CN104004645A - 一种有机废水水解酸化耦合微藻培养的两相系统与方法 - Google Patents

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Abstract

一种有机废水水解酸化耦合微藻培养的两相系统与方法，属于生物工程领域。本发明涉及一种“有机废水水解酸化耦合能源微藻培养两相系统”的低成本微藻培养新模式。有机废水经适度水解酸化生物预处理，可以有效去除悬浮物并增加微藻利用性。即利用水解酸化相中非严格厌氧兼氧微生物分解悬浮物及降低部分COD、氮磷增加生物降解性基础上，保留大部分碳源等营养物质满足微藻培养相中能源微藻混养营养生长。实现有效降低废水COD、氮磷洁净排放，并获得高生物量低成本的能源微藻生物质。

Description

一种有机废水水解酸化耦合微藻培养的两相系统与方法
技术领域
本发明属于生物工程领域，具体地涉及一种能源微藻低成本废水培养系统与方法。
背景技术
能源微藻以其高效的光合固碳效率，广泛的生长适应性与较快的生长速度，高油脂含量及生物质产率，以及“不与人争粮，不与粮争地”等优势，已成为生物质能源领域各国学者竞相研究的前沿和热点。目前能源微藻的研究仍处于初级阶段，规模化、可持续且经济可行的培养系统还没有建立起来。详细的技术经济评估表明，藻类培养成本（碳源、肥料、淡水投入）可占到藻类生物质能源生产总成本的70%以上，降低微藻的培养成本是保证藻类生物能源生产经济、规模化和可持续的关键。Pittman等指出在目前的技术水平下，能源微藻生物质如果不采用废水培养，很难体现其作为能源载体的经济性与竞争力。
有机废水主要是指由造纸厂、皮革制造、畜禽养殖及食品加工等行业排出的富含大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等碳素营养。这类废水如果不经处理直接排放，会造成严重的环境污染。常见有机废水的厌氧处理工艺可以有效降低该类废水COD、获得沼气，但问题是仍不能有效去除氮磷；好氧工艺虽然也可以实现COD、氮磷达标排放，但会产生大量污泥需要进一步处理并且增加能耗。水解酸化法基于两相厌氧理论，利用兼氧微生物的代谢分解，广泛用于处理成分复杂、难生物降解或含较高悬浮固体的废水中。同时由于没有产甲烷阶段的限速影响，废水水解酸化过程短，一般仅需4~18 h。酿醋废水若采用水解酸化预处理后，废水生物降解性能可以得到改善，悬浮物得到有效去除，同时可以降低部分氮磷及COD浓度。但该废水经水解酸化处理后仍不能达标排放，因大部分碳源、氮磷等富营养物质保留，需要组合其他工艺进一步处理。常见水解酸化-厌氧产甲烷（即两相厌氧消化）工艺适合处理，可以有效降低COD、获得沼气但仍遇到不能有效去除氮磷情形；水解酸化-好氧组合工艺虽然可以实现COD、氮磷达标排放，但还会产生大量污泥并且能耗高，需要较多的资金投入。
目前能源微藻的研究仍处于初级阶段，规模化、可持续且经济可行的培养系统并没有建立起来。本发明针对现有能源微藻培养技术中的不足，提供一种低成本微藻培养新模式。
发明内容
本发明提出一种有机废水水解酸化耦合能源微藻混养生长培养两相系统。在水解酸化相中除去悬浮物及降低部分COD、氮磷增加生物降解性能基础上，保留大部分碳源等营养物质满足能源微藻生长。即拟实现有效降低废水COD、实现氮磷洁净排放，并获得高生物量的能源微藻。本发明涉及的能源微藻可以进行混养生长培养，即兼具微藻混养与异养能力。有机废水经适度水解酸化处理得到藻类可以进行混养生长利用的葡萄糖、氨基酸、氮磷，甚至是乙酸、丁酸等挥发性有机酸（Volatile Fatty Acid, VFA）等物质。
