離子交換膜式微藻污水處理系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及利用微藻處理污水的系統和方法，具體涉及一種離子交換膜式微藻污 水處理系統及方法。
【背景技術】
[0002] 目前，由于世界人口的飆升、經濟的快速發展和環境的惡化，諸多國家面臨較為嚴 重的淡水資源短缺問題，尤其是水資源本就不豐富的國家和地區。據統計，目前全球約有10 億人無法獲取安全的飲用水，世界住院患者半數以上染病與污水相關。因此，合理有效的解 決水資源短缺問題已成為當今社會的重中之重。在2009年，全球每年水資源消耗量約為 3.91 X1012m3,其中半數以上都會變成廢水排入環境中，在水資源浪費的同時，對環境造成 嚴重污染。鑒于此，對污水進行治理回收成為近年來世界各國研究的重點課題。
[0003] 對污水進行回收處理的方法主要有物理-化學法，微生物厭氧發酵法和微藻處理 法。物理-化學法是指通過沉淀、過濾和吸附等手段將污水中的固體懸浮物進行除去。這種 方法主要是針對固體懸浮物顆粒進行的，而污水中的其他成分則無法除去。微生物厭氧發 酵法是利用厭氧微生物的代謝，在無氧環境下，將污水中的有機物轉化為沼氣和水，可實現 除廢與產能的同步進行。然而，該技術無法除去污水中的無機鹽離子，如硝酸鹽、銨鹽、磷酸 鹽等。為了對污水中的氮磷無機鹽離子進行去除，學者提出了利用微藻處理污水的方法。微 藻是一種單細胞生物，可利用污水中的氮磷等無機物作為營養物質，以太陽能作為能量來 源，將空氣中的二氧化碳進行捕捉，通過自身生長代謝轉化為油脂、糖類和蛋白質等產物， 達到一舉多得的功效。
[0004] 傳統的利用微藻對污水進行處理的方法一般是直接將微藻與污水進行混合，微藻 在生長的同時將污水中的氮磷無機鹽吸收。然而，由于污水具有較大的混濁度及較高濃度 的銨鹽和重金屬等離子，直接混合時會對微藻生長造成較強烈的毒害作用，導致其生長速 率較慢，從而降低了污水中氮磷移除率。有學者通過將污水進行稀釋，使其混濁度和氮磷及 重金屬離子達到適宜微藻生長的濃度后再將微藻與污水進行混合。然而，在大規模應用時， 這種方法需要投入大量的凈水資源對污水進行稀釋，浪費凈水資源的同時還會大大增加污 水處理成本。與此同時，微藻吸收大量的重金屬后，其下游產品主要是生物柴油、營養品、護 膚品等，會有較大的毒性而不利于發動機使用或人畜使用。
【發明內容】
[0005] 為提高微藻處理污水可行性和經濟性，本發明提供了一種離子交換膜式微藻污水 處理系統和方法。
[0006] 本發明的第一個技術方案是:一種離子交換膜式微藻污水處理方法，其特征在于： 包括如下步驟：
[0007] A:系統搭建:所述系統包括氣體源、微藻培養腔室和污水處理腔室;微藻培養腔室 的頂部設置出氣口，污水處理腔室的底部設置排水口；氣體源與微藻培養腔室相連通，所述 氣體源為微藻生長提供底物;微藻培養腔室與污水處理腔室相連通；同時，在污水進入微藻 培養腔室的通道上設置有陰離子交換膜和陽離子交換膜；
[0008] B:反應器接種:將活化后的微藻菌種以一定濃度接種于滅菌后的凈水中并轉移至 微藻培養腔室內；
[0009] c:污水處理及微藻培養:將氣體源中的氣體鼓入微藻培養腔室;將待處理污水通 過污水初級過濾裝置過濾污水中的大顆粒固體懸浮物后，排入污水處理腔室中；污水中的 陰離子和陽離子分別通過陰離子交換膜和陽離子交換膜滲入微藻培養腔室中，為微藻生長 提供營養;而氣體源中的氣體為微藻生長提供碳源;在培養微藻的同時，污水中的無機鹽得 到去除;被利用后的氣體通過出氣口排出;培養周期結束后，收獲微藻，排出處理后的污水。
[0010] 根據本發明所述的離子交換膜式微藻污水處理方法的優選方案，系統搭建前還需 進行如下步驟；
[0011]第一步:污水物理-化學參數確定:測試待處理污水中各種離子濃度，以確定離子 濃度最大的陰離子和陽離子；
