CN103007738A - 一种利用微藻优化混合厌氧发酵的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环境工程技术领域，具体为一种利用微藻优化混合厌氧发酵的方法。本发明包括：在厌氧发酵罐中安装人工光源或使用自然光源，并且接种适量的微藻，使其在生长过程中通过光合作用吸收沼气中的CO2，从而提高沼气出气中CH4的相对比例，提升沼气品位；微藻在生长过程中，不仅利用沼气中的CO2作为碳源，还将发酵混合液作为培养基质，吸收其中的碳氮磷等营养物质，从而降低发酵排出沼液的污染负荷；同时向发酵罐子中加入固体氧气吸附剂，吸收微藻光合作用时产生的O2和呼吸作用后剩余的O2，从而保证发酵罐的厌氧环境。本发明方法可以显著提高发酵装置所产沼气的品位，降低发酵后所产沼液的污染物负荷，且具有简单易行、操作方便和经济效益好的优点。

Description

一种利用微藻优化混合厌氧发酵的方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，具体涉及一种利用微藻优化混合厌氧发酵的方法。
背景技术
困扰厌氧发酵工艺发展的两大难题就是沼气品位提升和沼液净化。各地厌氧发酵装置因进料品质、工艺方法和操作技术条件等因素的限制，所产沼气品位低下，CH4含量仅在40%-75%，而CO2含量达到了15%-60%，其它微量气体的组成为：H2O 5%-10%、H2S 0.005%-2%、硅氧烷0-0.02%、卤代烃VOC<0.6%、NH3 <1%、O2 0-1%、CO<0.6%和N2 0-2%。沼气技术发展的一个最新方向是利用沼气制取生物甲烷气(Biomethane)，即通过一定的技术手段将沼气提纯和净化。其过程主要是将沼气中的CO2分离去除，从而得到高纯度的CH4气体——生物甲烷气。生物甲烷气可以直接替代传统的化石燃料来源天然气，用作发动机燃料、发电或居民生活燃料。而生物甲烷气则要求达到高于95%-97%的CH4含量和低于1%-3%的CO2含量，才可用于代替天然气。同时，输气管线技术规程也要求生物甲烷气的CO2含量必须低于3%；车用燃料生物甲烷气则要求结合的CO2N2含量小于1.5%-4.5%。已有的针对发酵工艺或者装置的改进和改良方法，因难以适应现有发酵设备的需求而难以推广。研究较多的针对沼气本身的品位提升方法主要包括：物理化学吸附；变压吸附(PSA, Pressure Swing Adsorption)和真空旋转吸附(VSA, Vacuum Swing Adsorption)；膜分离；深冷分离；生物甲烷浓缩。它们的显著缺点就是吸附剂使用费用较高，工艺复杂和效果不稳定。同时，厌氧发酵装置会产生大量的高负荷污染物沼液，其富含了发酵原料中的绝大部分营养物，化学需氧量COD、总磷TP和总氮TN分别达到了5749.06±106.21 mg L-1、50.8±10.19 mg L-1和1206.25±74.95 mg L-1。如何资源化利用这些沼液避免对环境造成不利影响，特别是在处理沼液污染物时不产生新的污染物，是破解厌氧发酵工艺的关键。利用微藻超高的光合作用能力和对环境的广泛适应性，则可以同时解决困扰厌氧发酵工艺发展的沼气品位提升和沼液净化这两个难题。微藻对于光的利用能力非常强，一般高等植物的光能利用率通常是5%~6%，而藻的光能利用率高达18%，光合效率达43%，是一般农作物的3倍和1.4倍以上。超高的光能利用率和光合效率决定了其对CO2的超强吸收能力和对培养液中营养物质的高效摄取能力。利用微藻的光合作用吸收沼气中的CO2和发酵混合液中的碳氮磷等营养物质，从而使其在提升沼气品位的同时也降低了排出沼液的污染物负荷，可以实现优化混合厌氧发酵工艺的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便易行、经济效益好的利用微藻优化混合厌氧发酵的方法。
本发明提供的利用微藻优化混合厌氧发酵的方法，其具体为：
向厌氧发酵罐中接种微藻；
在厌氧发酵罐中安装人工光源，或者采用顶部为透明的厌氧发酵罐，利用自然光源；
向厌氧发酵罐中加入固体氧气吸附剂，进行厌氧发酵。
其中，
所述的接种微藻采用的是小球藻Chlorella sp.，其在接种前已经经过多次驯化，具有极好的耐受高浓度CO2和CH4的能力。其通过光合作用吸收沼气中的CO2和厌氧发酵罐中的发酵混合液中的碳氮磷等营养物质，从而使其在提升沼气品位的同时也降低了排出沼液的污染物负荷，最终达到优化混合厌氧发酵工艺的目的。
所述厌氧发酵罐中的厌氧发酵为湿式混合厌氧发酵反应，采用的原料包括秸秆、畜禽粪便和厨余垃圾。
所述的人工光源为LED灯，作为接种微藻的光能来源；或者将发酵罐顶部采用透光的聚酯玻璃，从而利用自然光源。
所述的固体氧气吸附剂，吸收微藻光合作用时产生的O2和呼吸作用后剩余的O2，从而保证发酵罐的厌氧环境。
本发明中向发酵罐子中加入的固体氧气吸附剂并不和发酵液相接触，而是置于发酵罐顶部出气口处，使得吸附剂可以远离发酵混合液和微藻，避免了吸附剂过多吸收微藻周围的O2，影响微藻的呼吸作用，也减少了吸附剂失效的可能。
本发明在发酵产气期间每天取样检查发酵罐中微藻的生长情况，当微藻生长进入衰亡期时要尽快接种新的微藻到发酵液中。
本发明并不收获在发酵罐中死亡的微藻，而是任其和其它发酵原料一起混合厌氧发酵，这样就大大节省了收获微藻的费用。
本发明方法可以显著提高发酵装置所产沼气的品位，降低发酵后所产沼液的污染物负荷，且具有简单易行、操作方便和经济效益好的优点。
附图说明
图1 厌氧发酵罐装置示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细的说明：
实施例1
一种利用微藻优化混合厌氧发酵的方法。拟建立一个秸秆和猪粪混合厌氧发酵装置，其中安装了LED植物灯作为人工光源，光照强度为500 Lux，光暗比为12h/12h，温度控制在30℃；并且在发酵罐的出气口处装设了氧气吸附剂（图1）。氧气吸附剂采用厌氧发酵常用的产品。向发酵罐中接种经过驯化的小球藻Chlorella sp.，使得初始接种密度达到400±21.35 mg L-1。经过5天时间，可以看到沼气品位不断提升，在第三天基本达到生物甲烷气的要求，沼气中CH4含量稳定在89.52±5.50%；发酵所产沼液污染物负荷去除率也保持稳定，最终沼液COD、TN和TP污染物去除率分别达到了84.36±9.12%、87.15±11.60%和78.59±9.36%。
实施例2
一种利用微藻优化混合厌氧发酵的方法。拟建立一个畜禽粪便混合厌氧发酵装置，其中发酵罐采用聚酯玻璃设计，使得阳光可以投进发酵罐内，反应器温度控制在30℃；并且在发酵罐的出气口处装设了氧气吸附剂（图1）。氧气吸附剂采用厌氧发酵常用的产品。向发酵罐中接种经过驯化的小球藻Chlorella sp.，使得初始接种密度达到350±13.28 mg L-1。经过5天时间，可以看到沼气品位不断提升，在第三天基本达到生物甲烷气的要求，沼气中CH4含量稳定在86.19±7.82%；发酵所产沼液污染物负荷去除率也保持稳定，最终沼液COD、TN和TP污染物去除率分别达到了81.02±13.75%、84.38±10.62%和75.91±8.07%。

