能耗自给型绿植、菌、藻协同共生水处理生物反应器

1.本发明涉及水处理生物反应器技术领域，具体为一种能耗自给型绿植、菌、藻协同共生水处理生物反应器。


背景技术：

2.市政污水处理厂末端出水，也称中水、尾水或再生水，即使达到城市污水排放一级a标准(化学需氧量cod 50mg l-1
、氨氮nh
4 -n 5mg l-1
、总氮tn 15mg l-1
和总磷tp 0.5mg l-1
)其残留少量氮磷营养盐含量仍远高于地表水环境质量标准v类水的标准限值(cod 40mg l-1
、nh
4 -n 2mg l-1
、tn 2mg l-1
和tp 0.4mg l-1
)，而且还可能含有病原微生物、难降解复杂有机化合物甚至新兴污染物(如激素、抗生素和毒素)，进而极大地限制了中水的回用。另外，若不经过强化处理将其直接排放至自然受纳水体，则可能会加剧水体富营养化状况并引发环境风险问题。因此，对于污水处理厂中水的强化处理已成为亟待解决的研究课题。
3.(1)现有技术不能同时兼具绿植、功能菌、微藻及其衍生生物膜协同净化能力，通常仅具备菌藻共生能力，功能相对单一、抗冲击负荷稳定性差、污染物净化能力有限。
4.(2)现有技术未能实现运行能耗自给自足，应用场景(地点)需外接电网，碳中和潜力不大，通常仅适用于实验室场景，不适用到基础设施不健全的实际场景。
5.(3)现有菌藻共生技术受反应器壁材料及培养液(基)透光性的限制，通常是采用透明材质做成的反应器壁，将发光组件安装在透明池壁的四周，在长期运行过程中透明池壁面临菌藻附着阻碍光源有效超射和光强度，致使微藻增殖和代谢缓慢，降低污水净化能力，常因另需增设光补偿点导致能耗偏高；再有，现有技术通常外置发光组件，光源利用率低，需要200-500μmol m-2
s-1
或更高光强，因其长时间工作局部温度过高而缩短其使用寿命，引发生物反应器运维成本居高不下。
6.(4)现有技术无法有效实现原位微藻细胞的固定和衡定生物质浓度的动态调控，常因微藻细胞颗粒小、密度接近水、沉降性能不好，易随出水外排而流失或藻类死亡对出水的二次污染。
7.(5)现有技术通常需要外加药剂、纯o2供应、纯co2供应，温室气体排放量大，运行和维护成本较高且难以推广应用。
8.为解决现有中水处理中所存在的问题，本技术中设计了一种能耗自给型绿植、菌、藻协同共生水处理生物反应器，致力于高效低耗去除中水残余污染物，减轻受纳水体的污染负荷，进一步拓宽中水回用渠道和缓解水资源供需矛盾。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种能耗自给型绿植、菌、藻协同共生水处理生物反应器，以解决上述背景技术中提出的问题。
10.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种能耗自给型绿植、菌、藻协同共生水处理生物反应器，包括绿植、菌、藻共生反应器箱体，微藻分离器和风光互补供电智能
化控制系统，所述绿植、菌、藻共生反应器箱体包括从下至上分布的微藻增殖区、多层填充介质区域和栽种在多层填充介质区域上的绿植；
11.所述多层填充介质区域被由上至下分布的五块穿孔过水支撑层分隔开，最下方的穿孔过水支撑层上安装有孔径为0.45μm的微藻拦截滤网；
12.所述穿孔过水支撑层上端依次填充硅藻土层、生物炭层、沸石层、天然火山石层和多孔陶粒层；
13.所述绿植、菌、藻共生反应器箱体通过输水管与进水池相连通，所述输水管上安装有第二蠕动泵和流量计，第二蠕动泵工作将进水池中的污水输送至绿植、菌、藻共生反应器箱体中净化，所述绿植、菌、藻共生反应器箱体上端的输出端与出水池的输入端相连，出水池出水直接排放；
14.所述微藻分离器的输入端通过输水管道连接于微藻增殖区，所述微藻分离器的输出端通过循环管道连接于微藻增殖区，所述循环管道上设有第一蠕动泵；
