科技成果展示|基于合成微生物技術的生物膜流化床
訪問量：1325 發布時間：2023-11-17 15:51:02
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成果簡介 基于合成微生物技術的生物膜流化床反應器集微生物技術、粉末填料載體技術和流化床制造技術于一體的新型環保裝備，是以環境科技與新興會聚技術交叉融合水污染治理與資源化利用的前瞻性、顛覆性技術和關鍵材料與重大裝備。目標產品包括微生物菌種、復合厭氧生物膜流化床、間歇曝氣好氧流化床、厭氧流化床膜生物反應器（AnMBR）等產品和裝備。解決難降解垃圾滲濾液、焦化廢水生化痛點，實現水污染治理和資源化利用，高效達標處理并實現低能耗運行，回收利用甲烷等資源并減排二氧化碳，是一種綠色低碳的新技術新裝備。
技術領域 應用于節能環保領域，能解決目前水處理過程中一些高難廢水處理成本高、能耗高、效果差，對環境形成二次污染等卡脖子難題。適用于焦化廢水、垃圾滲濾液等難降解有機廢水處理和低 COD 濃度城鎮污水處理，在高效達標處理基礎上實現低能耗運行，對 CH4 等資源進行回收利用并實現 CO2 減排、污泥減排，解決了焦化廢水波動性大，生化進水酚和溶解性油含量高，不易直接進生化的“卡脖子”行業難題。
在國家履行“碳達峰、碳中和”的莊嚴承諾以及實施“長江大保護”戰略的背景下，我國社會經濟發展模式，特別是環境保護事業和環保科技，需要做出積極響應、實現轉型升級。水體、土壤和大氣綜合治理，深入實施藍天、碧水、凈土保衛戰，持續改善生態環境質量。本成果提供方自2018年以來針對煤化工廢水可生化低、毒性強的酚氨廢水，創新性的開發出生物流化床處理酚氨廢水工藝包，技術水平行業領先，不僅很好地解決其毒性強和難生化的痛點，以及焦化廢水、垃圾滲濾液生化“卡脖子”難題，并在新疆某煤化工園區成功應用，積累了深厚的研究和開發實力。合作方中科院水生所分子微生物學與生物技術課題組在污水處理微生物技術和菌種方面具有長期積累，對全國各地城鎮污水處理廠（含垃圾滲濾液處理場）、化工園區污水處理廠和煤化工廢水處理廠的活性污泥微生物群落結構進行高通量分析和微生物的分離、純化和鑒定，其中許多優良菌株特別是菌膠團形成菌進行了基因組分析，獲得大量菌種資源和遺傳資源，在活性污泥微生物菌膠團形成分子機理研究方面取得系列成果和重要進展。本科技成果既能解決污水處理創新裝備的設計與制造，又能解決設備內特種微生物、合成微生物填料的發現、發明。在進入市場的過程中，能和潛在客戶產生良性互動，共建實驗基地，不斷完善裝備，并培養新的更高效，適應性更強的菌種。 基于合成微生物技術的生物膜流化床，是集微生物技術、粉末填料載體技術和流化床制造技術于一體的新型環保裝備，包括復合厭氧流化床、間歇曝氣好氧流化床和微生物菌種。復合厭氧流化床是基于現代厭氧反應器中膨脹顆粒污泥床（EGSB）和厭氧內循環（IC）反應器的技術特點。將合成生物菌種、顆粒污泥與生物膜降解、生物倍增和高效脫氣技術結合到流化床工藝，通過功能分區設計將厭氧生物降解、泥水脫氣和泥水分離組合到流化床內完成的新型高效厭氧反應處理器。間歇曝氣流化床基于活性污泥和生物膜降解有機物的技術原理，通過對生物反應器進行功能分區設計和投加合成微生物填料，構建懸浮生長和附著生長“雙泥”共生微生物系統；通過間歇曝氣攪拌，促使混合液在床內流化循環的同時，實現厭氧缺氧和好氧。