CN101914430A - 一种微藻养殖装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微藻养殖与污水处理相结合的装置，包括：由透光材料制成的第一容器、第二容器和第三容器，第一容器的出水口与第二容器的进水口相连，所述第二容器套在第三容器中；所述第一容器底部设置曝气装置；所述第二容器底部设置二氧化碳喷射装置、微藻液喷射装置和氧气收集装置，第二容器底部与第三容器相通；所述第三容器底部为锥形，设置排泥管，第三容器侧壁设置微藻收获管。本发明能提供理想的藻类和细菌共生的环境，既生产养殖了可生产生物柴油的微藻，又能对污水进行治理，有效去除水中的有机物和氮磷，减少了我国水体大面积爆发蓝藻的机会；微藻养殖周期短，产量大，可实现微藻的产业化生产，又有利于环境保护。

Description

一种微藻养殖装置及方法
技术领域
本发明涉及微藻养殖技术领域，具体涉及一种微藻养殖装置及方法。
背景技术
微藻生物柴油能源技术是一种利用微藻光合作用，将太阳能和二氧化碳转化为能源产品的新型生物能源技术。近年来，石油燃油价格的波动、上涨与碳总量排放限额是目前全球面临的两大问题，而由可持续的藻类制成的生物柴油和生物燃料对于解决上述两大问题具有极大潜力。
微藻生物柴油是优质的石化柴油替代品，与普通的石化柴油相比，微藻生物柴油具有优良的环保性能，硫化物排放可减少70％，无毒，生物可分解，是清洁的替代燃料，且生产生物柴油的原料具有可再生性，其运输、存储和使用更加安全。将生物柴油和一定比例的普通石化柴油调和使用，可以降低油耗，提高动力性能，柴油机不需作任何改动或更换零件，还可以延长发动机的使用寿命。
微藻生物柴油的工业化生产需要大量的微藻，而现有的养殖技术养殖微藻的周期长，生产量较低，生产成本较高。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种微藻养殖装置及方法，微藻养殖周期短，产量大，可实现产业化生产，并且能够同时处理生活污水。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种微藻养殖装置，包括：由透光材料制成的第一容器、第二容器和第三容器，第一容器的出水口与第二容器的进水口相连，所述第二容器套在第三容器中；
所述第一容器底部设置曝气装置；
所述第二容器底部设置二氧化碳喷射装置、微藻液喷射装置和氧气收集装置，第二容器底部与第三容器相通；
所述第三容器底部为锥形，设置排泥管，第三容器侧壁设置微藻收获管。
作为优选，所述第一容器套在第二容器中，第一容器为敞口，设置进水管与第一容器相通。
作为优选，所述第三容器顶部封闭。
作为优选，所述透光材料为透明的玻璃钢、有机玻璃或透明性聚合物材料中的一种。
作为优选，所述第一容器外壁上悬挂LED灯。
作为优选，所述第二容器外壁上悬挂LED灯。
作为优选，所述LED灯为浅红、浅黄和白色。
作为优选，所述第二容器底面为筛板。
作为优选，还包括用于第二容器中污水的pH值调节仪与BOD调节仪。
一种微氧养殖方法，包括以下步骤：
a)向污水中曝气，降解有机物；
b)使曝气后的污水进入厌氧环境，同时向污水中喷射二氧化碳气体和微藻液进行微藻养殖；
c)排水并收获污水中生成的微藻，排出污泥。
作为优选，所述a)中污水为经过超微过滤的污水。
作为优选，所述a)中当污水的BOD大于等于500mg/L时，向污水中投放水处理菌种。
作为优选，所述b)中在污水中放置LED灯。
作为优选，所述b)中污水的BOD为30mg/L～50mg/L。
作为优选，所述b)中污水的pH为6～7.5。
作为优选，所述b)中污水的温度为25℃～45℃。
本发明提供的微藻养殖装置结构简单，操作容易，占地面积小，将微藻养殖与污水处理有机结合，在养殖微藻的同时还可进行水处理，亦可单独进行微藻养殖或单独进行污水处理；装置分成有氧、厌氧和收获三个区，充分利用太阳能，节省电能，成本较低；利用生活污水就能进行微藻繁殖，既生产养殖了可生产生物柴油的微藻，有效地将微藻养殖与污水处理有机的结合起来，为微藻和细菌共同生产提供了一个理想的环境，又能对污水进行治理，有效去除水中的有机物和氮磷，减少了我国水体大面积爆发蓝藻的机会；微藻养殖周期短，产量大，可以保持长时间的指数生长期，并连续收获，并且微藻类的凝乳属性更加强了使水澄清的效果，可实现微藻的产业化生产，又有利于环境保护。