15.所述风光互补供电智能化控制系统由风电系统、光电系统、储能系统和智能化中央控制系统组成，所述风电系统和光电系统电性连接于储能系统，所述储能系统电性连接于智能化中央控制系统；
16.所述微藻增殖区底部安装两组完全相同的曝气头，曝气头通过曝气管穿过绿植、菌、藻共生反应器箱体底面连通至曝气风机，所述微藻增殖区中央位置均匀布设完全浸没式的三组垂直led发光组件；
17.所述绿植、菌、藻共生反应器箱体上端外壁出水口上下边缘处安装有液位探头，所述液位探头电性连接有液位探测器，所述智能化中央控制系统电性连接于曝气风机、led发光组件、第一蠕动泵、第二蠕动泵和液位探测器。
18.所述微藻增殖区中的藻水混合液经由输水管道输送进入微藻分离器，经过微藻分离器分离后形成上层清液和下层微藻生物质，上层清液直接回流至微藻增殖区进行净化，下层微藻生物质则通过放空口排出。
19.所述微藻分离器由上、下两个完全相同的四棱锥体通过法兰连接，法兰密封面夹装孔径为0.45μm的微藻拦截滤网，第一蠕动泵将微藻增殖区的混合微藻液输送至微藻分离器的下四棱椎体进行微藻拦截和浓缩，下四棱椎体所截留的微藻细胞与生物质通过底部放空阀排出，控制微藻增殖区内微藻生物质浓度处于1000-1500mg l-1
范围。
20.所述曝气风机用于给绿植、菌、藻共生反应器箱体内的绿植、菌和藻提供生长代谢所需的氧气和二氧化碳。
21.微藻增殖区内按体积填充有5％的聚氨酯改性凝胶形成的柔性悬浮填料层。聚氨酯改性凝胶(pps)在运行过程中可悬浮自由移动处于流化状态与垂直led发光组件的led灯管壁不断碰撞和摩擦，产生实时抛光作用保证了led灯管壁的自洁，避免悬浮颗粒物、生物膜和微藻的黏附对光源超射范围的阻碍和削弱。
22.所述穿孔过水支撑层上的孔径为6mm，硅藻土层的厚度为12cm，生物炭层的厚度为15cm，沸石层的厚度为15cm，天然火山石层的厚度为15cm，多孔陶粒层的厚度为15cm。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.(1)将绿植净化技术、多填料联用(硅藻土、生物炭、沸石、天然火山石、多孔陶粒和pps)净化技术、生物膜技术和混合微藻技术耦合为一体，解决了现有生化反应器抗冲击负
荷稳定性差、净化效率不高的现状。
25.(2)微藻增殖区完全浸没式的垂直led发光组件，保证了光有效超射范围和强度，在不影响混合微藻的生长和增殖的情况下，可以降低光照强度实现节能；解决了因其长时间工作导致led灯管局部温度过高而缩短使用寿命的缺点，降低了因垂直led发光组件的运行能耗和维护费用。利用微藻增殖区完全流化的聚氨酯改性凝胶对led灯管壁实时抛光自洁，使污水中悬浮物、生物膜和微藻无法粘附在led灯管壁上，保证了光源的有效超射范围和强度。
26.(3)微藻分离器实现对混合微藻的有效分离和去除，保证绿植、菌、藻共生反应器箱体内衡定的微藻生物质浓度，避免微藻增殖过多因内源竞争释放藻毒素或死亡随出水流出，造成出水水质恶化的问题。经分离得到的微藻生物质经深加工可以转化为具有经济价值的生物制品，实现了生物资源化利用，相比于现有技术更具有经济性。
27.(4)风光互补供电智能化控制系统实现反应器运行电能自给自足，碳中和潜力大，在减少碳排放量的同时克服了绿植、菌、藻共生反应器箱体安装场景(地点)严重依靠外界供能的缺点，相比于现有技术具有更广的适用场景。反应器运行全过程自动化控制，且无需化学药剂的投加，规避了使用化学药剂后副产物对周边环境的影响，大大降低了运维行成本和潜在风险。
28.(5)绿植、菌、藻共生反应器箱体底部间歇曝气不仅为微藻光合作用提供co2，而且在反应器中下部营造出好氧/缺氧交替微环境，促进好氧和兼性厌氧功能菌的共代谢强化污染物有效去除，解决现有反应器中下部长期以缺氧/厌氧微环境为主导的局面，致使好氧氨氧化、硝化和有机物氧化等严重抑制。此外，间歇曝气带来的溶解氧(do)可抑制污水中腐氨、氨类、硫化氢(h2s)和挥发性有机酸等恶臭性气体的产生，显著提升出水水体感观品质。
