CN102392052A - 一种利用沼液培养自养型淡水微藻提纯沼气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于清能源技术领域，具体为一种利用沼液培养自养型淡水微藻提纯沼气的方法。本发明方法包括沼气发酵、沼液的处理、自养型淡水微藻的接种和沼气的引入、微藻固定二氧化碳、自养型淡水微藻收获作为沼气发酵的原料等。本发明以沼液作为自养型淡水微藻的培养基，以沼气中的二氧化碳作为自养型淡水微藻培养所需的碳源，大量生长的微藻还可作为发酵所用原料，大大降低了培养藻类的成本，并解决了沼气的净化、沼液和大量繁殖的藻类的后续处理问题，构成一个无污染的能量循环。

Description

一种利用沼液培养自养型淡水微藻提纯沼气的方法
技术领域
本发明属于清洁能源技术领域，具体涉及一种提纯沼气的方法。
背景技术
沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合气体（沼气）的过程。
但从沼气池中直接产出的沼气属于粗品沼气，甲烷含量仅为60%，二氧化碳含量则占30%-40%，还有少量硫化物杂质。是一种低热值气体，使用范围极其有限，且效率低。优质成品沼气需去除这部分CO2，提高其成分中甲烷的相对含量，增加其热值。目前，国内外沼气纯化的技术主要是脱硫工艺，对于占较大比例的二氧化碳的去除还多停留在理论研究阶段。同时，发酵产生的沼液有机污染物比较多，BOD、COD等含量非常高，要做到达标排放，难度相当大。通常用沼液处理工艺有SBR（进水立即曝气反应、静置厌氧、然后再曝气、沉淀、出水、闲置）-接触生物氧化-沉淀池-MBR-消毒，才能达标排放。
工艺复杂，成本较高。
自养型微藻可在光合作用下固定CO2，并利用无机氮、磷等无机盐为营养源，具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短、生物产量高的特点，它固定CO2和储存太阳能的效率是陆生植物的10-50倍，是理想的生物质能源材料。
沼液中有较高含量的氮磷无机盐，本发明利用发酵的沼液作为自养型淡水微藻的培养基，同时把沼气中的CO2作为自养型淡水微藻培养的CO2来源，既解决了自养型淡水微藻培养的培养基成本问题，又提高了沼气的纯度和质量，还减少了沼液的环境污染，达到改善环境，增加经济、社会和生态效益的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种环保、清洁、成本低的沼气提纯方法。
本发明针对导致富营养化的蓝藻的利用以及自养型淡水微藻培养基的高成本问题及沼气发酵的废液问题和沼气中甲烷含量低的问题而提出的一种构建清洁无污染的能源循环的方法。
本发明提供的沼气提纯方法，是将沼气发酵和自养型淡水微藻光合培养结合，利用微藻的光合作用消耗沼气发酵产生二氧化碳，对发酵产生的沼气进行提纯；同时自养型淡水微藻收获作为沼气发酵的原料，是一种能源循环利用的方法。其步骤包括：沼气发酵、沼液的处理、自养型淡水微藻的接种和沼气的引入、微藻固定二氧化碳、自养型淡水微藻收获作为沼气发酵的原料；
1）沼气发酵：按现有常规方法将有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等，在一定的水分、温度和厌氧条件下）发酵获得沼气和沼液；
2）沼液的处理：对得到的沼液过滤，去除残余的固体颗粒，以水稀释沼液，至原沼液浓度的10%—100%，作为自养型淡水微藻的全营养培养基；
3）自养型淡水微藻的接种和沼气的引入：将处理后的沼液装入自养型淡水微藻培养用的光生物反应器，接入新鲜扩配的自养型淡水微藻藻种，将沼气从反应器底部引入光生物反应器； 