附图说明
图1为本发明一种具体实施方式所提供的微藻养殖装置的剖面图；
图2为图1所示的装置的俯视图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
由于大量使用化肥，我国的生活污水和地表水含有大量的营养，特别是氮和磷。而传统的污水处理方法很难去除氮和磷，因此我国各地水体经常大面积爆发蓝藻。本发明利用生活污水中丰富的营养物质转化为藻类的食物，养殖能够用来生产生物柴油的微藻，同时去除污水中的有机物和氮磷钾。
本发明提供的微藻养殖装置在用来养殖微藻的同时还能够进行污水处理，将微藻养殖与污水处理技术进行了有机的结合，请参考图1和图2，图1为本发明一种具体实施方式所提供的微藻养殖与污水处理相结合的装置的剖面图，图2为图1所示的装置的俯视图，该装置包括：由透光材料制成的第一容器1、第二容器2和第三容器3，第一容器1的出水口与第二容器2的进水口相连，第二容器2套在第三容器3中，该装置采用透光材料制成，充分利用太阳能，透光材料可以选用透明的玻璃钢、有机玻璃或透明性聚合物材料中的一种，玻璃钢如高硼硅加强玻璃，透明性聚合物材料如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酯、聚碳酸酯或一氧化碳与脂肪不饱和化合物的共聚物等。第一容器1可单独设置也可与第二容器2、第三容器3依次由内向外嵌套，优选设置为同心，由图2的俯视图可呈现三个同心圆。
第一容器内1为有氧区，容器为敞口，底部设置曝气装置12，与曝气泵(未示出)相连的曝气管11通入底部与曝气装置12连接，向第一容器1内的污水中充氧。优选第一容器1套在第二容器2中，第一容器1为敞口，第一容器1和第二容器2套在第三容器3中，第三容器上设置进水管31与第一容器1相通，污水由外界首先进入第一容器1进行曝气。作为优选，第一容器1的外壁上悬挂LED灯13，在太阳光不足的天气及夜晚向第二容器中提供光源，优选使用浅红、浅黄和白色，LED灯13类似于自然光源，适宜微藻生长，可以使第二容器2处于类太阳光的照射下，微藻能吸收到几乎相同于太阳光的光照能量，而且LED灯13比普通的灯管节省能源，产生的温度较适宜，不会因局部过热而影响微藻生长和繁殖甚至使微藻死亡。
污水在第一容器1中进行曝气后进入第二容器2，图1所示的具体实施方式中，第一容器1中的污水盛满后由上缘溢流入第二容器2。第二容器2为厌氧区也即微藻养殖区，底部与第三容器3相通，底面优选为筛板，通过筛板的抖动可以使微藻不致下沉，容器底部设置二氧化碳喷射装置、微藻液喷射装置和氧气收集装置。微藻适宜在厌氧环境中生长，在光源的照射下，吸进二氧化碳并呼出氧气，污水中的有机物、氮磷钾微量元素及生长激素都能使微藻的繁殖更迅速。第二容器2内模拟微藻生长的环境，与微藻液泵(未示出)相连的微藻液管22由微藻养殖区顶部一直延伸至底部的各微藻液喷射口，向水中喷射微藻液以便接种，第一容器1外壁上的LED灯13与太阳光提供微藻生长必需的光源，与二氧化碳气泵(未示出)相连的二氧化碳气管23由微藻养殖区顶部一直延伸至底部的各二氧化碳喷气口，向污水中喷入二氧化碳供微藻生长，然后通过氧气收集装置和氧气收集管21将产生的氧气排出微藻养殖区以供医院使用或富氧气燃烧。作为优选，第二容器2的外壁上也悬挂LED灯24，优选使用浅红、浅黄和白色，为微藻提供更多的光源。
在第二容器2中，污水中的有机物和氮磷钾供给微藻繁殖，污水得到进一步的净化后由第二容器2的底部进入第三容器3中，第三容器3为澄清区也即微藻收获区，底部为锥形，处理后的水在这里得到澄清，水中产生的污泥沉淀并由设置于锥形底部的排泥管33排出装置，第二容器2的底部可位于第三容器3圆柱与锥形的连接处，在锥形中由第二容器2底部向下依次形成兼性处理区34、厌氧处理区35和污泥区36，形成A2/O处理工艺，有利于污水的脱氮除磷。
优选的，第三容器顶部封闭，可使三个容器都与外界隔开，异物、害虫及杂藻不会进入装置中，防止微藻的生长环境受到污染，确保微藻能够正常迅速繁殖。第三容器3顶部即整个装置的顶部设置进水管31，进水管31的开口正对第一容器1的开口，与第一容器1相通，使污水最先注入第一容器1中，在第三容器3的侧壁设置微藻收获管32，收获的微藻和处理后的出水由这里流出。由于微藻收获区为最外层，其光源主要来自于太阳光，如要提高微藻产量，也可配置LED光源或其它光源。
