CN108409028B - 一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法，属于水处理与资源化技术领域。通过厌氧消化单元降解污水中的有机物并生成甲烷与二氧化碳气体；通过纳滤膜分离单元截留厌氧消化单元出水中的大分子有害物质并透过氨氮小分子物质；在微生物蛋白生产单元中，通入厌氧消化单元产生的甲烷与二氧化碳气体，在微藻和甲烷氧化菌的相互作用下，将纳滤膜分离单元出水中的氨氮作为营养物质合成微生物蛋白，微藻利用二氧化碳作为碳源并通过光合作用产生氧气，而甲烷氧化菌以甲烷作为碳源并利用微藻产生的氧气，同时生成二氧化碳；三个单元相耦合，在纳滤膜分离单元中有效隔离了厌氧消化单元出水中的有害物质，保证后续微生物蛋白生产过程不受污染物的影响。

Description

一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法

技术领域

本发明涉及一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法，属于水处理与资源化技术领域。

背景技术

水污染是当今最重要的环境问题之一，污水中有机物、氨氮等污染物的达标排放仍面临较大挑战。长期以来，污水处理主要以污染物去除为目标，消耗大量能源。如今，在可持续发展理念引领下，亟需发展新型绿色污水处理技术，以同时实现污染物削减和资源回收。

目前已有研究者开发了多种污水中营养物质的资源回收方法。例如，鸟粪石沉淀法对污水中的磷具有较高回收率，但其产品主要用作肥料，经济价值相对较低，而且该方法对氮的回收率很低。在污水氮回收领域，已有方法主要包括气提、吸附等物理方法回收氨氮，但因其回收成本高于工业合成氮肥的成本，应用受到明显限制。而以污水直接施用于农田的方式利用营养物质，又面临运输成本高、病原菌和有害物质(如抗生素)二次污染等经济与环境问题。通过微生物合成作用，将污水营养资源合成为富含高比例蛋白质(可达细胞质量的70％以上)的微生物，从而生产具有高附加值的饲料级微生物蛋白，具有经济和环境双重效益。

微生物学及食品工业领域已有研究表明，细菌、真菌和微藻等均可通过同化作用将碳源、氨氮等合成细胞而生成微生物蛋白。其中，利用甲烷氧化菌生产微生物蛋白，已在饲料加工领域得到研究与应用，并已被欧盟批准作为饲料出售。但在这些研究和应用中，碳源、氮源作为培养基组分，采用化学纯甲烷、氯化铵等药品进行添加。可见，将污水中的营养物质作为碳源和氮源进行微生物蛋白合成，在环境工程领域具有广阔前景，但仍面临两个问题：(1)为了保证所合成的微生物蛋白可用作饲料，需要在回收碳氮资源的同时隔离污水中可能存在的有害物质(如抗生素等)；(2)甲烷氧化菌需要利用甲烷生长，但甲烷是易爆气体，甲烷的大量储存存在安全隐患，在应用中需要加以防范。此外，在回收污水营养物质生产微生物蛋白的环境工程领域，目前仅限于科学试验与机理研究，开发新型污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法，具有重要实际意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置及方法。

一种可回收污水中营养物质并合成微生物蛋白方法，采用厌氧消化单元、纳滤膜分离单元、微生物蛋白生产单元相耦合的方式，实现污水中营养资源的低碳高效回收。

首先，通过厌氧消化单元降解污水中的有机物并生成甲烷与二氧化碳气体；进而，通过纳滤膜分离单元截留厌氧消化单元出水中的大分子有害物质并透过氨氮小分子物质。

最后，在微生物蛋白生产单元中，通入厌氧消化单元产生的甲烷与二氧化碳气体，在微藻和甲烷氧化菌的相互作用下，将纳滤膜分离单元出水中的氨氮作为营养物质合成微生物蛋白，其中，微藻利用二氧化碳作为碳源并通过光合作用产生氧气，而甲烷氧化菌以甲烷作为碳源并利用微藻产生的氧气，同时生成二氧化碳；由此，三个单元相耦合，在纳滤膜分离单元中有效隔离了厌氧消化单元出水中的有害物质，保证后续微生物蛋白生产过程不受污染物的影响。