4）微藻固定二氧化碳：利用沼气中的CO2作为碳源，进行光合自养生长固定CO2方式的微藻培养，控制微藻培养的温度和光照强度，培养温度为20-30℃，自养型淡水微藻的一个生长周期在十二天左右，在培养早期（第1-3天）光照强度为1000Lx-2000Lx，到培养中后期（第4-12天）增大光强到4000Lx-8000Lx，12h/d连续光照；
5）自养型淡水微藻收获作为沼气发酵的原料：经过2-4周的培养，微藻生长停滞后，停止光照和引入沼气，对藻液进行气浮处理，上层较浓稠的微藻浆作为沼气发酵的原料；下层的稀藻液还可作为接种藻液。
本发明使用的自养型淡水微藻既可以来自于淡水域等野生环境，也可从各大藻种保藏中心或市售获得。具体藻种可以是耐二氧化碳浓度高的小球藻（Chlorella）以及给太湖流域造成重大困扰的蓝藻等。
本发明中，可通过沼气引入自养型淡水微藻培养的光生反应器的气体流速（100-500mL/min）及停留时间（30min-1h）来控制沼气的提纯度。其中气体流速越慢，停留时间越长，处理效果越好。
上述利用循环体系可按以下步骤进行：
本发明中，步骤1的沼气发酵：按常规方法获得沼气和沼液，如：将人畜粪、秸秆、生活垃圾等废弃生物质和水混合，接入厌氧活性污泥，35℃厌氧发酵10-20天，获取沼气和沼液。也可用实验室小规模快速产气方法获取沼气和沼液，如：在驯化后的厌氧活性污泥中按1：1的比例接入10%葡萄糖，35℃厌氧发酵，pH为6.5-7.8.停留时间1天，即可产生沼气。沼气的主要成分为CH4和CO2，含量分别在60%和30%左右。
本发明中，步骤3的自养型淡水微藻的接种和沼气的引入：可将处理后的沼液装入自养型淡水微藻培养用的光生物反应器，接入新鲜扩配的自养型淡水微藻藻种，将沼气从光生物反应器底部引入反应器，经藻细胞吸收后的沼气再通过下一级光生物反应器。经自养型淡水微藻3-5次吸收后的沼气可作为清洁能源使用，除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。
本发明的有益效果：利用自养型微藻的光合作用对厌氧发酵产生的沼气进行提纯，把沼气发酵的副产品CO2和沼液合理利用，大大降低了自养型淡水微藻的生产成本，使沼气得到提纯净化（CH4的含量从60%提高到80%以上），并解决了沼液的后处理问题；高浓度的微藻浆还可以作为沼气发酵的原料。整个过程中，沼气发酵的产物沼气及藻细胞里的生物质能量皆为废物再生的清洁型能源。本发明可改善环境，增加经济、社会和生态效益。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1  本案例的微藻Chlorella为自养型淡水藻。采用沼气和沼液作为Chlorella的全部营养源，在光照培养箱内小型圆柱式光生物反应器中培养藻细胞。该藻已经实验证实可在此条件下生存。其步骤如下：
1、沼气发酵。将猪粪，生活垃圾等废弃生物质和水以1：15混合，接入50%的厌氧活性污泥，35℃厌氧发酵20天，获得沼气和沼液，沼气经管道引入光生物反应器，沼液经处理后作为培养基。
2、沼液的处理。取沼气发酵后的沼液，以过滤法去除残余的固体颗粒，以自来水稀释至原浓度的25%作为该微藻的培养基，经过高温高压消毒处理，以BG11培养基作为对照培养基，比较上述稀释度下的沼液培养基和对照培养基在生物量OD680的差别，并确定最适沼液稀释比例。
3、微藻的接种和沼气的分级引入。将处理后的沼液装入微藻培养用的光生物反应器，接入新鲜扩配的Chlorella（小球藻）至OD680为0.3-0.5，将沼气从反应器底部引入反应器，以气泡方式缓释放气，经藻细胞吸收后的沼气再通过下一级反应器。经藻细胞3次吸收后的沼气作为能源使用。
4、微藻固定二氧化碳过程控制。控制微藻培养的温度为25℃，光照强度：自养型淡水微藻的一个生长周期在十二天左右，在培养早期（1-3天）光照强度为1000Lx-2000Lx，到培养中后期（4-12天）增大光强到4000Lx-8000Lx，12h/d连续光照；。