附图说明
29.图1为本发明结构示意图。
30.图中：1、进水池；2、绿植、菌、藻共生反应器箱体；211、曝气头；212、垂直led发光组件；221、微藻拦截滤网；222、穿孔过水支撑层；231、硅藻土层；232、生物炭层；233、沸石层；234、天然火山石层；235、多孔陶粒层；236、柔性悬浮填料层；24、绿植；3、出水池；4、液位探测器；41、液位探头；5、微藻分离器；6、第一蠕动泵；7、流量计；81、风电系统；82、光电系统；83、储能系统；84、智能化中央控制系统；85、曝气风机；9、第二蠕动泵。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种能耗自给型绿植、菌、藻协同共生水处理生物反应器，包括绿植、菌、藻共生反应器箱体2，微藻分离器5和风光互补供电智能化控制系统，所述绿植、菌、藻共生反应器箱体2包括从下至上分布的微藻增殖区、多层填充介质区域和栽种在多层填充介质区域上的绿植24，利用植物根际效应协同功能菌体深度除污。
33.所述多层填充介质区域被由上至下分布的五块穿孔过水支撑层222分隔开，最下方的穿孔过水支撑层222上安装有孔径为0.45μm的微藻拦截滤网221，用于将流化态微藻固定于微藻增殖区中，规避因微藻颗粒尺寸小且密度接近于水，易随出水流出，造成微藻生物质浓度降低且影响出水水质。
34.所述穿孔过水支撑层222上端依次填充硅藻土层231、生物炭层232、沸石层233、天然火山石层234和多孔陶粒层235；
35.所述绿植、菌、藻共生反应器箱体2通过输水管与进水池1相连通，所述输水管上安装有第二蠕动泵9和流量计7，第二蠕动泵9工作将进水池1中的污水输送至绿植、菌、藻共生反应器箱体2中净化，所述绿植、菌、藻共生反应器箱体2上端的输出端与出水池3的输入端相连，出水池3出水直接排放；
36.所述微藻分离器5的输入端通过输水管道连接于微藻增殖区，所述微藻分离器5的输出端通过循环管道连接于微藻增殖区，所述循环管道上设有第一蠕动泵6；
37.所述风光互补供电智能化控制系统由风电系统81、光电系统82、储能系统83和智能化中央控制系统84组成，所述风电系统81和光电系统82电性连接于储能系统83，所述储能系统83电性连接于智能化中央控制系统84；
38.风光互补供电智能化控制系统是将风能、太阳能转化为电能，再配备高效、免维护磷酸铁锂蓄电池储能系统(即储能系统83)，通过智能化中央控制系统84实现对进水系统、内循环系统、光照系统和曝气系统进行智能化控制。
39.根据绿植、菌、藻共生反应器箱体2有效容积和日耗电量可按比例匹配相应功率的风光互补供电智能化控制系统，以满足正常运行过程所需能耗。风光互补供电智能化控制系统可全天候获得稳定的电能输出，在保证稳定供电的情况下可以大大减少磷酸铁锂蓄电池的容量，具备较好的经济效益。
40.所述微藻增殖区底部安装两组完全相同的曝气头211，曝气头211通过曝气管穿过绿植、菌、藻共生反应器箱体2底面连通至曝气风机85，所述微藻增殖区中央位置均匀布设完全浸没式的三组垂直led发光组件212；
41.垂直led发光组件212为完全流化态微藻光合作用提供360
°
的全方位照射，有效光照强度为80μmol m-2
s-1
，垂直led发光组件212包括密封透明玻璃管(即led灯管)以及密封透明玻璃管内部嵌套的两条并联的led灯带，微藻通过光合作用将co2同化为自身生物质固定在细胞内，减少温室气体的排放量。
42.所述绿植、菌、藻共生反应器箱体2上端外壁出水口上下边缘处安装有液位探头41，所述液位探头41电性连接有液位探测器4，所述智能化中央控制系统84电性连接于曝气风机85、led发光组件212、第一蠕动泵6、第二蠕动泵9和液位探测器4。
