【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种污水处理系统及方法，更具体的说，尤其涉及一种低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统及方法。
技术介绍
1、为实现循环经济和减少碳排放，亟需研发新工艺以充分挖掘污水中蕴含的潜能和资源，来实现污水处理过程中的能量自给甚至盈余。当前常规的城市污水处理生物脱氮系统中，曝气和混合液内回流是保证系统良好脱氮性能的重要环节，同时也是污水处理过程中耗能最高的环节。好氧区曝气为硝化菌提供溶解氧，通过硝化作用将废水中的氨氮转化为硝酸盐；随后硝酸盐内回流返回至缺氧区进行反硝化作用。内回流比越高，则脱氮效率越高，但是能耗也会成比例增加。然而在实际运行过程中，曝气系统不仅能够为脱氮系统提供溶解氧，同时也能产生向上的水流推力，但在常规生物脱氮系统的设计与运行并未对此部分动力加以考虑和利用。若能充分利用曝气动力将其作为水流推力，将会对污水处理厂脱氮效率提高、运行成本降低具有十分重要的意义。
2、全球城市污水中氨氮（nh4+-n）平均浓度大约为40 mg/l，以每年城市污水排放量3800亿立方米计，全球城市污水中氨氮含量约为1520万吨，相当于约1850万吨nh3/年。传统生物脱氮工艺消耗了大量能量将城市污水中大部分nh4+-n转化为n2而没有进行收集。例如，在传统的硝化-反硝化过程中，去除1 kg氨氮大约需要2.6~6.2千瓦时的电能，且在生物脱氮过程中，会伴随产生n2o。铵盐作为一种有效的化肥，对维持全球农业生产力至关重要，因此如果可以通过某种方式实现污水中的氮元素的有效回收，这将为污水处理耗能产业实现可持续绿色转型开辟新途
3、藻类至今已被应用于废水处理领域有50多年历史，但是近些年来这项技术尤其受到重视。目前比较常用的技术有高效藻类塘、藻菌固定化技术以及藻类光生物反应器。与传统的废水处理方式相比，藻类处理技术不仅使氮磷元素得到了高效去除，还提高了藻类生物量，产生了氧气，为后续的藻类资源化利用提供了基础。研究表明藻类有着良好的脱氮除磷性能，通过光合作用可为微生物的繁殖代谢提供所需的氧气，利用这种特性可将其应用到污水处理行业，实现菌藻共生体系，二者耦合形成的菌藻工艺具有光合产氧、同化固氮、异同步固磷、碳捕捉等优势。本专利技术设计的曝气自循环连续型反应器结合进行污水处理，能够充分发挥菌藻之间的协同促进作用，提高脱氮除磷性能的同时降低曝气的能耗。
技术实现思路
1、本专利技术为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统及方法。
2、本专利技术的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，包括生物反应器、曝气装置、进水箱、给水泵、反射聚光光伏系统和plc控制系统，进水箱中暂存的待处理污水经给水泵和进水管抽至生物反应器中，生物反应器的上部经第一回流管与曝气装置的底部相通，曝气装置的上部经第二回流管与生物反应器的底部相通；反射聚光光伏系统将太阳能转化为电能并存储在储电箱中，plc控制系统用于控制污水处理系统的运行；其特征在于：
3、所述生物反应器中设置有光源，光源的外部设置有对其密封的高透光率和高散射率的不透水材料，密封后光源的外围设置有高比表面积的载体，载体上固定有微藻球；生物反应器中接种有好氧颗粒污泥，好氧颗粒污泥中的细菌与微藻球通过培养出的共生体系构建出菌藻共生生物膜，由菌藻共生生物膜实现对污水的处理；
4、所述曝气装置的底部设置有曝气头，曝气装置的外部设置有对曝气头供气的气体压缩机；曝气头通过对曝气装置中污水的曝气，使得曝气装置中的液位高于生物反应器中的液位，且曝气装置底部污水的密度小于生物反应器中污水的密度，在液位差的作用下曝气装置中的污水经第二回流管流入生物反应器中，在密度差的作用下生物反应器中的污水经第一回流管流入曝气装置中，以实现污水在生物反应器与曝气装置中循环流动，使污水处理达标；曝气装置的上部设置有将处理后的污水排出的出水管；
5、生物反应器内部的上端设置有气体收集装置，气体收集装置实现生物反应器中污水处理过程中产生的氮气、n2o在内的混合气体的收集，气体收集装置经管路连接有储气罐，储气罐经管路对气体压缩机供气；
6、储电箱对plc控制系统、光源、给水泵和气体压缩机供电。
7、本专利技术的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，生物反应器中接种的好氧颗粒污泥具有硝化和反硝化作用，好氧颗粒污泥中还接种有反硝化除磷菌和聚磷菌，以使好氧颗粒污泥具有一定的除磷功能；污水中含氮有机化合物进入到生物反应器中后，好氧颗粒污泥外围好氧区中的细菌利用曝气提供的o2以及微藻球光合作用释放的o2，经过氨化反应、硝化反应将有机氮化合物分解转化为硝酸盐氮无机氮化合物，生成的硝酸盐氮在好氧颗粒污泥的内部缺氧区域发生反硝化作用，还原成气态氮，完成细菌生物脱氮的过程；同时，经细菌氧化分解产生的无机氮化合物通过细菌和微藻球的同化作用吸收，转化为细菌和微藻球的胞内物质，实现细菌和微藻球自身生长发育，以实现细菌和微藻球共存，形成菌藻颗粒或生物膜，使得微藻球与细菌间形成强共生关系的同时，实现高效泥水分离。