一种有机废水水解酸化耦合能源微藻培养的两相系统，该系统包括：废水配水箱、有机废水水解酸化生物预处理反应相、微藻混养生长光生物培养反应相和中间联通装置，四部分通过管路联接。
其中废水配水箱用于贮藏有机废水，废水从废水配水箱中通过管路依次经与管路接口连接的恒流泵、单向阀、液体流量计定量泵入有机废水水解酸化生物预处理反应相内，接活性污泥，发生水解酸化反应。有机废水水解酸化反应相产生的少量发酵气依次经水封瓶、温式气体流量计排出罐体可后续收集；水解酸化生物预处理反应相通过管路与中间联通装置连通；水解酸化生物预处理反应相罐体参数由水解酸化控制仪控制罐体环境条件并插配温度探头、pH探头、氧化还原电极探头；采用温控由夹套外加循环水调控水解酸化生物预处理反应相温度。
其中所述的有机废水水解酸化反应相为连续搅拌反应器（CSTR），固定床生物膜器（FBBR），或上流式厌氧污泥床反应器（UASB）；水解酸化生物预处理反应相罐体为耐酸金属材料如316L不锈钢或有机材料如聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBR）；固定床生物膜器中固相载体为天然或合成材料。
其中所述的微藻混养生长光生物培养反应相是密闭管状反应器组，平板式反应器甚至是开放式跑道池；管状反应器组、平板式反应器罐体为透明有机玻璃、普通或钢化玻璃材料制造而成。
其中所述的光生物培养反应相罐体上连接有进液孔与中间联通装置对接；光生物培养反应相中采用潜水泵或空气泵曝气头实现光生物培养微藻细胞循环流动；反应器参数如pH、氧化还原电位、温度、光强等由微藻培养控制仪调控，反应器内插配pH探头、氧化还原电极探头、温度探头；光生物培养反应相光源为外置荧光灯、白炽灯、LED或卤素灯，光强度调节通过调节外加光源电压进行控制，温度采用加热棒升温或微喷/防晒网降温调控。
其中所述的中间联通装置与有机废水水解酸化生物预处理反应相出口联通，中间联通装置由滤筒、单向阀、灭菌单元、恒流泵及液体流量计组成，各部件通过接口与管路依次连接；水解酸化生物预处理反应相与中间联通装置之间设有便于拆卸的液体过滤滤筒装置，以防止管路堵塞。
灭菌单元为非必要可拆卸结构，可采用传统热灭菌、紫外灭菌或者NaClO溶液灭菌方式，具体根据有机废水水解酸化液菌群结构性质及能源藻类生长情况取舍，有些藻生长不需要灭菌。
灭菌装置若采用传统热处理灭菌方式，在恒流泵抽吸作用下，水解酸化液可以通过以耐热螺旋管缠绕加热棒方式杀菌，停留时间为15-30 min实现杀菌，之后以耐冷螺旋管缠绕冷却棒方式实现降温。耐冷耐热材料可选择低膨胀陶瓷、低膨胀微晶玻璃。
灭菌装置或者通过紫外辐照灭菌方式，在恒流泵抽吸作用下，有机废水水解酸化液采用以透明螺旋管缠绕紫外灯（波长220-230 nm）方式控制停留时间20-30 min实现紫外照射方式杀菌。
灭菌装置也可以通过NaClO溶液灭菌方式，在恒流泵抽吸作用下，向有机废水水解酸化液添加NaClO溶液使其浓度控制在50-100 ppm进行杀菌，即水解酸化液先进入具备搅拌桨的（转速50-200 rpm）NaClO灭菌相停留30-60 min灭菌，后续水解酸化液缓慢通过连接管路流入透明螺旋管缠绕日光灯辐照方式强化灭菌并使次氯酸分解。
所述构建系统中有机废水水解酸化生物预处理反应相罐体为耐酸金属材料如316L不锈钢或有机材料如PVC或PBR管材。有机废水水解酸化反应相罐体通过管路与中间联通装置联通。采用具搅拌装置的UASB、CSTR反应器或固定床生物膜器作为废水水解酸化反应器。采用夹套外加循环水调控反应相系统内温度。