43.液位探头41对绿植、菌、藻共生反应器箱体2内液面实时监控，用于报警指示生物反应器堵塞情况。当出现液位报警时，液位探测器4将信号传输给智能化中央控制系统84，进而调控第二蠕动泵9降低进水流量，等待后续检修。
44.向微藻增殖区中接种取自于污水处理厂二沉池壁上经5500r min-1
条件下离心5min的浓缩混合微藻(光合细菌和藻类)，初始接种后的混合藻液总生物质(tss)质量浓度为1000mg l-1
，在曝气作用下接种后的混合微藻在微藻增殖区中充分流化，强化传质作用，促进微藻与底物基质(碳氮磷)、氧气(o2)和二氧化碳(co2)间的混合、捕集和利用，加快混合
微藻的增殖与生化反应速率。稳定运行过程中，污水在绿植、菌、藻共生反应器箱体2内的水力停留时间(hrt)为2d，光暗比为12h:12h，曝停比为1:3，do范围在0.5-2.5mg l-1
之间循环。稳定运行30d后，最终使用本生物反应器对中水残余cod、nh
4 -n、tn和tp的去除率稳定在80％以上，并降低出水臭味。
45.所述微藻增殖区中的藻水混合液经由输水管道输送进入微藻分离器5，经过微藻分离器5分离后形成上层清液和下层微藻生物质，上层清液直接回流至微藻增殖区进行净化，下层微藻生物质则通过放空口排出。
46.所述微藻分离器5由上、下两个完全相同的四棱锥体通过法兰连接，法兰密封面夹装孔径为0.45μm的微藻滤网，第一蠕动泵6将微藻增殖区的混合微藻液输送至微藻分离器5的下四棱椎体进行微藻拦截和浓缩，下四棱椎体所截留的微藻细胞与生物质通过底部放空阀排出，控制微藻增殖区内微藻生物质浓度处于1000-1500mg l-1
范围。
47.透过滤膜后的上层清液则从上四棱椎体顶端回流至微藻增殖区，进行再次处理。微藻分离器5对维持微藻增殖区内微藻生物质浓度的动态平衡和微生物活性起关键作用，避免微藻增殖过多因内源竞争产生大量藻毒素影响微生物群落结构的稳定性和功能菌的活性，甚至引起微藻细胞凋亡丧失净水功能并恶化出水水质。微藻分离器5排出的微藻生物质经深加工后可以转化为有价值的生物制品，实现了生物资源化利用，相比于现有技术更具有经济性。
48.所述曝气风机85用于给绿植、菌、藻共生反应器箱体2内的绿植、菌和藻提供生长代谢所需的氧气和二氧化碳。
49.所述微藻增殖区内按体积填充有5％的聚氨酯改性凝胶形成的柔性悬浮填料层236。聚氨酯改性凝胶(pps)在运行过程中可悬浮自由移动处于流化状态与垂直led发光组件212的led灯管壁不断碰撞和摩擦，产生实时抛光作用保证了led灯管壁的自洁，避免悬浮颗粒物、生物膜和微藻的黏附对光源超射范围的阻碍和削弱。
50.所述穿孔过水支撑层222上的孔径为6mm，硅藻土层231的厚度为12cm，生物炭层232的厚度为15cm，沸石层233的厚度为15cm厚的，天然火山石层234的厚度为15cm，多孔陶粒层235的厚度为15cm。
51.因所选填料质轻、表面粗糙程度高、内部疏松多孔为微生物的附着和增殖提供了固定场所，且部分为天然矿物填料能释放出少量有益微量元素促进功能菌体在填料表面固着、聚集和快速增殖，最终形成功能菌多样性高、丰度大且结构完整的生物膜系统，通过生物膜的吸附和共代谢作用加快碳、氮、磷的利用，甚至对一些新兴污染物，如抗生素、激素和难降解物质的去除，最终实现中水的有效强化处理。
52.该能耗自给型绿植、菌、藻协同共生水处理生物反应器首次集成绿植净化技术、多填料联用净化技术、生物膜技术和混合微藻技术等多技术，具有智能化程度高、稳定性高、净化效率高等特点，为本发明所首创；
53.风光互补供电智能化控制系统实现反应器运行电能自给自足，减少碳排放量的同时克服了绿植、菌、藻共生反应器箱体2安装场景(地点)受外界供能强制限制的缺点。
