CN101586074B - 利用生活污水培养藻类的养殖系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用生活污水养殖藻类并进行化工提纯加工的系统，该系统包括有依次连接的生产藻类营养液的污水处理与过滤组件、利用污水处理组件供应的藻类营养物质来培养藻类的养殖组件、以及对藻类养殖组件所获得的藻类进行分离收集以及供应给相关的藻类加工设备的藻类获取和化学加工组件，所述藻类获取和加工组件还通过回流管道与污水处理组件相连。使藻类获取和化学加工组件产生的生物废料回流到污水处理与过滤组件再次被处理与过滤。本发明可将储存在生活污水及生物垃圾中的碳元素转化为油脂和其它有机分子，在净化生活污水的同时生产有经济价值的化工及生物产品，可解决大规模养殖藻类的高成本问题，促进利用藻类生产生物柴油的产业化。

Description

利用生活污水培养藻类的养殖系统

技术领域

本发明涉及环境工程及生物能源领域，尤其涉及一种利用生活污水培养藻类的养殖系统。 

背景技术

传统污水处理由一级沉淀处理、二级生物处理和三级过滤处理等步骤组成，污水中的有机物和氮、磷等营养物质被微生物消耗，污水得到净化的同时，仅得到沉淀的活性污泥和生物沼气等简单副产物。Michael Wagner等研究人员在Current Opinion in Biotechnology(2002)13：218-227报告了不同的污水处理中不同阶段的活性污泥和生物膜反应器中的不同微生物组成和不同的氮、磷吸收效率，显示通过工程改进的菌落组成，可以改善污水中营养元素和气体释放效率。 

藻类与用于污水处理的普通微生物一样，可以适应于各种污染条件的污水中迅速繁殖生长。与普通异养微生物不同，藻类繁殖生长不但消耗污水中的营养元素从而净化污水，而且通过光合作用吸收温室气体二氧化碳，从而有利于对抗全球暖化问题。从七八十年代至今，有很多发明利用藻类来净化污水(如US patent 4,432,869，US patent 6,896,804B2)。但是在这些发明中，污水仅被用作被净化的对象，而不被视为藻类赖以生长的营养源(如碳、氮，磷，钾源等)。 

近年来，藻类成为热门的产油物种，其油脂含量声称可达到生物质干重的50％以上，这些油脂经过提取和转脂化后，可成为比石油更清洁且可再生的能源——生物柴油。因而，近年来涌现了多种有关藻类养殖系统的发明，如US patent 2007/0289206公开了一种养殖藻类的垂直悬挂生物反应器，其营养源如氮、磷和光合作用需要的二氧化碳需要外源添加，但养殖营养液成本相对较高；US patent 2008/0096267公开了一种大规模连续养殖收集藻类和其他微生物的系统，同样，其营养液由高成本的化工添加剂组成；US patent2008/0153080则公开了一种闭合的光生物反应器用来养殖经过基因改造的藻类用以生产酒精，其营养源同样需要高成本的化工添加剂；US patent2008/0178739公开了一种形似温室的光生物反应器，吸收发电厂排放出来废气中的二氧化碳作为光合作用的原料。总之，这些发明中，藻类均由外源化工添加剂来培养、或者用来源有限的废气(如来自发电厂的废气)来培养，成本高、很难普及和放大，导致利用藻类生产生物柴油难以实现产业化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用生活污水培养藻类的养殖系统，该系统在净化生活污水的同时，可解决大规模养殖藻类的高成本问题，促进利用藻类生产生物柴油的产业化。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 

一种利用生活污水培养藻类的养殖系统，该系统包括有依次连接的用于生产培养用营养物质的污水处理组件、利用污水处理组件供应的培养用营养物质来养殖藻类的藻类养殖组件、以及对藻类养殖组件所获得的藻类进行分离收集以供应给相关的藻类利用设备的藻类获取组件，所述藻类获取组件还通过回流管道与污水处理组件相连， 

其中，所述污水处理组件包括：设置有污水入口的污水发酵装置、用于搅拌所述污水发酵装置内污水的搅拌装置、以及与所述污水发酵装置通过循环管道连接的污水过滤装置； 

所述藻类养殖组件包括：与所述污水过滤装置相连的培养液制备装置、以及通过管道与所述培养液制备装置相连的藻类生长反应装置，而所述藻类生长反应装置还通过一气体管道与所述污水发酵装置相连； 

所述藻类获取组件包括：与所述藻类生长反应装置相连的藻类收集装置、与所述藻类收集装置相连的藻类过滤装置、以及与所述藻类过滤装置相连的藻类提取装置，而所述藻类过滤装置还通过一第一回流管道与所述污水发酵装置相连、所述藻类提取装置还通过一第二回流管道与所述污水发酵装置的污水入口相连。 