另外为了使第二容器2内的pH值、BOD值符合微藻养殖的条件，优选设置pH调节仪和BOD调节仪，可以悬挂于第三容器3的外壁上，及时对微藻养殖区中污水的pH值和BOD进行监测，并调节。
本发明的微藻养殖装置同时还可以进行污水处理，若经过简单改动后，可成为单独的内循环光合生物反应器养殖微藻，也可以成为单独的内循环污水处理系统进行污水处理。多个本发明提供的装置可以平行间隔排列或向阳光倾斜式排列构成系列生产线，充分利用太阳光，另外各个装置产生的氧气可用一个管线收集，集中回收氧气，各装置的二氧化碳气体也可使用一个管线输送，二氧化碳可以为发电厂产生的二氧化碳气源或其它燃煤二氧化碳气源，且热的二氧化碳气源能有效调节微藻的培养温度，用于养殖微藻后变废为宝。
本发明还提供了一种微藻养殖的方法，养殖微藻的同时还能对城市生活污水进行处理，包括以下步骤：
a)收集城市污水，优选先将污水进行超微过滤，防止水中带进异物、杂藻等影响微藻养殖的物质，然后在有氧区内对超微过滤后的污水进行曝气，根据水体自净的原理，降解污水中的有机物，当进水中的BOD大于等于500mg/L时，可向污水中投放水处理菌种协助降解有机物，曝气后的污水中的有机物得到部分降解，防止有机物含量过多易繁殖出杂藻。
b)使曝气后的污水进入微藻养殖区处于厌氧环境中，进行微藻的养殖，为模拟微藻的生长环境，向污水中喷射微藻液进行接种，并喷射二氧化碳供微藻进行呼吸，同时保持培养温度为25℃～45℃，污水的BOD为30mg/L～50mg/L，pH为6～7.5。在太阳光不足或夜晚，污水中还要放置LED灯，模拟太阳光向微藻提供光源，并能产生一定的热量，使水温适合微藻的生长。微藻生长中产生大量氧气，氧气既不利于微藻的繁殖生长，也不利于脱氮除磷，因此为保持水中的厌氧环境，将生成的氧气收集并排出进行回收利用。
c)微藻大量繁殖后，污水也得到了进一步的处理，水中剩余的有机物和氮磷钾得到去除，经沉淀排出微藻繁殖过程中生成的污泥，处理后的水得到澄清再排出，同时收获生成的微藻。每次收获时只收集50％的微藻，余下的微藻再次注入微藻养殖区中进行繁殖，这样只需在最初进行一次接种，后续生产只要利用生产的50％的微藻继续繁殖即可。
依照本发明提供的方法养殖微藻并处理污水，做三个并列实验，分别检测原水和出水的水质，得出污水的处理效果，结果见表1：
表1污水的处理效果
  测试项目   实施例1   实施例2   实施例3
  CODCr原水/mg/L   189.2   155.8   193.5
  CODCr出水/mg/L   21.3   18.4   23.3
  CODCr去除率/％   87.1   88.2   88
  BOD5原水/mg/L   96.4   82.8   97.2
  BOD5出水/mg/L   6.2   5.2   6.5
  BOD5去除率/％   93.6   93.7   93.3
  TN原水总氮/mg/L   22.3   22.8   21.4
  TN出水总氮/mg/L   8.7   9.1   7.6
  总氮去除率/％   61   60   64
  TP原水总磷/mg/L   3.86   5.22   3.76
  TP出水总磷/mg/L   0.21   0.24   0.19
  总磷去除率/％   94.6   95.4   95
实验所用的污水取自某市河涌城市污水，由表1的结果可以看到本发明对污水中COD和BOD的去除率较高，特别是脱氮除磷的效果很明显，总氮去除率超过60％，总磷去除率达到95％，既能使污水中的有机物和氮磷转换为微藻的食物，生产养殖出大量能生产生物柴油的微藻，又有效地去除了生活污水中的有机物和氮磷，由于微藻的凝乳属性还加强了澄清的效果，这对于我国是非常重要的，由于大量使用化肥，我国的生活污水和地表水含有大量的有机营养物质，特别是氮和磷，应该本发明提供的方法能有效除去水中氮和磷，减少我国水体大面积爆发蓝藻的机会。
再分别取三个实施例的微藻养殖样品，使用XB.K25血球计数板，在显微镜下进行计数，记下微藻细胞的密度，同时做一组对照实验，采用传统的方法培养微藻，向水中投入氮磷等营养物质，不使用生活污水，结果见表2：