所述有机废水可以是城市生活综合污水、养殖废水、食品加工、皮革制造及造纸厂甚至制药等行业排出的高化学需氧量、高悬浮固体废水。能源微藻种类为可以耐受水解酸化液并利用其营养成分进行混养生长并富集油脂或富糖藻类或一些具有生物量累积快，但油脂、糖类含量不一定高的微藻品种，这些高效生物量累积的微藻，也能为微藻转化为其他能源形态（合成气或者生物原油）提供原料。
与现有技术相比，本发明的积极效果如下 ：
所述一种有机废水水解酸化耦合能源微藻培养的两相系统可在水解酸化相中经适度微生物酸化处理，出去悬浮物及降低部分COD、氮磷增加生物降解性能基础上，减少对有机废渣水生产各排污阶段的废水清浊分流，减省离心固液分离，降低能耗。即拟实现有效降低废水 COD、实现氮磷洁净排放，并获得高生物量的富油微藻。有效对系统调控实现微藻混养生长提高生物量、过量累积油脂，同时降低废水COD以及氮磷污染物，实现有机废水的清洁处置。
附图说明
图1是本发明有机废水水解酸化耦合微藻培养的两相系统示意图（以CSTR反应器作为水解酸化相为例）；其中1-废水配水箱；2-水解酸化反应相；3-微藻光生物培养反应相；（4）中间联通装置；5-恒流泵；6-单向阀；7-液体流量计；8-电动机；9-夹套；10-水解酸化控制仪；11-水封瓶；12-温室气体流量计；13-微藻培养控制仪；14-滤筒；15-灭菌单元；A—污水管；B—发酵气管。
图2 是本发明传统热处理方式的灭菌单元示意图：其中16-耐热螺旋管；17-加热棒；18-耐冷螺旋管；19-制冷棒。
图3 是本发明紫外辐照处理方式的灭菌单元示意图：20-透明螺旋管管；21-紫外灯。
图4 是本发明NaClO溶液处理方式的灭菌单元示意图：20-透明螺旋管；22-NaClO灭菌相；23-搅拌桨；24-投药口；25-日光灯。
具体实施方式
本发明一种有机废水水解酸化耦合能源微藻培养的两相系统，该系统主要由：废水配水箱 1 、有机废水水解酸化生物预处理反应相 2 、微藻混养生长光生物培养反应相 3 及中间联通装置 4 组成。四部分通过管路及相关部件联通，具体描述如下：
废水配水箱 1用于贮藏有机废水，废水从废水配水箱中通过管路依次经与管路接口连接的恒流泵 5 、单向阀 6 、液体流量计 7 定量泵入有机废水水解酸化生物预处理反应相 2 内，接活性污泥，发生水解酸化反应。有机废水水解酸化反应相 2 产生的发酵气依次经水封瓶 11 、温式气体流量计 12 排出罐体可后续收集；水解酸化生物预处理反应相 2 通过管路与中间联通装置 4 连通；水解酸化生物预处理反应相 2 罐体参数由水解酸化控制仪 10 控制罐体环境条件并插配温度探头、pH探头、氧化还原电极探头；采用温控由夹套 9 外加循环水调控水解酸化生物预处理反应相 2 温度。
其中所述的有机废水水解酸化反应相 2 为连续搅拌反应器 CSTR ，固定床生物膜器 FBBR ，或上流式厌氧污泥床反应器 UASB ；水解酸化生物预处理反应相 2 罐体为耐酸金属材料如316L不锈钢或有机材料如聚氯乙烯 PVC 、聚对苯二甲酸丁二醇酯 PBR ；固定床生物膜器中固相载体为天然或合成材料。
其中所述的微藻混养生长光生物培养反应相 3 是密闭管状反应器组，平板式反应器甚至是开放式跑道池；管状反应器组、平板式反应器罐体为透明有机玻璃、普通或钢化玻璃材料制造而成。
其中所述的光生物培养反应相 3 罐体上连接有进液孔与中间联通装置 4 对接；光生物培养反应相 3 中采用潜水泵或空气泵曝气头实现光生物培养微藻细胞循环流动；反应器参数如pH、氧化还原电位、温度、光强等由微藻培养控制仪 13 调控，反应器内插配pH探头、氧化还原电极探头、温度探头；光生物培养反应相 3 光源为外置荧光灯、白炽灯、LED或卤素灯，光强度调节通过调节外加光源电压进行控制，温度采用加热棒升温或微喷/防晒网降温调控。