8、本专利技术的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，所述曝气装置的主体由曝气柱构成，生物反应器和曝气柱均由有机玻璃浇筑形成的具有高径比的透明圆柱体构成，曝气柱的内径小于曝气装置的内径；曝气头位于曝气柱的底部，气体压缩机经管路与曝气头相连接，气体压缩机与曝气头之间的管路上设置有气体流量计；plc控制系统通过调节气体流量计来控制曝气柱与生物反应器之间的液位差h，从而控制整个污水处理系统的循环倍数，以此来控制生物反应器中合适的溶解氧浓度和co2，以达到培养菌藻共生生物膜和处理水质达标排放的目的。
9、本专利技术的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，所述生物反应器中接种的固定式微藻球利用污水中经细菌降解的无机物和细菌呼吸作用产生的co2，在光源提供光合作用所需光能下进行光合作用，产生自身生长所需能量以实现在载体上的生长，随着生长过程的进行，微藻球逐渐在在载体表面形成生物膜以促进污水中污染物物质的处理。
10、本专利技术的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，所述气体收集装置与储气罐之间的管路上依次设置有控制阀和气压表，在控制阀和气压表作用下将生物反应器中硝化反硝化作用产生的含n气体运送至储气罐用于回收利用。
11、本专利技术的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，所述光源采用led一体化灯管，led一体化灯管的下端固定于生物反应器的底部，生物反应器的外部设置有线路箱，线路箱对led一体化灯管供电，储电箱对线路箱供电。
12、本专利技术的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，所述反射聚光光伏系统设置于生物反应器的外侧或顶部，反射聚光光伏系统由光反射装置、光能接收器、万向旋转装置和太阳能电池板构成，所述光反射装置固定在所述的万向旋转装置上，并能够沿任意方位旋转，光能接收器通过支架固定在所述光反射装置的光反射路径上；太阳能电池板将收集的光能转化为电能并储存在储电箱中。
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【技术保护点】
1.一种低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，包括生物反应器（1）、曝气装置（2）、进水箱（29）、给水泵（28）、反射聚光光伏系统（6）和PLC控制系统（7），进水箱中暂存的待处理污水经给水泵和进水管（30）抽至生物反应器中，生物反应器的上部经第一回流管（11）与曝气装置的底部相通，曝气装置的上部经第二回流管（12）与生物反应器的底部相通；反射聚光光伏系统将太阳能转化为电能并存储在储电箱（32）中，PLC控制系统用于控制污水处理系统的运行；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：生物反应器（1）中接种的好氧颗粒污泥具有硝化和反硝化作用，好氧颗粒污泥中还接种有反硝化除磷菌和聚磷菌，以使好氧颗粒污泥具有一定的除磷功能；污水中含氮有机化合物进入到生物反应器中后，好氧颗粒污泥外围好氧区中的细菌利用曝气提供的O2以及微藻球光合作用释放的O2，经过氨化反应、硝化反应将有机氮化合物分解转化为硝酸盐氮无机氮化合物，生成的硝酸盐氮在好氧颗粒污泥的内部缺氧区域发生反硝化作用，还原成气态氮，完成细菌生物脱氮的过程；同时，经细菌氧化分
3.根据权利要求1或2所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：所述曝气装置（2）的主体由曝气柱（22）构成，生物反应器（1）和曝气柱均由有机玻璃浇筑形成的具有高径比的透明圆柱体构成，曝气柱的内径小于曝气装置的内径；曝气头（23）位于曝气柱的底部，气体压缩机（17）经管路与曝气头相连接，气体压缩机与曝气头之间的管路上设置有气体流量计（18）；PLC控制系统（7）通过调节气体流量计（18）来控制曝气柱与生物反应器之间的液位差h，从而控制整个污水处理系统的循环倍数，以此来控制生物反应器（1）中合适的溶解氧浓度和CO2，以达到培养菌藻共生生物膜（3）和处理水质达标排放的目的。
4.根据权利要求1或2所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：所述生物反应器（1）中接种的固定式微藻球利用污水中经细菌降解的无机物和细菌呼吸作用产生的CO2，在光源（5）提供光合作用所需光能下进行光合作用，产生自身生长所需能量以实现在载体上的生长，随着生长过程的进行，微藻球逐渐在在载体表面形成生物膜以促进污水中污染物物质的处理。
