好

紫外线透过率

%

40

0

0

20

80

燃烧性能

可燃

难燃

可燃

可燃

不燃

由以上比较可知，PC材料满足设计的选材要求，所以光生物反应器的反应釜部分，采用PC材质。

3.1.2PC材质连接介质的选择

设备反应釜部分采用无色透明的PC板，通过粘接，形成所需形状的容器。

粘接剂选