54.绿植、菌、藻共生反应器箱体2内完全浸没式的垂直led发光组件212保证了光有效超射范围和强度，解决外部光源效率低且因其长时间工作led灯管局部温度过高而缩短寿命，降低了垂直led发光组件212的运行能耗和维护费用。
55.微藻增殖区间歇曝气的搅拌作用使聚氨酯改性凝胶完全流化与led灯管壁不断摩擦、碰撞，实时抛光自洁，解决反应器长期运行过程中悬浮物、生物膜及胞外分泌物和微藻粘附在浸没式led灯管壁上，因造成光照无法有效超射到整个反应器腔体的问题。
56.微藻分离器5实现对混合微藻的有效分离和去除，保证绿植、菌、藻共生反应器箱体2内衡定的微藻生物质浓度，目前尚未见报道，此为本发明的又一关键点和保护点。
57.绿植、菌、藻共生反应器箱体2底部间歇曝气使中下部营造出好氧/缺氧交替微环境，促进好氧和兼性厌氧功能菌的共代谢活动，解决因do不足对好氧酶促反应(如氨氧化、硝化和有机物氧化)的抑制作用。
58.绿植、菌、藻共生反应器箱体2运行过程全自动化控制，且无需无化学药剂的投加，规避了使用化学药剂后副产物对周边环境的影响，大大降低了运维行成本和潜在风险。
59.具体的，使用时，本发明能耗自给自足、微藻循环培养且生物质浓度可控、自动化控制程度高，利用绿植-菌-藻协同共生将污水中的营养盐如氮、磷、有机物和悬浮物高效吸收，转化为生物质而去除，中水净化功效显著。混合微藻或蓝细菌通过光合作用同化co2并释放o2供好氧异养细菌代谢活动如氨氧化、硝化和有机物氧化分解同时有利于减小曝气量降低运行能耗，异养细菌代谢活动产生的co2和维生素等可促进微藻或蓝细菌生长，这种协同模式不仅可以降低能耗和co2排放，而且可以回收藻类生物质。此外，植物根系可分泌促进细菌生长的促进因子和o2，加速功能菌富集和生物膜的形成，最终绿植-菌-藻形成互利共生关系。
60.本发明具有以下几个方面的优点：
61.(1)将绿植净化技术、多填料联用(硅藻土、生物炭、沸石、天然火山石、多孔陶粒和pps)净化技术、生物膜技术和混合微藻技术耦合为一体，解决了现有生化反应器抗冲击负荷稳定性差、净化效率不高的现状。
62.(2)微藻增殖区完全浸没式的垂直led发光组件212，保证了光有效超射范围和强度，在不影响混合微藻的生长和增殖的情况下，可以降低光照强度实现节能；解决了因其长时间工作导致led灯管局部温度过高而缩短使用寿命的缺点，降低了因垂直led发光组件212的运行能耗和维护费用。利用微藻增殖区完全流化的聚氨酯改性凝胶对led灯管壁实时抛光自洁，使污水中悬浮物、生物膜和微藻无法粘附在led灯管壁上，保证了光源的有效超射范围和强度。
63.(3)微藻分离器实现对混合微藻的有效分离和去除，保证绿植、菌、藻共生反应器箱体2内衡定的微藻生物质浓度，避免微藻增殖过多因内源竞争释放藻毒素或死亡随出水流出，造成出水水质恶化的问题。经分离得到的微藻生物质经深加工可以转化为具有经济价值的生物制品，实现了生物资源化利用，相比于现有技术更具有经济性。
64.(4)风光互补供电智能化控制系统实现反应器运行电能自给自足，减少碳排放量的同时克服了绿植、菌、藻共生反应器箱体2安装场景(地点)严重依靠外界供能的缺点，相比于现有技术具有更广的适用场景。反应器运行全过程自动化控制，且无需化学药剂的投加，规避了使用化学药剂后副产物对周边环境的影响，大大降低了运维行成本和潜在风险。
65.(5)绿植、菌、藻共生反应器箱体2底部间歇曝气不仅为微藻光合作用提供co2，而且在反应器中下部营造出好氧/缺氧交替微环境，促进好氧和兼性厌氧功能菌的共代谢强化污染物有效去除，解决现有反应器中下部长期以缺氧/厌氧微环境为主导的局面，致使好
氧氨氧化、硝化和有机物氧化等严重抑制。
66.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。