优选地，所述污水发酵装置还设置有一出口，该出口与一过量污水处理装置相连。 

本发明的有益效果是： 

本发明的实施例通过利用生活污水中的营养成分来培养藻类，从而将储存在生活污水及生物垃圾中的碳元素转化为油脂和其它有机分子，在净化污水的同时，大大降低了藻类养殖的成本、对利用藻类生产生物柴油的产业化进程起了巨大的促进作用。 

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。 

附图说明

图1是本发明提供的利用生活污水培养藻类的养殖系统一个实施例的组成结构图。 

具体实施方式

参考图1，该图是本发明提供的利用生活污水培养藻类的养殖系统一个实施例的组成结构图；如图所示，本实施例主要由依次连接的用于生产培养用营养物质的污水处理组件1、利用污水处理组件1供应的培养用营养物质来养殖藻类的藻类养殖组件2、以及对藻类养殖组件2所获得的藻类进行分离收集以供应给相关的藻类利用设备的藻类获取组件3，所述藻类获取组件还通过回流管道与污水处理组件相连。 

具体实现时，所述污水处理组件1具体包括：设置有污水入口110的污水发酵装置11、用于搅拌所述污水发酵装置11内污水的搅拌装置12、以及与所述污水发酵装置通过循环管道10连接的污水过滤装置13。 

所述藻类养殖组件2具体包括：通过管道20与所述污水过滤装置13相连的培养液制备装置21、以及通过管道30与所述培养液制备装置21相连的藻类生长反应装置22，而所述藻类生长反应装置22的顶部还通过一气体管道40与所述污水发酵装置11的顶部相连。 

所述藻类获取组件3具体包括：通过管道50与所述藻类生长反应装置22相连的藻类收集装置31、通过管道60与所述藻类收集装置31相连的藻类过滤装置32、以及与所述藻类过滤装置32通过传送带相连的藻类提取装置33，而所述藻类过滤装置32还通过第一回流管道70与所述污水发酵装置11相连、所述藻类提取装置33还通过第二回流管道80与所述污水发酵装置11的污水入口110相连。 

另外，所述污水发酵装置11还设置有一出口111，该出口111与一过量污水处理装置14相连，污水发酵装置11中的过量污水经过所述过量污水处理装置14生物处理、过滤之后排放到环境中，所述排放到环境中的污水符合国家标准。

另外，所述污水发酵装置11、培养液制备装置21、藻类生长反应装置22和藻类收集装置31上各设置有一与大气连通的通气阀00。 

另外，所述培养液制备装置21与藻类生长反应装置22之间的管道30设置有水泵300、且所述气体管道40设置有气泵400，污水发酵产生的气体如二氧化碳通过气泵400经所述管道40供给藻类繁殖生长。 

具体实现时，所述污水过滤装置13的滤膜孔径可设置为0.45-2.0微米、，所述的藻类过滤装置32的滤膜直径可设置为1.8微米、而所述过量污水处理装置14的滤膜孔径可设置为0.45微米；所述污水发酵装置的容积为可40吨、所述培养液制备装置的容积可为5吨、所述藻类生长反应装置的容积可为40吨、而所述管道流量则为4吨/天。 

下面详细描述本实施例进行藻类养殖的具体过程。 

以每天通过污水入口进入污水发酵装置11的生活污水约4-5吨为例，污水中的固体在所述污水发酵装置11内被搅拌装置12搅拌破碎后，其中营养元素溶解，释放到污水的水相中，污水发酵装置11的通气阀00可通入空气，加入空气后有利于有氧发酵的加速； 

污水经过污水发酵装置11发酵和污水过滤装置13过滤之后，由于所述污水过滤装置10的滤膜孔径为0.45-2.0微米，从而污水中的固体和微生物不能透过滤膜，而只有污水中水相得以透过滤膜，不能透过滤膜的有机混合物固相颗粒则通过所循环管道10以水泵抽回所述污水发酵装置11，重新经搅拌装置12搅拌破碎循环生物发酵释放营养元素，而通过滤膜的水相则成为藻类或其它微生物繁殖生长所需的培养液，流入所述培养液制备装置21中贮存，其流量为4吨/天，如有需要，还可在所述培养液制备装置21中添加入额外的水和营养元素； 

培养液制备装置21中的培养液通过管道30泵入藻类生长反应装置22，供其中的藻类(如小球藻)或其它微生物繁殖生长，其流量为4吨/天，另外，生活污水在污水发酵装置11中发酵还产生二氧化碳、甲烷等气体，这些气体则通过管道40泵入所述藻类生长反应装置22中供藻类或其它微生物繁殖生 长所用； 

成熟的藻类和营养液通过管道50从所述藻类生长反应装置22流入所述藻类收集装置31，其流量为4吨/天，所述藻类收集装置31中收集的藻液再经过管道60流入所述藻类过滤装置32，得到浓缩的湿藻为0.02-0.04吨/天，由于所述藻类过滤装置32的滤膜直径为1.8微米，藻液中的藻类细胞不能透过滤膜，从而只有经过藻类或其它微生物繁殖生长利用后的培养液得以透过滤膜后，通过管道80流回所述污水发酵装置11，使得污水得以循环利用； 