在厌氧消化单元生产的甲烷与二氧化碳气体作为碳源，不断被微生物蛋白生产单元消耗，在整个系统中随产随用。

一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置，包括进水系统、厌氧消化单元、储气及供气系统、纳滤膜分离单元、调节装置和微生物蛋白生产单元；进水系统主体由储水箱构成，通过进水管路经由进水阀门和进水泵与厌氧消化单元相连；厌氧消化单元与进水管路相连，内部填充悬浮海绵载体，顶部设置集气罩，通过出气管路与储气及供气系统相连，由搅拌电机提供搅拌动力，搅拌叶片实现旋转混合，外部设置加热保温装置，并设置出水管路与纳滤膜分离单元相连；储气及供气系统中，储气罐与出气管路相连，出气管路上设置带有安全阀的压力计，储气罐由供气管路与供气泵相连，并经由供气管路上设置的气体流量计和压力表与微生物蛋白生产单元相连；纳滤膜分离单元与厌氧消化单元的出水管路相连，其中，亲水纳滤膜组件完全浸泡在膜反应器主体之中，膜反应器主体下部设置浓缩液排出阀门和反冲洗进水阀门；纳滤膜分离单元的出水由压力计和加压泵控制，由管路相连进入调节装置；调节装置主体由调节池构成，其通过管路经由调节池阀门和水泵与微生物蛋白生产单元相连；微生物蛋白生产单元中，采用疏水膜的供气膜组件完全浸泡在反应器主体液相之中，反应器主体内设搅拌装置，外部设置可调节光强和波长的LED光源，反应器底部设置蛋白产品出口阀门，中部设置出水系统。

本发明与现有技术相比，克服了已有技术在二次污染和生产安全中的不足，具有显著的创新性和应用前景。

具有以下优点及突出性效果：

(1)基于污水资源回收及微生物蛋白合成的装置及方法，可以同时实现污水中污染物的削减和资源回收，与新一代可持续污水处理与资源化理念相吻合，特别是，在污染物的削减过程中无需曝气，可节约能源消耗，所合成的微生物蛋白可用于动物饲料添加，具有较高经济价值。

(2)通过厌氧消化单元、纳滤膜分离单元和微生物蛋白生产单元相耦合，利用厌氧消化单元产生的甲烷作为碳源和能源，在技术经济双方面具有独特优势，利用纳滤膜分离单元有效隔离厌氧消化单元出水中的有害物质，从而确保后续微生物生产蛋白单元中生产过程不受二次污染，可产出高品质微生物蛋白。

(3)在整个系统中，厌氧消化单元生产的甲烷与二氧化碳气体，随产随用，从而在储气及供气系统中无需大规模储存甲烷气体，此外，在微生物生产蛋白单元中采用膜供气的方式泵入甲烷，即可最大程度地确保甲烷供气的安全性，又提高了甲烷和二氧化碳气体的供气效率，从而避免了安全隐患，又提高了资源利用效率。