其中所述的中间联通装置 4 与有机废水水解酸化生物预处理反应相 2 出口联通，中间联通装置 4 由滤筒 14 、单向阀 6 、灭菌单元 15 、恒流泵 5 及液体流量计 7 组成，各部件通过接口与管路依次连接；水解酸化生物预处理反应相 2 与中间联通装置 4 之间设有便于拆卸的液体过滤滤筒 14 装置，以防止管路堵塞。
灭菌单元 15 为非必要可拆卸结构，可采用传统热灭菌、紫外灭菌或者NaClO溶液灭菌方式，具体根据有机废水水解酸化液菌群结构性质及能源藻类生长情况取舍，有些藻生长不需要灭菌。
灭菌装置 15 若采用传统热处理灭菌方式，在恒流泵 5 抽吸作用下，水解酸化液缓慢流动并可以通过以耐热螺旋管 16 缠绕加热棒 17 方式杀菌，停留时间为15-30 min实现杀菌，之后以耐冷螺旋管 18 缠绕冷却棒 19 方式实现降温。耐冷耐热材料可选择低膨胀陶瓷、低膨胀微晶玻璃。
灭菌装置 15 或者通过紫外辐照灭菌方式，在恒流泵 5 抽吸作用下，有机废水水解酸化液缓慢流动并采用以透明螺旋管 20 缠绕紫外灯 波长220-230 nm 21 方式控制停留时间20-30 min实现紫外照射方式杀菌。
灭菌装置 15 也可以通过NaClO溶液灭菌方式，在恒流泵 5 抽吸作用下，从投药口24向有机废水水解酸化液添加NaClO溶液使其浓度控制在50-100 ppm进行杀菌，即水解酸化液先进入具备搅拌桨 23的 转速50-200 rpm NaClO灭菌相 22 停留30-60 min灭菌，在恒流泵 5 抽吸作用下，后续水解酸化液缓慢通过连接管路流入透明螺旋管 20 缠绕日光灯 25 辐照方式强化灭菌并使次氯酸分解。
实施例1:
啤酒废水进水COD 3280 mg/L水解酸化相采用UASB反应器（升流式厌氧污泥床反应器），水力停留时间为30 min，出水约pH 6.5，出水乙酸约62%（摩尔分数，下同）、丙酸25%，丁酸17%。用1 N NaOH调节pH为7.0，培养过程中使用1 N NaOH或1 N HCl调控培养基 7.0–9.0，水解液经254 nm波长下紫外灯辐照约20分钟灭菌后，泵入微藻培养光生物反应相，微藻培养反应器为平板反应器，使用加热棒控制培养体系温度为30℃，光强为150±50 μmol∙m-2∙s-1，小球藻Chlorella sp.（中国科学院淡水藻类种质库）起始接种量为0.25 g/L，培养120 h之后生物量达到1.2—2.8g/L，油脂含量最高达36.6%。
实施例2:
糖厂加工废水COD为 4240 mg/L，CSTR（连续搅拌式反应器）作为废水水解酸化反应相，水力停留时间（HRT）为24 h，所得水解酸化液组成乙酸约55%、丙酸27%，丁酸14%等。水解酸化液经50 ppm NaClO过夜灭菌后曝光强化消毒，经恒流泵泵入微藻培养反应相，柱式光生物反应器（直径为20 cm，高1.5 m)，调节微藻起始接种量为0.25 g/L，使用1 N NaOH调节pH为6.8-7.2之间，培养温度为35℃，光强为150±50 μmol∙m-2∙s-1。培养过程中使用1 N NaOH或1 N HCl调控培养基7.0-9.0，经 6 d培养后小球藻Chlorella protothecoides（中国科学院淡水藻类种质库）油脂含量达25-37%生物量为 0.5—1.8 g/L。
此外，本领域的普通技术人员从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种有机废水水解酸化耦合能源微藻培养的两相系统，其特征在于该系统包括：废水配水箱、有机废水水解酸化生物预处理反应相、微藻混养生长光生物培养反应相和中间联通装置，四部分通过管路联接。
