科技成果展示|基于合成微生物技术的生物膜流化床
访问量：451 发布时间：2023-11-17 15:51:02
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成果简介 基于合成微生物技术的生物膜流化床反应器集微生物技术、粉末填料载体技术和流化床制造技术于一体的新型环保装备，是以环境科技与新兴会聚技术交叉融合水污染治理与资源化利用的前瞻性、颠覆性技术和关键材料与重大装备。目标产品包括微生物菌种、复合厌氧生物膜流化床、间歇曝气好氧流化床、厌氧流化床膜生物反应器（AnMBR）等产品和装备。解决难降解垃圾渗滤液、焦化废水生化痛点，实现水污染治理和资源化利用，高效达标处理并实现低能耗运行，回收利用甲烷等资源并减排二氧化碳，是一种绿色低碳的新技术新装备。
技术领域 应用于节能环保领域，能解决目前水处理过程中一些高难废水处理成本高、能耗高、效果差，对环境形成二次污染等卡脖子难题。适用于焦化废水、垃圾渗滤液等难降解有机废水处理和低 COD 浓度城镇污水处理，在高效达标处理基础上实现低能耗运行，对 CH4 等资源进行回收利用并实现 CO2 减排、污泥减排，解决了焦化废水波动性大，生化进水酚和溶解性油含量高，不易直接进生化的“卡脖子”行业难题。
在国家履行“碳达峰、碳中和”的庄严承诺以及实施“长江大保护”战略的背景下，我国社会经济发展模式，特别是环境保护事业和环保科技，需要做出积极响应、实现转型升级。水体、土壤和大气综合治理，深入实施蓝天、碧水、净土保卫战，持续改善生态环境质量。本成果提供方自2018年以来针对煤化工废水可生化低、毒性强的酚氨废水，创新性的开发出生物流化床处理酚氨废水工艺包，技术水平行业领先，不仅很好地解决其毒性强和难生化的痛点，以及焦化废水、垃圾渗滤液生化“卡脖子”难题，并在新疆某煤化工园区成功应用，积累了深厚的研究和开发实力。合作方中科院水生所分子微生物学与生物技术课题组在污水处理微生物技术和菌种方面具有长期积累，对全国各地城镇污水处理厂（含垃圾渗滤液处理场）、化工园区污水处理厂和煤化工废水处理厂的活性污泥微生物群落结构进行高通量分析和微生物的分离、纯化和鉴定，其中许多优良菌株特别是菌胶团形成菌进行了基因组分析，获得大量菌种资源和遗传资源，在活性污泥微生物菌胶团形成分子机理研究方面取得系列成果和重要进展。本科技成果既能解决污水处理创新装备的设计与制造，又能解决设备内特种微生物、合成微生物填料的发现、发明。在进入市场的过程中，能和潜在客户产生良性互动，共建实验基地，不断完善装备，并培养新的更高效，适应性更强的菌种。 基于合成微生物技术的生物膜流化床，是集微生物技术、粉末填料载体技术和流化床制造技术于一体的新型环保装备，包括复合厌氧流化床、间歇曝气好氧流化床和微生物菌种。复合厌氧流化床是基于现代厌氧反应器中膨胀颗粒污泥床（EGSB）和厌氧内循环（IC）反应器的技术特点。将合成生物菌种、颗粒污泥与生物膜降解、生物倍增和高效脱气技术结合到流化床工艺，通过功能分区设计将厌氧生物降解、泥水脱气和泥水分离组合到流化床内完成的新型高效厌氧反应处理器。间歇曝气流化床基于活性污泥和生物膜降解有机物的技术原理，通过对生物反应器进行功能分区设计和投加合成微生物填料，构建悬浮生长和附着生长“双泥”共生微生物系统；通过间歇曝气搅拌，促使混合液在床内流化循环的同时，实现厌氧缺氧和好氧。在一个反应器内完成污染物（有机物、氨氮和磷）降解、生物膜脱除、料泥分离和泥水分离的流化床。（1）反应器内生物浓度不高，污染物容积负荷低。生物反应池大，耐冲击负荷能力差。 采用投加合成微生物填料，建立悬浮附着微生物系统；提高生物反应器内微生物浓度。培养颗粒污泥层的形成，增加系统生物浓度。采用“双泥”共存系统，解决聚磷菌与脱氮菌在世代周期上的矛盾，强化了系统同步脱氮除磷效果，提高了脱氮效率。短程硝化反硝化，同步硝化反硝化的实现提高了碳源的利用率。不仅降低了处理费用，而且提高了低浓度废水自身脱氮率。（3）硝化菌和聚磷菌泥龄矛盾，除磷效率低。生物脱氮除磷难以同时兼顾，提标需深度强化除磷。“双泥”共存系统解决了聚磷菌与脱氮菌在世代周期上的矛盾，强化了系统同步脱氮除磷效果。提高了除磷效率。（4）泥水分离效果差，常规二沉负荷低且出水水质差的解决方案出水口设有可调式隔滤絮凝层，能扑捉到出水中细小微粒，提高了出水水质。利用高通量技术对兰炭废水和垃圾渗滤液各种处理工艺段的微生物群落进行定性和定量分析，可以揭示污染净化机制，还可指导优势微生物（因可高效降解和转化有机污染物而快速生长繁殖的类群）的分离和纯化。对高效净化功能菌株还将进行基因组测序和注释，进行生化分析，阐明净化机理，还可通过诱变、遗传和合成生物学改造提升菌株净化能力。处理废水时不仅能提高混合液浓度，还增加了优势菌群，能更环保、经济、高效的处理诸如焦化废水、垃圾渗滤液、城镇污水等高难及常规废水。研究和技术开发思路上有所创新，进行跨学科多学科合作，集成在微生物学和环境工程技术的优势。近年来由于下一代高通量DNA测序技术的成熟，国内外对不同环境中微生物群落的高通量分析、宏基因组分析和宏转录组分析可深入揭示微生物群落的种类组成、动态特征和代谢途径。（1）2020-2022年在新疆某工业园区成功完成生物膜流化床工业化中试（5吨/天）；2021年已经申报发明专利1项，获得实用新型专利1项；2022年荣获湖北省科技厅揭榜制科技项目支持。（2）2023年正在陕西某高新区进行生物膜流化床全流程工艺工业化中试（5吨/天）；目前正在申报发明专利3项；2023年荣获湖北省中科院合作专项项目支持。（3）2023年正在湖北某工业园区进行厌氧流化床膜生物反应器工业化中试（0.5吨/天）；目前正在申报实用新型专利1项。解决焦化废水、垃圾渗滤液处理难点一是开发出能够承载此类污水，并为生化反应提供良好运行环境的专用装备，二是结合微生物分离、驯化、基因工程等技术和学科，开发降解COD、氨氮的优势菌种和菌群，降解焦化废水、垃圾渗滤液高含盐量浓缩液的菌种和菌群。将自主研发的厌氧流化床膜生物反应器和合成微生物填料有机结合。（1）合成微生物填料：粒径小、悬浮分散性能优、比表面积大。复合材质将无机基质颗粒进行有机质表面处理；使填料对微生物的亲和能力增强，易于构建悬浮生长和附着生长的“双泥”共生微生物系统。（2）悬浮污泥与附着微生物共存的“双泥”系统：成倍增加生物浓度，使反应器的处理效率得以成倍提升。生物种类成倍增加，提升了反应器处理污染物的种类。长短生物龄生物共存，解决了传统生物除磷脱氮中硝化菌和聚磷菌泥龄矛盾，提高了生物反应器出水水质。混合液：短生物龄微生物聚集区；填料表面：长生物龄微生物栖息地。
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