[发明专利]碱性矿物和微生物细胞共固定化凝胶颗粒及应用

说明书

本发明涉及废水处理及海水碱化增汇领域，特别是一种碱性矿物和微生物细胞共固定化凝胶颗粒及其在碱化废水增加海洋碳汇的应用。凝胶颗粒呈微球状或片状，其尺寸为3‑15mm；包括增加废水碱度的碱性矿物、分解有机污染物的活性微生物细胞、以及包覆碱性矿物和活性微生物细胞的包覆材料，包覆材料具有半通透性，且呈凝胶状。其实现了废水生物处理过程中的有机污染物降解和废水碱化增汇。

技术领域

本发明涉及废水处理及海水碱化增汇领域，特别是一种碱性矿物和微生物细胞共固定化凝胶颗粒及其在碱化废水增加海洋碳汇的应用。

背景技术

海水碱化增汇技术，是通过人为提高海水碱度，提高大气CO₂在海水系统中的溶解度，从而增加海洋碳汇；是理论较为完备的海洋负排放技术途径之一。CO₂在水体中存在如下平衡：

CO₂(g)+H₂O→H₂CO₃(aq)→H⁺(aq)+HCO₃^-(aq)→2H⁺(aq)+CO₃^2-(aq)

海水的溶解无机碳【即H₂CO₃(aq)、HCO₃^-(aq)和CO₃^2-(aq)的总和】中主要以碳酸氢根形态存在，占总溶解无机碳的90％以上，其也是海水碱度(以TA计)的主要成分。海水碱度通过如下方程可简单计算：

TA＝[HCO₃^-]+2[CO₃^2-]+[OH^-]-[H⁺]

自然过程中，河流和海浪冲刷碱性矿物(碳酸盐矿物或硅酸盐矿物)，使其与水体CO₂反应，可以提升海水碱度，增加海水对大气CO₂的缓冲能力。然而，自然矿物风化过程速率有限，不足以缓冲由于人为活动急剧增加的大气CO₂。因此，有学者提出向海洋表层添加破碎碱性矿物，以加速矿物风化过程，人为加强上述海洋碳汇效应。

然而，碱性矿物的溶解速率除与粒径(比表面积)呈负相关外，受水体pH值极大影响。由于海水系统呈现弱碱性(pH≈8.1)，碱性矿物即使被机械破碎，其在海水中的溶解速率也较慢。最新理论提出，可利用入海废水低pH高溶解无机碳的特征，在入海废水中添加碱性矿物，使其溶解碱化废水，随废水入海排放提高近海碱度，从而增强近海海域碳汇效应，该技术路径又被称为废水碱化增汇技术。

目前，废水碱化仅存在两条技术途径，即，废水中加强碱或溶解碱性矿物，但加强碱对废水处理厂工人素质要求过高，且碱液在废水中的不当添加易造成大规模生态灾害。相较之下，在处理废水中人为添加碱性矿物，使其溶解增加入海废水碱度，是模拟河流自然风化侵蚀碱性矿物过程，生态环境风险小，废水碱化程度易于控制，可广泛应用于河流下游区域废水处理工艺。然而，在碱性矿物的溶解过程中，将在矿物颗粒表面形成碳酸钙等难溶解的次生矿物或形成富硅层，使碱性矿物无法短期内完全溶解，导致原有废水处理工艺末端增加需要长时间静置废水的碱化池，或耗能的碱性矿物溶解搅拌罐。在现有废水处理工艺的曝气池中添加碱性矿物也能有效加速碱性矿物的溶解，但废水处理的产泥率也随之增加。

综上所述，上述三种废水碱化工艺方案均将极大增加废水处理成本，降低废水碱化增汇的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种碱性矿物和微生物细胞共固定化凝胶颗粒及应用，其实现了废水生物处理过程中的有机污染物降解和废水碱化增汇。

本发明的技术方案是：一种碱性矿物和微生物细胞共固定化凝胶颗粒，其中，凝胶颗粒呈微球状或片状，其尺寸为3-15mm；