附图说明

图1为本发明一种污水资源回收及微生物蛋白合成的装置及方法流程示意图。

图1中：A－进水系统，包括：A-1储水箱，A-2进水阀门，A-3进水泵；B－厌氧消化单元，包括：B-1悬浮海绵载体，B-2集气罩，B-3出气管路，B-4搅拌器，B-5搅拌叶片，B-6加热保温装置，B-7出水管路；C－储气及供气系统，包括：C-1储气罐，C-2带有安全阀的压力计，C-3供气泵，C-4气体流量计，C-5压力表；D－纳滤膜分离单元，包括：D-1膜反应器主体，D-2亲水纳滤膜组件，D-3浓缩液排出阀门，D-4反冲洗进水阀门，D-5压力计，D-6加压泵；E－调节装置，包括：E-1调节池，E-2调节池阀门，E-3水泵；F－微生物蛋白生产单元，包括：F-1反应器主体，F-2疏水膜供气组件，F-3搅拌装置，F-4可调节光强和波长的LED光源，F-5蛋白产品出口阀门，F-6出水系统。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明的限定。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置，包括进水系统A，厌氧消化单元B，储气及供气系统C，纳滤膜分离单元D，调节装置E和微生物蛋白生产单元F，进水系统A的储水箱A-1通过管道连接进水阀门A-2，进水阀门A-2通过管道连接进水泵A-3，进水泵A-3通过管道连接厌氧消化单元B，厌氧消化单元B的腔体内连接搅拌器B-4，搅拌器B-4的下端连接搅拌叶片B-5，悬浮海绵载体B-1分布在氧消化单元B的腔体内下方，加热保温装置B-6包裹厌氧消化单元B的腔体外部，厌氧消化单元B的腔体上部连接集气罩B-2，搅拌器B-4固定在集气罩B-2上，集气罩B-2连接出气管路B-3，厌氧消化单元B的腔体上部连接出水管路B-7，出水管路B-7的另一端连接纳滤膜分离单元D的上部，纳滤膜分离单元D的膜反应器主体D-1腔体内连接亲水纳滤膜组件D-2，膜反应器主体D-1腔体下方分别连接浓缩液排出阀门D-3、反冲洗进水阀门D-4，亲水纳滤膜组件D-2出水口通过管道连接压力计D-5，压力计D-5通过管道连接加压泵D-6，加压泵D-6的另一端通过管道连接调节装置E的调节池E-1，调节池E-1通过管道连接调节池阀门E-2，调节池阀门E-2通过管道连接水泵E-3，水泵E-3的另一端通过管道连接微生物蛋白生产单元F的反应器主体F-1的下部，反应器主体F-1的腔体内连接疏水膜供气组件F-2，疏水膜供气组件F-2的下方放置搅拌装置F-3，反应器主体F-1的腔体中部连接出水系统F-6，反应器主体F-1的腔体下部连接蛋白产品出口阀门F-5，可调节光强和波长的LED光源F-4照射反应器主体F-1，出气管路B-3的另一端连接储气及供气系统C的储气罐C-1，储气罐C-1通过管道连接带有安全阀的压力计C-2及供气泵C-3，供气泵C-3通过管道连接气体流量计C-4，气体流量计C-4的另一端通过管道连接压力表C-5，气体流量计C-4的另一端通过反应器主体F-1的顶部连接疏水膜供气组件F-2。

实施例2：一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置，包括进水系统A，厌氧消化单元B，储气及供气系统C，纳滤膜分离单元D，调节装置E和微生物蛋白生产单元F。

进水系统A主体由储水箱A-1构成，储水箱可为方形，有效体积3L，横截面长10cm，宽10cm，液面高度30cm，总高度40cm。

通过进水管路经由进水阀门A-2和进水泵A-3(流量0.1-5L/d)与厌氧消化单元B相连。

厌氧消化单元B主体为圆柱结构，有效体积5L，内径8cm，液面高度25cm，总高度35cm。底部与进水管路相连，内部填充悬浮海绵载体B-1，载体尺寸可为2cm×2cm×2cm，填充体积占厌氧消化单元B主体有效体积的40％；顶部空间内设置集气罩B-2，可为圆锥体结构，通过出气管路B-3与储气及供气系统C相连；由搅拌电机B-4提供搅拌动力，带动搅拌叶片B-5实现旋转混合，搅拌叶片B-5半径可为3cm，转速60-150rpm；外部设置加热保温装置B-6，可控制厌氧消化单元B内部温度为30-37摄氏度；并设置出水管路B-7与纳滤膜分离单元D相连。

储气及供气系统C中，储气罐C-1可为圆柱结构，总体积5L，内径8cm，总高度25cm，与出气管路B-3相连，其上设置带有安全阀的压力计C-2，量程为0.1-10atm，安全压力为10atm，储气罐C-1由供气管路与供气泵C-3相连，并经由供气管路上设置的气体流量计C-4(量程0.1-1L/h)和压力表C-5(量程0.1-10atm)与微生物蛋白生产单元F相连。

纳滤膜分离单元D与厌氧消化单元B的出水管路B-7相连，其中，纳滤膜反应器主体D-1可为圆柱形结构，总体积1L，亲水纳滤膜组件D-2安装中空纳滤膜组件共2组，长度10cm，过滤孔径为1-3nm，完全浸泡在膜反应器主体D-1之中，膜反应器主体D-1下部设置浓缩液排出阀门D-3和反冲洗进水阀门D-4，纳滤膜分离单元D的出水由压力计D-5(量程1-10atm)和加压泵D-6(流量0.1-5L/d，操作压力3-10atm)控制，由管路相连进入调节装置E。