5.根据权利要求1或2所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：所述气体收集装置（4）与储气罐（19）之间的管路上依次设置有控制阀（33）和气压表（31），在控制阀（33）和气压表（31）作用下将生物反应器（1）中硝化反硝化作用产生的含N气体运送至储气罐（19）用于回收利用。
6.根据权利要求1或2所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：所述光源（5）采用LED一体化灯管，LED一体化灯管的下端固定于生物反应器（1）的底部，生物反应器（1）的外部设置有线路箱（16），线路箱对LED一体化灯管供电，储电箱（32）对线路箱供电。
7.根据权利要求1或2所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：所述反射聚光光伏系统（6）设置于生物反应器（1）的外侧或顶部，反射聚光光伏系统由光反射装置、光能接收器、万向旋转装置和太阳能电池板构成，所述光反射装置固定在所述的万向旋转装置上，并能够沿任意方位旋转，光能接收器通过支架固定在所述光反射装置的光反射路径上；太阳能电池板将收集的光能转化为电能并储存在储电箱（32）中。
8.根据权利要求1或2所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：所述生物反应器（1）中设置有在线水质检测探头（20）和pH、DO测定仪（21），在线水质检测探头与PLC控制系统（7）相连接；曝气装置（2）的上端设置有上出水管（24）和下出水管（26），下出水管比上出水管低5cm，上出水管和下出水管上均设置有电磁阀（25），下出水管的末端连接有蓄水池（27）；
9.根据权利要求1或2所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：所述生物反应器（1）的上部开设有第一出水口（9），生物反应器的下部开设有排泥口（10）和第一进水口（13），曝气装置（2）的上部和下部分别设置有第二出水口（14）和第二进水口（15），第一出水口经第一回流管（11）与第二进水口相连通，第二出水口经第二回流管（12）与第一进水口相连接。
10.一种基于权利要求...
【技术特征摘要】
1.一种低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，包括生物反应器（1）、曝气装置（2）、进水箱（29）、给水泵（28）、反射聚光光伏系统（6）和plc控制系统（7），进水箱中暂存的待处理污水经给水泵和进水管（30）抽至生物反应器中，生物反应器的上部经第一回流管（11）与曝气装置的底部相通，曝气装置的上部经第二回流管（12）与生物反应器的底部相通；反射聚光光伏系统将太阳能转化为电能并存储在储电箱（32）中，plc控制系统用于控制污水处理系统的运行；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：生物反应器（1）中接种的好氧颗粒污泥具有硝化和反硝化作用，好氧颗粒污泥中还接种有反硝化除磷菌和聚磷菌，以使好氧颗粒污泥具有一定的除磷功能；污水中含氮有机化合物进入到生物反应器中后，好氧颗粒污泥外围好氧区中的细菌利用曝气提供的o2以及微藻球光合作用释放的o2，经过氨化反应、硝化反应将有机氮化合物分解转化为硝酸盐氮无机氮化合物，生成的硝酸盐氮在好氧颗粒污泥的内部缺氧区域发生反硝化作用，还原成气态氮，完成细菌生物脱氮的过程；同时，经细菌氧化分解产生的无机氮化合物通过细菌和微藻球的同化作用吸收，转化为细菌和微藻球的胞内物质，实现细菌和微藻球自身生长发育，以实现细菌和微藻球共存，形成菌藻颗粒或生物膜，使得微藻球与细菌间形成强共生关系的同时，实现高效泥水分离。
3.根据权利要求1或2所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：所述曝气装置（2）的主体由曝气柱（22）构成，生物反应器（1）和曝气柱均由有机玻璃浇筑形成的具有高径比的透明圆柱体构成，曝气柱的内径小于曝气装置的内径；曝气头（23）位于曝气柱的底部，气体压缩机（17）经管路与曝气头相连接，气体压缩机与曝气头之间的管路上设置有气体流量计（18）；plc控制系统（7）通过调节气体流量计（18）来控制曝气柱与生物反应器之间的液位差h，从而控制整个污水处理系统的循环倍数，以此来控制生物反应器（1）中合适的溶解氧浓度和co2，以达到培养菌藻共生生物膜（3）和处理水质达标排放的目的。
4.根据权利要求1或2所述的低能耗高聚光的自循环菌藻共生污水处理系统，其特征在于：所述生物反应器（1）中接种的固定式微藻球利用污水中经细菌降解的无机物和细菌呼吸作用产生的co2，在光源（5）提供光合作用所需光能下进...
【专利技术属性】
技术研发人员：戚伟康，占菁菁，姜禹竹，孙语鸽，张莉，倪寿清，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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