5、微藻收获作为沼气发酵的原料。经过2-4周的培养，微藻生长停滞后，停止光照通气，对藻液进行气浮处理，浓度较高的微藻浆作为沼气发酵的原料；浓度较低的稀藻液作为接种藻液。 
经过以上步骤后，沼气中的甲烷含量从60%增加至80%-85%，二氧化碳含量从35%下降到15%以下；沼液中氮和磷的利用率均达到90%以上。
实施例2 本案例的微藻蓝藻为自养型淡水藻。采用沼气和沼液作为蓝藻的全部营养源，在室内小型圆柱式光生物反应器中培养藻细胞。该藻已经实验证实可在此条件下生存。其步骤如下：
1、沼气发酵。将1：1比例接入厌氧活性污泥和10%的葡萄糖，35℃厌氧发酵1天，获得沼气和沼液，沼气经管道引入光生物反应器，沼液经处理后作为培养基。
2、沼液的处理。取沼气发酵后的沼液，以过滤法去除残余的固体颗粒，以自来水稀释至原浓度的25%作为该微藻的培养基，经过高温高压消毒处理，以BG11培养基作为对照培养基，比较上述稀释度下的沼液培养基和对照培养基在生物量OD680的差别，并确定最适沼液稀释比例。
3、微藻的接种和沼气的分级引入。将处理后的沼液装入微藻培养用的光生物反应器，接入新鲜扩配的蓝藻至OD680为0.3-0.5，将沼气从反应器底部引入反应器，以气泡方式缓释放气，经藻细胞吸收后的沼气再通过下一级反应器。共经藻细胞5次吸收后的沼气作为能源使用。
4、微藻固定二氧化碳过程控制。控制微藻培养的温度为25℃，光照强度：自养型淡水微藻的一个生长周期在十二天左右，在培养早期（1-3天）光照强度为1000Lx-2000Lx，到培养中后期（4-12天）增大光强到4000Lx-8000Lx，12h/d连续光照。
5、微藻收获作为沼气发酵的原料。经过2-4周的培养，微藻生长停滞后，停止光照通气，对藻液进行气浮处理，浓度高的微藻浆作为沼气发酵的原料；浓度较低的稀藻液作为接种藻液。
经过以上步骤后，沼气中的甲烷含量从60%增加至80%以上，二氧化碳含量从35%下降到15%以下；25%的沼液废水为最优培养条件，此时OD680为对照培养基的80%左右。

Claims (3)

1.一种利用沼液培养自养型淡水微藻提纯沼气的方法，其特征在于具体步骤如下：
1）沼气发酵：按现有方法将有机物质发酵，获得沼气和沼液；
2）沼液的处理：对得到的沼液过滤，去除残余的固体颗粒，以水稀释沼液，至原沼液浓度的10%—100%，作为自养型淡水微藻的全营养培养基；
3）自养型淡水微藻的接种和沼气的引入：将处理后的沼液装入自养型淡水微藻培养用的光生物反应器，接入新鲜扩配的自养型淡水微藻藻种，将沼气从反应器底部引入光生物反应器； 
4）微藻固定二氧化碳：利用沼气中的CO2作为碳源，进行光合自养生长固定CO2方式的微藻培养，控制微藻培养温度为20-30℃，光照强度为：在培养早期第1-3天光照强度为1000Lx-2000Lx，到培养中后期第4-12天增大光强到4000Lx-8000Lx，12h/d连续光照； 
5）自养型淡水微藻收获作为沼气发酵的原料：经过2-4周的培养，微藻生长停滞后，停止光照和引入沼气，对藻液进行气浮处理，上层较浓稠的微藻浆作为沼气发酵的原料；下层的稀藻液作为接种藻液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的自养型微藻为耐二氧化碳浓度高的小球藻或蓝藻。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于控制沼气引入自养型淡水微藻培养的光生反应器的气体流速为100-500mL/min，停留时间为30min-1h。
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