调节装置E主体由调节池E-1构成，其可为方形，有效体积3L，横截面长10cm，宽10cm，液面高度30cm，总高度40cm，通过管路经由调节池阀门E-2和水泵E-3与微生物蛋白生产单元F相连。

微生物蛋白生产单元F中，反应器主体F-1可为圆柱形结构，有效体积4L，内径8cm，液面高度20cm，总高度25cm，采用疏水膜的供气膜组件F-2共10组，长度10cm，可采用无泡中空纤维膜，完全浸泡在反应器主体F-1液相之中，反应器主体F-1内设搅拌装置F-3，可由磁力搅拌器提供动力，转速100-200rpm，外部设置可调节光强和波长的LED光源F-4，光源强度2000-10000lx，波长在可见光范围内(400-760nm)，反应器底部设置蛋白产品出口阀门F-5，中部连接出水系统F-6。

实施例3：一种污水资源回收及微生物蛋白合成方法，含有步骤如下：

步骤(1)、基于上述实施例中的一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置，含有氨氮资源的模拟污水，其水质指标COD为10000mg/L，氨氮为1000mg/L，由水泵提供动力以1L/d流量依次流经进水系统A、厌氧消化单元B和纳滤膜分离单元D，再经调节装置E储存。微生物蛋白生产单元F每3天进水1次，每次进水量3L。流经上述各单元后有机物和氨氮等污染物得到削减，去除率分别可达80-95％和50-80％，最终由出水系统排出，氮资源回收率可达50-75％。在厌氧消化单元B中首先实现有机物的厌氧分解，有机物分解率达到70-85％，然后在纳滤膜分离单元D中将氨氮透过而将大分子有害物质进行有效隔离，氨氮透过率达80％以上，大分子有害物质截留率达90％以上。与此同时，厌氧消化单元B产生的气体总产气量达6-8L/d，经由储气及供气系统C，进入微生物蛋白生产单元F，进而在微生物蛋白生产单元F中实现氨氮同化过程，在去除氨氮的同时合成微生物蛋白产品。

步骤(2)、厌氧消化单元B内以悬浮形式填充海绵载体，填充体积为2L，通过处理高浓度淀粉废水的厌氧污泥接种并培养挂膜，在所形成的厌氧生物膜上富集产酸发酵菌和产甲烷菌，利用搅拌装置(转速80rpm)实现污水与挂膜载体的均匀混合，从而利用微生物作用，在厌氧条件(氧化还原电位低于-300mV)和中温条件(30-37摄氏度)下，将进水中的有机物分解并生成甲烷和二氧化碳，其中甲烷比例为50-60％，二氧化碳比例为40-50％。

步骤(3)、厌氧消化单元B生成的甲烷和二氧化碳气体，储存于储气及供气系统C中，由气体流量计C-4和压力表C-5控制在流量0.25L/d，压力1.2atm，由供气泵C-3提供动力将甲烷和二氧化碳气体供入微生物蛋白生产单元F，作为微生物蛋白合成所需的碳源。当储气罐C-1中的气压大于10atm的安全界限时，安全阀门开启，气体外排，并发出报警信号。

步骤(4)、厌氧消化单元B的出水进入纳滤膜分离单元D之后，由加压泵D-6提供6atm压力，水流从膜丝内部负压抽水汇集至出水管。纳滤膜孔径为1-3nm，分子量大于150g/mol的抗生素等大分子物质被截留在纳滤膜反应器主体D-1的膜丝外部，氨氮透过膜丝并随出水进入下游调节装置E。当处理水量增加时，在膜反应器主体D-1中产水量下降15％时，关停加压泵D-6，由阀门D-3排出浓缩液，并由反冲洗进水阀门D-4提供加压反冲洗水，对纳滤膜组件D-2进行反冲洗，反冲洗水可用质量分数0.1-0.2％的氢氧化钠和0.03-0.05％的十二烷基磺酸钠(SDS)配制，并用NaOH将pH调制11-12，以去除有机物污染，反冲洗过程中，用所述反冲洗水浸泡30min，清洗时间30min，再用清水清洗30min。反冲洗结束后，重新开启加压泵D-6继续运行。