2.根据权利要求1所述的一种有机废水水解酸化耦合能源微藻培养的两相系统，其特征在于其中废水配水箱用于贮藏有机废水，废水从废水配水箱中通过管路依次经与管路接口连接的恒流泵、单向阀、液体流量计定量泵入有机废水水解酸化生物预处理反应相内，添加活性污泥，发生水解酸化反应，有机废水水解酸化反应相产生的少量发酵气依次经水封瓶、温式气体流量计排出罐体可进行后续收集；水解酸化生物预处理反应相通过管路与中间联通装置连通；水解酸化生物预处理反应相罐体参数由水解酸化控制仪控制罐体环境条件并插配温度探头、pH探头、氧化还原电极探头；采用温控由夹套外加循环水调控水解酸化生物预处理反应相温度。
3. 根据权利要求1所述的一种有机废水水解酸化耦合能源微藻培养的两相系统，其特征在于其中所述的有机废水水解酸化反应相为连续搅拌反应器（CSTR），固定床生物膜器（FBBR），或上流式厌氧污泥床反应器（UASB）；水解酸化生物预处理反应相罐体为耐酸金属材料如316L不锈钢或有机材料如聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBR）；固定床生物膜器中固相载体为天然或合成材料。
4.根据权利要求1所述的一种有机废水水解酸化耦合能源微藻培养的两相系统，其特征在于其中所述的微藻混养生长光生物培养反应相是密闭管状反应器组，平板式反应器甚至是开放式跑道池；管状反应器组、平板式反应器罐体为透明有机玻璃、普通或钢化玻璃材料制造而成。
5.根据权利要求1所述的一种有机废水水解酸化耦合能源微藻培养的两相系统，其特征在于其中所述的光生物培养反应相罐体上连接有进液孔与中间联通装置对接；光生物培养反应相中采用潜水泵或空气泵曝气头实现光生物培养微藻细胞循环流动；反应器参数如pH、氧化还原电位、温度、光强等由微藻培养控制仪调控，反应器内插配pH探头、氧化还原电极探头、温度探头；光生物培养反应相光源为外置荧光灯、白炽灯、LED或卤素灯，光强度调节通过调节外加光源电压进行控制，温度采用加热棒升温或微喷/防晒网降温调控。
6.根据权利要求1所述的一种有机废水水解酸化耦合能源微藻培养的两相系统，其特征在于其中所述的中间联通装置与有机废水水解酸化生物预处理反应相出口联通，中间联通装置由滤筒、单向阀、灭菌单元、恒流泵及液体流量计组成，各部件通过接口与管路依次连接；水解酸化生物预处理反应相与中间联通装置之间设有便于拆卸的液体过滤滤筒装置，以防止管路堵塞。
7. 根据权利要求1所述的一种有机废水水解酸化耦合能源微藻培养的两相系统，其特征在于灭菌单元为非必要可拆卸结构，可采用传统高温热灭菌、紫外灭菌或者NaClO溶液灭菌方式，具体根据有机废水水解酸化液水质组成、菌群结构性质及能源藻类生长情况取舍，有些藻生长不需要灭菌；灭菌装置若采用传统热处理灭菌方式，在恒流泵抽吸作用下，水解酸化液可以通过以耐热螺旋管缠绕加热棒方式杀菌，停留时间为15-3 0 min实现杀菌，之后以耐冷螺旋管缠绕冷却棒方式实现降温；耐冷耐热材料可选择低膨胀陶瓷、低膨胀微晶玻璃；
灭菌装置若通过紫外辐照灭菌方式，在恒流泵抽吸作用下，有机废水水解酸化液采用以透明螺旋管缠绕紫外灯管（波长220-230 nm）方式控制停留时间20-30 min实现紫外照射方式杀菌、灭菌装置也可以通过NaClO溶液灭菌方式，在恒流泵抽吸作用下，向有机废水水解酸化液添加NaClO溶液，使其浓度控制在50-100 ppm进行杀菌，即水解酸化液先进入具备搅拌桨的（转速50-200 rpm）NaClO灭菌相停留30-60 min灭菌，后续水解酸化液缓慢通过连接管路流入透明螺旋管缠绕日光灯辐照方式使次氯酸分解并实现强化灭菌。
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