在一個反應器內完成污染物（有機物、氨氮和磷）降解、生物膜脫除、料泥分離和泥水分離的流化床。（1）反應器內生物濃度不高，污染物容積負荷低。生物反應池大，耐沖擊負荷能力差。 采用投加合成微生物填料，建立懸浮附著微生物系統；提高生物反應器內微生物濃度。培養顆粒污泥層的形成，增加系統生物濃度。采用“雙泥”共存系統，解決聚磷菌與脫氮菌在世代周期上的矛盾，強化了系統同步脫氮除磷效果，提高了脫氮效率。短程硝化反硝化，同步硝化反硝化的實現提高了碳源的利用率。不僅降低了處理費用，而且提高了低濃度廢水自身脫氮率。（3）硝化菌和聚磷菌泥齡矛盾，除磷效率低。生物脫氮除磷難以同時兼顧，提標需深度強化除磷。“雙泥”共存系統解決了聚磷菌與脫氮菌在世代周期上的矛盾，強化了系統同步脫氮除磷效果。提高了除磷效率。（4）泥水分離效果差，常規二沉負荷低且出水水質差的解決方案出水口設有可調式隔濾絮凝層，能撲捉到出水中細小微粒，提高了出水水質。利用高通量技術對蘭炭廢水和垃圾滲濾液各種處理工藝段的微生物群落進行定性和定量分析，可以揭示污染凈化機制，還可指導優勢微生物（因可高效降解和轉化有機污染物而快速生長繁殖的類群）的分離和純化。對高效凈化功能菌株還將進行基因組測序和注釋，進行生化分析，闡明凈化機理，還可通過誘變、遺傳和合成生物學改造提升菌株凈化能力。處理廢水時不僅能提高混合液濃度，還增加了優勢菌群，能更環保、經濟、高效的處理諸如焦化廢水、垃圾滲濾液、城鎮污水等高難及常規廢水。研究和技術開發思路上有所創新，進行跨學科多學科合作，集成在微生物學和環境工程技術的優勢。近年來由于下一代高通量DNA測序技術的成熟，國內外對不同環境中微生物群落的高通量分析、宏基因組分析和宏轉錄組分析可深入揭示微生物群落的種類組成、動態特征和代謝途徑。（1）2020-2022年在新疆某工業園區成功完成生物膜流化床工業化中試（5噸/天）；2021年已經申報發明專利1項，獲得實用新型專利1項；2022年榮獲湖北省科技廳揭榜制科技項目支持。（2）2023年正在陜西某高新區進行生物膜流化床全流程工藝工業化中試（5噸/天）；目前正在申報發明專利3項；2023年榮獲湖北省中科院合作專項項目支持。（3）2023年正在湖北某工業園區進行厭氧流化床膜生物反應器工業化中試（0.5噸/天）；目前正在申報實用新型專利1項。解決焦化廢水、垃圾滲濾液處理難點一是開發出能夠承載此類污水，并為生化反應提供良好運行環境的專用裝備，二是結合微生物分離、馴化、基因工程等技術和學科，開發降解COD、氨氮的優勢菌種和菌群，降解焦化廢水、垃圾滲濾液高含鹽量濃縮液的菌種和菌群。將自主研發的厭氧流化床膜生物反應器和合成微生物填料有機結合。（1）合成微生物填料：粒徑小、懸浮分散性能優、比表面積大。復合材質將無機基質顆粒進行有機質表面處理；使填料對微生物的親和能力增強，易于構建懸浮生長和附著生長的“雙泥”共生微生物系統。（2）懸浮污泥與附著微生物共存的“雙泥”系統：成倍增加生物濃度，使反應器的處理效率得以成倍提升。生物種類成倍增加，提升了反應器處理污染物的種類。長短生物齡生物共存，解決了傳統生物除磷脫氮中硝化菌和聚磷菌泥齡矛盾，提高了生物反應器出水水質。混合液：短生物齡微生物聚集區；填料表面：長生物齡微生物棲息地。
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