步骤(5)、纳滤膜分离单元D出水进入调节池E-1，在此通过添加NaOH或HCl将pH调节至中性范围(6.5-7.5)，并添加微生物蛋白生产单元F内微生物生长所需的微量元素(包括5mg/L铁，0.5mg/L铜，0.5mg/L锌，0.1mg/L钴，0.1mg/L锰，0.05mg/L硼，0.05mg/L镍)。调节池E-1在微生物蛋白生产单元F停止进水时临时储存纳滤膜分离单元D的出水3L，以进行水量平衡调节。

步骤(6)、在微生物蛋白生产单元F中，同时接种栅藻和甲基球菌，由水泵E-3以3-6L/h的流量从调节池E-1泵入进水3L，其氨氮含量750-900mg/L，pH为6.5-7.6，由供气泵C-3以0.25L/h流量从储气罐C-1连续泵入厌氧消化单元B生成的甲烷和二氧化碳气体。甲烷和二氧化碳气体从疏水供气膜组件F-2的膜丝内部供气，经气液界面扩散至膜丝外部液相中。其中疏水供气膜组件F-2的膜丝共10组，每组膜丝数量为96根，长度10cm。搅拌装置F-3由磁力搅拌器提供动力，转速为200rpm，实现水、气与微生物之间的均匀混合。

步骤(7)、微生物蛋白生产单元F由外部设置的可调节光强和波长的LED光源F-4，以可见光(波长400-760nm)，光源强度2000-10000lx进行照射，使微藻利用气相中的二氧化碳作为碳源，利用液相中的氨氮作为氮源，在光合作用下合成微藻细胞作为微生物蛋白产品，并生成氧气。同时，甲烷氧化菌利用微藻生成的氧气氧化气相中的甲烷，并利用液相中的氨氮作为氮源，合成甲烷氧化菌细胞作为微生物蛋白产品，同时生成二氧化碳可再次供微藻光合作用利用。污水中的氨氮被微藻和甲烷氧化菌同化吸收，在双重净化水质的同时，合成了微藻和甲烷氧化菌两类微生物蛋白，微生物细胞中蛋白质含量为60-70％，蛋白质总产率为3-5g/d。

步骤(8)、微生物蛋白生产单元F设置为序批式运行模式，以3天为一周期，每个周期起始阶段，水泵E-3首先开启，以3-6L/h的流量启动0.5-1h，从调节池E-1泵入进水3L，将微生物蛋白生产反应器主体F-1中注满水，水泵E-3关闭后，同时开启疏水供气膜组件F-2、搅拌装置F-3和LED光源F-4，开始合成微生物细胞。经过3d时间，微生物细胞浓度达到吸光度OD₆₀₀为0.4以上，暂停疏水供气膜组件F-2、搅拌装置F-3和LED光源F-4的运转，使微生物细胞静置沉淀30min，由反应器中部出水系统F-6排除出水2L，再由反应器底部阀门F-5排除1L的微生物产品，剩余1L微生物/水混合物作为下一个周期的接种。出水和微生物细胞均排出后，重新开启水泵E-3进入下一个周期。

实施例4：一种污水资源回收及微生物蛋白合成方法，包括如下步骤：

步骤(1)、含有氨氮资源的污水，由水泵提供动力依次流经进水系统A、厌氧消化单元B和纳滤膜分离单元D，再经调节装置E，最后进入微生物蛋白生产单元F。流经上述各单元后有机物和氨氮等污染物得到削减，最终由出水系统排出。在厌氧消化单元B中首先实现有机物的厌氧分解和氨氮的释放，然后在纳滤膜分离单元D中将氨氮透过而将大分子有害物质进行有效隔离。与此同时，厌氧消化单元B产生的气体，经由储气及供气系统C，进入微生物蛋白生产单元F，进而在微生物蛋白生产单元F中实现氨氮同化过程，在去除氨氮的同时合成微生物蛋白产品。