表2亚心形扁微藻细胞的养殖密度
Figure BSA00000195428600071
由表2结果可以看到，与对照实验进行比较，本发明提供的微藻养殖方法大大提高了微藻的产出率，微藻的繁殖速率很快，实施例1的微藻繁殖到8小时后，微藻细胞的密度上升到1287×104个/ml，收取大约50％的微藻后，微藻细胞的密度仍在876×104个/ml，然后剩下50％的微藻继续进行繁殖，到10小时后，微藻细胞的密度上升到1364×104个/ml，收取大约50％的微藻后，微藻细胞密度为937×104个/ml，然后剩下50％的微藻继续进行繁殖，以此类推。微藻几小时就可收获一次，收获时保留50％的微藻，后续无需再接种，微藻生长迅速，可以保持长时间的指数生长期，并连续收获，比传统的方法减少了延缓期、平稳期和衰老期，适合于大规模的产业化生产。
以上对本发明所提供的微藻养殖与污水处理相结合的装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (16)

1.一种微藻养殖装置，其特征在于，包括：由透光材料制成的第一容器、第二容器和第三容器，第一容器的出水口与第二容器的进水口相连，所述第二容器套在第三容器中；
所述第一容器底部设置曝气装置；
所述第二容器底部设置二氧化碳喷射装置、微藻液喷射装置和氧气收集装置，第二容器底部与第三容器相通；
所述第三容器底部为锥形，设置排泥管，第三容器侧壁设置微藻收获管。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一容器套在第二容器中，第一容器为敞口，设置进水管与第一容器相通。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第三容器顶部封闭。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述透光材料为透明的玻璃钢、有机玻璃或透明性聚合物材料中的一种。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一容器外壁上悬挂LED灯。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第二容器外壁上悬挂LED灯。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述LED灯为浅红、浅黄和白色。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二容器底面为筛板。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括用于第二容器中污水的pH值调节仪与BOD调节仪。
10.一种微氧养殖方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)向污水中曝气，降解有机物；
b)使曝气后的污水进入厌氧环境，同时向污水中喷射二氧化碳气体和微藻液进行微藻养殖；
c)排水并收获污水中生成的微藻，排出污泥。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述a)中污水为经过超微过滤的污水。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述a)中当污水的BOD大于等于500mg/L时，向污水中投放水处理菌种。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述b)中在污水中放置LED灯。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述b)中污水的BOD为30mg/L～50mg/L。
15.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述b)中污水的pH为6～7.5。
16.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述b)中污水的温度为25℃～45℃。
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