而经过所述藻类过滤装置32收集的藻类生物质通过传送带转运到藻类提取装置33，经过进一步的脱水、干燥、提取和加工处理，连续诱导油脂含量增加后，提取出藻类生物质中的有用成分，该有用成分可以用于生产生物柴油、酒精、肥料等，提取有用成分后残留的藻类生物质从污水入口回收入污水发酵装置循环利用。 

本实施例的核心在于将污水发酵装置与藻类生长反应装置(密闭或开放式的)偶联在一起来进行藻类或其他微生物养殖，从而藻类繁殖生长需要的氮、磷、钾等营养元素直接来自污水生物发酵处理过滤产生的培养液，藻类光合作用需要的二氧化碳部分或全部由污水中的有机物分解直接供给，而污水中有机物分解产生的甲烷等气体可以用于作为藻类繁殖和生长的炭源和刺激藻类的繁殖和生长。养殖得到的藻类生物质经收集提取后，可用于制备有用的工业原料(如生物柴油、可生物降解塑料)，经藻类或其他微生物繁殖生长的利用过的培养液回流到污水发酵装置中循环利用，且从藻类生物质中提取了有用成分之后，其残留生物质也可回流到污水发酵装置进行循环利用。 

污水循环使用是本发明的一个突出优点，主要在于污水中的有机物部分地转化成藻类生物质中的碳氢化合物用来制备柴油和各种工业原料后，未被有效转化的部分仍可留在碳转化器体系(藻类提取装置)中无限循环，不断的转化为可用生物质。 

 利用污水或有机固体垃圾养殖藻类有多方面的优势：第一，污水和有机固体垃圾来源广泛，容易普及和放大；第二，生活污水和有机固体垃圾基本含有藻类繁殖生长的各种营养元素，同时其中的有机物通过微生物发酵产生的二氧化碳可以作为藻类光合作用的原料，这些营养液及碳元素成本几乎为零，也就是说作为养殖藻类的营养源的成本几乎可以忽略不计，解决了大规模生产油藻的高成本问题，为产业化奠定了基础；第三，通过藻类养殖可以净化污水，减少家庭和社区的排污量，具有社会效益；最后，随着石油资源的不断减少和环境保护力度的提高，污水处理和藻类养殖结合利用生产能源的体系将会有广阔的前景和巨大的市场。 

本发明既可应用于家庭院落、也可经过放大，比如说从40吨藻类养殖组件放大到4百万吨或更大，以至用于学校、公园、社区、农场、村落、城镇等。本发明的系统可被命名为碳循环器(carbon recycler)。 

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，放大和润饰，这些改进，放大和润饰也视为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种利用生活污水培养藻类的养殖系统，其特征在于，该系统包括有依次连接的用于生产培养用营养物质的污水处理组件、利用污水处理组件供应的培养用营养物质来养殖藻类的藻类养殖组件、以及对藻类养殖组件所获得的藻类进行分离收集以供应给相关的藻类利用设备的藻类获取组件，所述藻类获取组件还通过回流管道与污水处理组件相连，

其中，所述污水处理组件包括：设置有污水入口的污水发酵装置、用于搅拌所述污水发酵装置内污水的搅拌装置、以及与所述污水发酵装置通过循环管道连接的污水过滤装置；

所述藻类养殖组件包括：与所述污水过滤装置相连的培养液制备装置、以及通过管道与所述培养液制备装置相连的藻类生长反应装置，而所述藻类生长反应装置还通过一气体管道与所述污水发酵装置相连；

所述藻类获取组件包括：与所述藻类生长反应装置相连的藻类收集装置、与所述藻类收集装置相连的藻类过滤装置、以及与所述藻类过滤装置相连的藻类提取装置，而所述藻类过滤装置还通过一第一回流管道与所述污水发酵装置相连、所述藻类提取装置还通过一第二回流管道与所述污水发酵装置的污水入口相连。

2.如权利要求1所述的利用生物污水培养藻类的养殖系统，其特征在于，所述污水发酵装置还设置有一出口，该出口与一过量污水处理装置相连。

3.如权利要求1所述的利用生物污水培养藻类的养殖系统，其特征在于，所述污水发酵装置、培养液制备装置、藻类生长反应装置和藻类收集装置上各设置有一与大气连通的通气阀。

4.如权利要求1所述的利用生物污水培养藻类的养殖系统，其特征在于，所述培养液制备装置与藻类生长反应装置之间的管道设置有水泵、且所述气体管道设置有气泵。

5.如权利要求2所述的利用生物污水培养藻类的养殖系统，其特征在于，所述污水过滤装置的滤膜孔径为0.45-2.0微米、所述过量污水处理装置的滤膜孔径为0.45微米。