步骤(2)厌氧消化单元B内以悬浮形式填充海绵载体，通过厌氧污泥接种并培养挂膜，在所形成的厌氧生物膜上富集产酸发酵菌和产甲烷菌，利用搅拌装置实现污水与挂膜载体的均匀混合，从而利用微生物作用，在厌氧条件(氧化还原电位低于-300mV)和中温条件(30-37摄氏度)下，将进水中的有机物分解并生成甲烷和二氧化碳。

步骤(3)、厌氧消化单元B生成甲烷和二氧化碳气体，储存于储气及供气系统C中，进而由供气泵C-3提供动力，由气体流量计C-4和压力表C-5控制，将甲烷和二氧化碳气体供入微生物蛋白生产单元F，作为微生物蛋白合成所需的碳源。当储气罐C-1中的气压大于所设定的安全界限时，安全阀门开启，气体外排，并发出报警信号。

步骤(4)、厌氧消化单元B的出水进入纳滤膜分离单元D之后，由加压泵D-6提供压力，水流从膜丝内部负压抽水汇集至出水管。纳滤膜孔径为1-3nm，分子量大于150g/mol的大分子物质被截留在纳滤膜反应器主体D-1中(膜丝外部)，而分子量小于150g/mol的氨氮透过膜丝，随出水进入下游调节装置E。随着处理水量增加，在膜反应器主体D-1中，因被截留的大分子物质浓度不断升高导致正常压力下的产水量下降10-20％时，关停加压泵D-6，由阀门D-3排出浓缩液，并由反冲洗进水阀门D-4提供加压反冲洗水，对纳滤膜组件D-2进行反冲洗。反冲洗结束后，重新开启加压泵D-6继续运行。

步骤(5)、纳滤膜分离单元D出水进入调节池E-1，在此通过添加HCl或NaOH等将pH调节至中性范围(6.5-7.5)，并添加微生物蛋白生产单元F内微生物生长所需的微量金属元素(例如1-5mg/L铁)；或者并添加微生物蛋白生产单元内微生物生长所需的微量金属元素(包括1-5mg/L铁，0.1-1mg/L铜，0.1-1mg/L锌)。此外，针对微生物蛋白生产单元F的序批式运行模式，调节池E-1在微生物蛋白生产单元F停止进水时通过临时储存纳滤膜分离单元D的出水进行水量平衡调节。

步骤(6)、在微生物蛋白生产单元F中，同时接种微藻(如栅藻等)和甲烷氧化菌(如甲基球菌等)，由水泵E-3从调节池E-1泵入富含氨氮且进行了pH调节的进水，由供气泵C-3从储气罐C-1泵入厌氧消化单元B生成的甲烷和二氧化碳气体。甲烷和二氧化碳气体从疏水供气膜组件F-2的膜丝内部供气，经气液界面扩散至膜丝外部液相中，该膜组件可根据供气量的不同安装不同数量的膜丝(例如，供气量为1L/d时，安装80-160根膜丝)。利用搅拌装置F-3充分实现水、气与微生物之间的均匀混合。

步骤(7)、微生物蛋白生产单元F由外部设置的可调节光强和波长的LED光源F-4进行照射，使微藻利用气相中的二氧化碳作为碳源，利用液相中的氨氮作为氮源，在光合作用下合成微藻细胞作为微生物蛋白产品，并生成氧气。同时，甲烷氧化菌利用微藻生成的氧气氧化气相中的甲烷，并利用液相中的氨氮作为氮源，合成甲烷氧化菌细胞作为微生物蛋白产品，同时生成二氧化碳可再次供微藻光合作用利用。污水中的氨氮被微藻和甲烷氧化菌同化吸收，在双重净化水质的同时，合成了微藻和甲烷氧化菌两类微生物蛋白。

