CN102293183B

CN102293183B - 一种菌藻溞生态采收方法

Info

Publication number: CN102293183B
Application number: CN 201110241632
Authority: CN
Inventors: 王根轩; 仇云鹏
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: CN102293183A

Abstract

本发明提供一种菌藻溞生态采收方法，利用工业或生活污水为培养液，通过构建由培养池、培养液、CO₂气体、虾网构成构建菌藻溞生态系统，通过筛选和改良适合净化富营养水系统的菌类和高油高产微藻和溞品系，构建最适的菌藻溞群落，利用过滤网定时采收个体较大且富含油脂的溞类并从中提取生物能源，实现水体净化和生物能源的高产稳产。在净化富营养水的同时，以较高产量获得可提取生物柴油的溞生物质，降低生产能耗，具有良好的生态、社会和经济价值，拥有广阔的应用前景。本发明的方法是一种可再生生物能源领域的富营养水的菌藻溞生态生产能净化方法，解决了污水净化和微藻培养系统高耗能采收的难题。

Description

一种菌藻溞生态采收方法

技术领域

本发明属于环境技术和可再生能源领域。特别涉及一种在富营养水条件下，菌藻溞生态采收方法，同时达到水体净化的目的。

背景技术

传统生物柴油的生产原料由农田作物、非农陆地植物向水生藻类转变。第1代生物柴油主要以大豆、油菜等作物为原料。由于这种以传统农作物为原料来源的生物能源生产方式危及人类粮食安全。所以非农陆地植物原料如中国南方的麻风树，北方的黄连木等也逐渐受到重视。然而由于产量限制，陆生农林植物原料根本无法满足化石燃料替代品的需求。所以，纷纷开发以水生生物微藻为原料的第二代生物燃料。以微藻为原料生产生物能源，可以缓解全球粮食危机，节约全球水资源，缓解温室效应以及缓解全球淡水湖泊和近海的富营养化现象改善环境等一系列优点。科学家从上世纪50年代起就对从海藻生产燃料产生兴趣。研究表明，通过异养生长（即为其提供CO₂和有机物），可使海藻产油率提高40％。微藻经过催化热解，可以转化成高芳烃含量、高辛烷值的生物物质，这种生物物质燃油值高，平均高达33MJ/kg，是木材或农作物秸秆的1.6倍。这种生物柴油与传统石化柴油的性质和成分相似，某些指标如发动机低温启动性能甚至更好。

随着社会的发展，在人类活动（人为大量排放富含营养物质的工业废水和生活污水）的影响下，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶氧量下降，水体恶化，鱼类及其他生物大量死亡。我国几乎所有淡水水系和近海均存在严重的富营养化问题，而先前的各类物理、化学和生物（污泥）净化技术虽在一定程度上可以净化水体，但是次生污染严重且不能够有效地将污水中的物质资源化利用，因此，迫切需要开发新型的低成本高效率的水体净化方法。

自上世纪80年代第一次石油危机以来，各国研究机构相继加强了利用水生藻类生产生物燃料的研究，30年来，分别以大型海藻和微藻进行了大量研究。在微藻筛选、分子生物基础、基因改良、油质提取分溜等方面取得一系列重要进展。尤其使微藻的含油率有较大提高。开发了开放培养池和各类生物反应器培养方法。目前在技术上完全可以利用海水或淡水微藻生产出符合商用标准的生物柴油。然而远高于市场价格的高成本（10-20元人民币/升，是目前市场油价的2倍以上）限制了其产业化和商品化。

限制其产业化的高成本难题主要如下2个：

（1）单细胞微藻的采收过程的高耗能和高成本：开放池式养殖易于扩大规模和推广，但由于微藻密度低，导致采收过程成本居高不下，而集中式养殖的反应器成本高。由于单细胞藻类个体微小，因其快速阻塞微孔滤网而无法过滤采收，只能使用离心或加絮凝剂沉淀的方法采收。然而，离心方法耗能极高，仅此步骤就可消耗掉大部分藻类产能，使整个过程能效极低或“得不偿失”。而絮凝剂沉淀方法采收微藻需要添加特别的絮凝剂，不仅污染环境，而且也显著地提高了成本。

（2）提高含油率的贫营养条件使微藻生长慢，产量低。由于微藻在适生条件下会将绝大部分能量用于繁殖和形成细胞结构及其遗传和代谢组分，只有在氮、磷营养缺乏或生长受阻的不利环境中才将主要同化能量转化为脂类储存起来。虽然经过多年基因改良有所改进，但无法打破其基本自然规律。目前仍然是适宜生境下产量高生长快的藻体含油少，而适合提高脂肪含量的培养条件或高脂的藻类又无法提高产量。而且在纯系的单种群培养条件下，为防止其它生物的污染，不仅需要对培养水体消毒处理，而且存在环境中各类矿物质资源利用率低和种群稳定性差的问题。这严重限制了单位水体的产量并提高了生产成本。