[0012] 第二步：陰離子交換膜與陽離子交換膜最佳面積比計算:根據所測得的污水物理-化學參數，測試單位時間單位面積陰離子交換膜和陽離子交換膜上各種離子的滲透速率， 并根據所選微藻藻種查找其所需最佳離子量，對離子滲透量和微藻需求量進行核算，使離 子滲入量與微藻生長需求量相符;并根據第一步中所得到的離子濃度最大的陰離子和陽離 子來分別核算離子交換膜面積，得出陰離子交換膜與陽離子交換膜最佳面積比；
[0013] 根據本發明所述的離子交換膜式微藻污水處理方法的優選方案，所述系統采用筒 式結構;所述污水處理腔室設置在微藻培養腔室的內部;微藻培養腔室的壁面為鏤空結構， 鏤空處交替設置陰離子交換膜和陽離子交換膜;陰離子交換膜和陽離子交換膜的面積由步 驟二確定。
[0014] 根據本發明所述的離子交換膜式微藻污水處理方法的優選方案，所述系統采用板 式結構;所述污水處理腔室設置在微藻培養腔室的兩側，微藻培養腔室與污水處理腔室之 間的壁面為鏤空結構，鏤空處交替設置陰離子交換膜和陽離子交換膜；陰離子交換膜和陽 離子交換膜的面積由步驟二確定。
[0015] 根據本發明所述的離子交換膜式微藻污水處理方法的優選方案，所述系統采用管 式結構;微藻培養腔室與污水處理腔室通過管路連通;該管路包括前段和后段，管路的后段 浸泡在微藻培養腔室的培養液中；該管路的后段由陰離子交換膜和陽離子交換膜構成；陰 離子交換膜和陽離子交換膜的面積由步驟二確定。
[0016] 本發明的第二個技術方案是：離子交換膜式微藻污水處理系統，該系統包括氣體 源、微藻培養腔室和污水處理腔室;其特征在于:微藻培養腔室的頂部設置出氣口，污水處 理腔室的底部設置排水口；氣體源與微藻培養腔室相連通，所述氣體源為微藻生長提供底 物;所述微藻培養腔室與污水處理腔室相連通;并且，污水進入微藻培養腔室的通道上設置 有陰離子交換膜和陽離子交換膜。
[0017] 根據本發明所述的離子交換膜式微藻污水處理系統的優選方案，所述系統采用筒 式結構;所述污水處理腔室設置在微藻培養腔室的內部;微藻培養腔室的壁面為鏤空結構， 鏤空處交替設置陰離子交換膜和陽離子交換膜。
[0018] 根據本發明所述的離子交換膜式微藻污水處理系統的優選方案，所述系統采用板 式結構所述污水處理腔室設置在微藻培養腔室的兩側;微藻培養腔室與污水處理腔室之間 的壁面為鏤空結構，鏤空處交替設置陰離子交換膜和陽離子交換膜。
[0019] 根據本發明所述的離子交換膜式微藻污水處理系統的優選方案，所述系統采用管 式結構;微藻培養腔室與污水處理腔室通過管路連通;該管路包括前段和后段，管路的后段 浸泡在微藻培養腔室的培養液中；該管路的后段由陰離子交換膜和陽離子交換膜構成。
[0020] 本發明的工作原理為：
[0021] 由于在離子交換膜表面上存在較多的活性交換位點，具體講，陽離子交換膜上含 有較多的羧基基團-C00H、磺酸基團-S03H和苯酚基團-C 6H4〇H等酸性基團；陰離子交換膜上 含有較多的季胺基團-NCH33OH或胺基基團-NH 2等堿性基團。這些基團在水溶液環境下能將 自身的離子與溶液中的同號離子進行交換。其中，陽離子交換膜表面基團上的氫離子能與 溶液中的金屬離子或其他陽離子進行交換膜，而陰離子交換膜表面基團所產生的氫氧根能 與陰離子進行交換。在污水腔室中的高濃度目標離子與微藻培養培養腔室中的低濃度目標 離子通過濃度差作用下，離子交換膜分別進行兩次離子交換即可實現目標離子從污水腔室 向微藻培養腔室的定向傳輸。其離子交換反應式如下所示：
[0022]陽離子交換反應式:R-S03H+A+4R-S03A+H+
[0023] 陰離子交換反應式:R-N( CH3) 3〇H+B--R-N( CH3) 3B+0H-
[0024] 其中，A+為某一目標陽離子，為某一目標陰離子。
[0025] 本發明的離子交換膜式微藻污水處理系統及方法有益效果在于:本發明可實現微 藻與污水的非直接接觸式培養，從而有效避