步骤(8)、微生物蛋白生产单元F设置为序批式运行模式，每个周期起始阶段，水泵E-3首先开启，待微生物蛋白生产反应器主体F-1中注满水后，水泵E-3关闭，之后同时开启疏水供气膜组件F-2、搅拌装置F-3和LED光源F-4，开始合成微生物细胞。当微生物细胞浓度达到要求数值时(测定吸光度OD₆₀₀大于0.4时)，暂停疏水供气膜组件F-2、搅拌装置F-3和LED光源F-4的运转，待微生物细胞静置沉淀后(静置沉淀30min以上)，由反应器中部出水系统F-6排除出水，再由反应器底部阀门F-5排除大部分的微生物产品(为所有细胞的2/3至3/4)，剩余少量细胞(为所有细胞的1/4至1/3)作为下一个周期的接种微生物。出水和微生物细胞均排出后，重新开启水泵E-3进入下一个周期。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可回收污水中营养物质并合成微生物蛋白方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(1)、含有氨氮资源的污水，由水泵提供动力依次流经进水系统、厌氧消化单元和纳滤膜分离单元，再经调节装置，最后进入微生物蛋白生产单元；流经上述各单元后有机物和氨氮等污染物得到削减，最终由出水系统排出；在厌氧消化单元中首先实现有机物的厌氧分解和氨氮的释放，然后在纳滤膜分离单元中将氨氮透过而将大分子有害物质进行有效隔离；与此同时，厌氧消化单元产生的气体，经由储气及供气系统，进入微生物蛋白生产单元，进而在微生物蛋白生产单元中实现氨氮同化过程，在去除氨氮的同时合成微生物蛋白产品；

步骤(2)厌氧消化单元内以悬浮形式填充海绵载体，通过厌氧污泥接种并培养挂膜，在所形成的厌氧生物膜上富集产酸发酵菌和产甲烷菌，利用搅拌装置实现污水与挂膜载体的均匀混合，从而利用微生物作用，在厌氧条件氧化还原电位低于-300mV，30-37摄氏度下，将进水中的有机物分解并生成甲烷和二氧化碳；

步骤(3)、厌氧消化单元生成甲烷和二氧化碳气体，储存于储气及供气系统中，进而由供气泵提供动力，由气体流量计和压力表控制，将甲烷和二氧化碳气体供入微生物蛋白生产单元，作为微生物蛋白合成所需的碳源；当储气罐中的气压大于所设定的安全界限时，安全阀门开启，气体外排，并发出报警信号；

步骤(4)、厌氧消化单元的出水进入纳滤膜分离单元之后，由加压泵提供压力，水流从膜丝内部负压抽水汇集至出水管；纳滤膜孔径为1-3nm，分子量大于150g/mol的大分子物质被截留在纳滤膜反应器主体中膜丝外部，而分子量小于150g/mol的氨氮透过膜丝，随出水进入下游调节装置；随着处理水量增加，在膜反应器主体中，因被截留的大分子物质浓度不断升高导致正常压力下的产水量下降10-20％时，关停加压泵，由阀门排出浓缩液，并由反冲洗进水阀门提供加压反冲洗水，对纳滤膜组件进行反冲洗；反冲洗结束后，重新开启加压泵继续运行；

步骤(5)、纳滤膜分离单元出水进入调节池，在此通过添加HCl或NaOH将pH调节至中性范围6.5-7.5，并添加微生物蛋白生产单元内微生物生长所需的微量金属元素，包括1-5mg/L铁，0.1-1mg/L铜，0.1-1mg/L锌；此外，针对微生物蛋白生产单元的序批式运行模式，调节池在微生物蛋白生产单元停止进水时通过临时储存纳滤膜分离单元的出水进行水量平衡调节；

步骤(6)、在微生物蛋白生产单元中，同时接种微藻和甲烷氧化菌，由水泵从调节池泵入富含氨氮且进行了pH调节的进水，由供气泵从储气罐泵入厌氧消化单元生成的甲烷和二氧化碳气体；甲烷和二氧化碳气体从疏水供气膜组件的膜丝内部供气，经气液界面扩散至膜丝外部液相中，该膜组件根据供气量的不同安装不同数量的膜丝，供气量为1L/d时，安装80-160根膜丝；利用搅拌装置充分实现水、气与微生物之间的均匀混合；

步骤(7)、微生物蛋白生产单元由外部设置的可调节光强和波长的LED光源进行照射，使微藻利用气相中的二氧化碳作为碳源，利用液相中的氨氮作为氮源，在光合作用下合成微藻细胞作为微生物蛋白产品，并生成氧气；同时，甲烷氧化菌利用微藻生成的氧气氧化气相中的甲烷，并利用液相中的氨氮作为氮源，合成甲烷氧化菌细胞作为微生物蛋白产品，同时生成二氧化碳可再次供微藻光合作用利用；污水中的氨氮被微藻和甲烷氧化菌同化吸收，在双重净化水质的同时，合成了微藻和甲烷氧化菌两类微生物蛋白；