发明内容

本发明的目的是针对上述水体净化和限制微藻生物柴油产业化的高成本难题，提供一种菌藻溞生态采收方法，通过以下步骤实现：

（1）构建菌藻溞生态系统，由培养池、培养液、CO₂气体、虾网构成，培养池内用隔墙分隔成2.0±0.1米左右的水道，水深1.5-2米，培养池和隔墙的材料选用透明玻璃或水泥，培养池内安装一叶轮，以推动培养池内的水体循环，培养液为富含原生菌类、藻类和溞类的生活污水或工业污水。

虾网设置在培养池的入水口前，设置1-3道，使得培养液在进入培养池前通过虾网，阻隔所有个体大于2-3毫米（水蚤成龄个体2毫米左右）的生物体进入池内。每天清除虾网上可能有的鱼虾。

（2）培养条件：全日照或100μmol.m^-2.s^-1以上的强光，温度20-40

，一般夏日自然温度即可,秋冬春水温低于20

时，要设法利用日光温室增温，在白天或光照条件下以每小时向培养池中通入100-300L生活或工业废水同时向池中通入工业排放CO₂气体（CO₂浓度0.9-3%)。pH值控制在6-9之间。

要在培养前（尤其是在补充水进池前）清除培养池内鱼虾等物种。

在补充CO₂气体的同时补充向培养池通入生活或工业污水（培养液），保持水体氮磷浓度在富营养的范围：无机氮500-1000μg/L, 有机氮700-1200μg/L,总磷30-100μg/L。

（3）采收与净化：当系统中溞的密度达到1000－2000个/升时，利用300目过滤网装置以40-50%/3天的速率循环过滤培养池中的水，通过过滤网采收相应比例的水溞（菌类，微藻和较小的溞个体可以自由通过）用于后续的加工利用，如加工生物柴油、蛋白饲料、色素医药等产品。同时，因为水溞通过捕食工业废水或生活污水中所含的藻类和菌类，从而降低水中藻类和菌类的密度，实现污水的净化，菌藻溞系统水体净化效率要比藻溞系统的净化率高出30%－50%。

本发明的有益之处是：提供了一种可再生生物能源领域的富营养水的菌藻溞生态生产能净化方法，解决了污水净化和微藻培养系统高耗能采收的难题。通过筛选和改良适合净化富营养水系统的菌类和高油高产微藻和溞品系，通过调控菌、藻和溞种群动态构建最适的菌藻溞群落。同时通过调控对溞的采收比例调控群落结构，通过对氮、磷矿质营养的丰贫二段培养技术提高溞的产量和含油率。本发明合理利用工业或生活污水，以富营养水为培养液，构建菌藻溞生态系统，利用过滤网定时采收个体较大且富含油脂的溞类并从中提取生物能源，实现水体净化和生物能源的高产稳产。在净化富营养水的同时，以较高产量获得可提取生物柴油的溞生物质，降低生产能耗。具有良好的生态、社会和经济价值，拥有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明菌藻溞生态系统的结构示意图。

图2是本发明菌藻溞生态系统生物转化利用示意图。

图3是藻蚤食物链及其物质能量流示意图。

具体实施方式

本发明结合附图和实施例作进一步的说明。

实施例1

本发明提供一种富营养水的菌藻溞生态节能采收高产清洁方法。它是在已有的以微藻为原料提取生物能源和构建藻溞系统，从溞中提取生物能源的研究成果和技术的基础上，通过以富营养水为培养液，构建菌藻溞高产稳定系统，以一定速率收获溞，并从溞中提取出生物能源。

1．富营养水的菌藻溞生态系统的构建:

参见图1、图2，菌藻溞生态系统由培养池、培养液、CO₂气体、虾网构成，培养池内用隔墙分隔成2.0±0.1米左右的水道，水深1.5-2米，培养池和隔墙的材料选用透明玻璃或水泥，培养池内安装一叶轮，以推动培养池内的水体循环，并设置过滤网，以采收高油溞，培养液为富含原生菌类、藻类和溞类生活污水或工业污水。

虾网设置在培养池的进水口前，设置1-3道，以阻隔所有个体大于2-3毫米（水蚤成龄个体2毫米左右）的生物体进入池内。每天清除虾网上可能有的鱼虾。

在培养池边上安装一通气管，在培养菌藻溞过程以一定的速率通入CO₂,保证其浓度为（0.9-3%）,同时安装一输液管道，输入培养液（生活或工业污水），以补充氮磷等矿物质元素。