Claims (5)

1.一种利用微藻优化混合厌氧发酵的方法，其特征在于具体步骤为：
向厌氧发酵罐中接种微藻；
在厌氧发酵罐中安装人工光源，或者采用顶部为透明的厌氧发酵罐，利用自然光源；
向厌氧发酵罐中加入固体氧气吸附剂，进行厌氧发酵。
2.根据权利要求1所述的利用微藻优化混合厌氧发酵的方法，其特征在于所述的微藻采用的是小球藻Chlorella sp.，其在接种前已经经过多次驯化，具有极好的耐受高浓度CO2和CH4的能力。
3.根据权利要求1所述的利用微藻优化混合厌氧发酵的方法，其特征在于所述的厌氧发酵为湿式混合厌氧发酵反应，采用原料包括秸秆、畜禽粪便和厨余垃圾。
4.根据权利要求1所述的利用微藻优化混合厌氧发酵的方法，其特征在于所述的人工光源为LED灯。
5.根据权利要求1所述的利用微藻优化混合厌氧发酵的方法，其特征在于所述的固体氧气吸附剂并不和厌氧发酵罐中的发酵液相接触，而是置于厌氧发酵罐顶部出气口处，使得该吸附剂远离发酵液和微藻。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105400697A (zh) * 2014-12-30 2016-03-16 浙江大学 微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法
CN113522007A (zh) * 2021-07-30 2021-10-22 哈尔滨工业大学 沼气提纯双膜曝气膜生物膜反应器及其使用方法

Non-Patent Citations (1)

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Title
王钦琪等: "沼液培养的普通小球藻对CO2的去除", 《应用于环境生物学报》 *

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