步骤(8)、微生物蛋白生产单元设置为序批式运行模式，每个周期起始阶段，水泵首先开启，待微生物蛋白生产反应器主体中注满水后，水泵关闭，之后同时开启疏水供气膜组件、搅拌装置和LED光源，开始合成微生物细胞；当微生物细胞浓度达到测定吸光度OD₆₀₀大于0.4时，暂停疏水供气膜组件、搅拌装置和LED光源的运转，待微生物细胞静置沉淀30min以上，由反应器中部出水系统排除出水，再由反应器底部阀门排除所有细胞2/3至3/4，剩余所有细胞的1/4至1/3作为下一个周期的接种微生物；出水和微生物细胞均排出后，重新开启水泵进入下一个周期。

2.一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置，其特征在于包括进水系统、厌氧消化单元、储气及供气系统、纳滤膜分离单元、调节装置和微生物蛋白生产单元；

进水系统主体由储水箱构成，通过进水管路经由进水阀门和进水泵与厌氧消化单元相连；

厌氧消化单元与进水管路相连，内部填充悬浮海绵载体，顶部设置集气罩，通过出气管路与储气及供气系统相连，由搅拌电机提供搅拌动力，搅拌叶片实现旋转混合，外部设置加热保温装置，并设置出水管路与纳滤膜分离单元相连；

储气及供气系统中，储气罐与出气管路相连，出气管路上设置带有安全阀的压力计，储气罐由供气管路与供气泵相连，并经由供气管路上设置的气体流量计和压力表与微生物蛋白生产单元相连；

纳滤膜分离单元与厌氧消化单元的出水管路相连，其中，亲水纳滤膜组件完全浸泡在膜反应器主体之中，膜反应器主体下部设置浓缩液排出阀门和反冲洗进水阀门；

纳滤膜分离单元的出水由压力计和加压泵控制，由管路相连进入调节装置；

调节装置主体由调节池构成，其通过管路经由调节池阀门和水泵与微生物蛋白生产单元相连；

微生物蛋白生产单元中，采用疏水膜的供气膜组件完全浸泡在反应器主体液相之中，反应器主体内设搅拌装置，外部设置可调节光强和波长的LED光源，反应器底部设置蛋白产品出口阀门，中部设置出水系统。

3.根据权利要求2所述的一种污水资源回收及微生物蛋白合成装置,其特征在于进水系统的储水箱通过管道连接进水阀门，进水阀门通过管道连接进水泵，进水泵通过管道连接厌氧消化单元，厌氧消化单元的腔体内连接搅拌器，搅拌器的下端连接搅拌叶片，悬浮海绵载体分布在氧消化单元的腔体内下方，加热保温装置包裹厌氧消化单元的腔体外部，厌氧消化单元的腔体上部连接集气罩，搅拌器固定在集气罩上，集气罩连接出气管路，厌氧消化单元的腔体上部连接出水管路，出水管路的另一端连接纳滤膜分离单元的上部，纳滤膜分离单元的膜反应器主体腔体内连接亲水纳滤膜组件，膜反应器主体腔体下方分别连接浓缩液排出阀门、反冲洗进水阀门，亲水纳滤膜组件出水口通过管道连接压力计，压力计通过管道连接加压泵，加压泵的另一端通过管道连接调节装置的调节池，调节池通过管道连接调节池阀门，调节池阀门通过管道连接水泵，水泵的另一端通过管道连接微生物蛋白生产单元的反应器主体的下部，反应器主体的腔体内连接疏水膜供气组件，疏水膜供气组件的下方放置搅拌装置，反应器主体的腔体中部连接出水系统，反应器主体的腔体下部连接蛋白产品出口阀门，可调节光强和波长的LED光源照射反应器主体，出气管路的另一端连接储气及供气系统的储气罐，储气罐通过管道连接带有安全阀的压力计及供气泵，供气泵通过管道连接气体流量计，气体流量计的另一端通过管道连接压力表，气体流量计的另一端通过反应器主体的顶部连接疏水膜供气组件。

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