2．培养条件控制：培养池以太阳光为能源，全日照或100μmol.m^-2.s^-1以上的光照强度，在阴雨天应注意利用人工光源，已达到理想培养环境要求的光源。培养池内温度应控制在20-40

,一般夏日自然温度即可,秋冬春水温低于20

时,要设法利用日光温室增温。以一定的速度（100-300L/h）由通气管向培养池中通入工业排放的CO₂气体，浓度控制在0.9-3%左右，阴天光照弱温度低时气流要小一些，避免不必要的气体浪费和pH过低；晴天光照强温度高时气流要大一些，以便满足高光合速率对CO₂气体的需求。水体pH控制在6.5

0.5左右为佳,过高时通过加大CO₂气体通入量调节,过低时减少CO₂气体通入量。在补充CO₂气体的同时补充向培养池通入生活或工业污水，保持水体氮磷浓度在富营养的范围：无机氮500-1000μg/L, 有机氮700-1200μg/L,总磷30-100μg/L。在培养过程中，叶轮搅动培养液，促进液体流动。

培养池以阳光为能源，以工业污水或生活污水为基本培养液，构建含有菌（降解）藻（自养和异样同化）溞（滤食消费者）三类功能群的生态系统；通过及时补充高氮磷污水和必需的矿质元素和CO₂气体，尽可能保持强光和较高温度，保持藻和蚤的快速生长速率，维持高产。

3．培养过程检测：在培养的过程中，应随时检测菌藻溞的密度变化，尤其是藻溞的密度。如果池内水蚤密度过高而光合藻类过少，应加大捕获量；如果水蚤密度过低而使藻类过多，应减少捕获量或暂停捕获直至水蚤密度上升。系统内种群的稳定性可通过水蚤捕获量调节控制。

4．采收与水净化：当溞的密度达到10－15个体/升（10－15ind/L）时，利用300目um的过滤网以40-50%/3天的速率循环过滤培养池中的水并采收相应比例的高油溞，从而保证菌藻溞系统溞密度稳定产出。同时，利用水溞通过捕食工业废水或生活污水中所含的藻类和菌类，从而降低水中藻类和菌类的密度，实现污水的净化，菌藻溞系统水体净化效率要比藻溞系统的净化率高出30%－50%。

5．转化：参见图2，培养采收获得的溞生物质，可利用相关提取、转化技术生产生物柴油、沼气等生物能源或蛋白饲料、色素医药等产品。

实施例2

为便于简化管理、降低成本和提高系统产量和生态稳定性，本发明采用工业污水和生活污水中的原生菌类、藻类和溞类，也可以使用脂肪含量高的藻类和溞。但要在培养前（尤其是在补充水进池前）清除培养池内鱼虾等物种，使系统内形成食物链（参见图3），该菌藻蚤食物链系统既适合海水又适合淡水水体，不同的是海水系统需使用适合当地环境的海生微藻和水蚤。

表1分析了菌藻溞采收系统与单微藻生物质培养系统各项指标的差异，证实本发明方法可以大幅度提高污水净化效率、增加能源产量，并降低采收耗能10倍以上，降低总成本70%，价格下降近2倍。在养殖废水等高浓度有机废水中，异养的菌－溞能流占2/3以上，同时相关文献均证实藻－溞间能量转化率达到40%以上，这样收获高营养及的滤食者反而提高了最终的生物质量，从而提炼出更多的油脂。

表1 菌藻溞生态采收系统与单微藻生物质培养系统的比较

。

Claims

1.一种菌藻溞生态采收方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

（1）构建菌藻溞生态系统，由培养池、叶轮、培养液，CO₂气体、虾网构成，培养池内用隔墙分隔成2.0±0.1米左右的水道，叶轮安装在培养池内，以富含原生菌类、藻类和溞类的生活污水或工业污水为培养液，虾网设置在培养池入口处；

（2）培养条件：全日照或100μmol.m^-2.s^-1以上的强光，温度20-40°C，在白天或光照条件下以每小时向培养池中通入100-300L生活污水或工业污水，同时向池中通入工业排放CO₂气体，CO₂浓度0.9-3%，pH值控制在6-9；要保持水体氮磷浓度在富营养的范围：无机氮500-1000μg/L，有机氮700-1200μg/L，总磷30-100μg/L；

（3）采收与净化：当系统中溞的密度达到1000－2000个/升时，利用300目过滤网，以40-50%/3天的速率循环过滤培养池中的水，采收水溞，并同时实现水净化。

2.根据权利要求1所述的一种菌藻溞生态采收方法，其特征在于，设置1-3道虾网，阻隔个体大于2-3毫米的生物体进入池内，每天清除网上可能有的鱼虾。

3.根据权利要求1所述的一种菌藻溞生态采收方法，其特征在于，步骤（1）所述的培养池和隔墙的制作材料选用水泥或玻璃。