CN105018336B - 一种利用废水培养微藻的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用废水培养微藻的装置，该装置包括罐体，所述罐体分为微藻培养室和废水发酵室上下两部分，所述废水发酵室位于微藻培养室的下方，两者之间设有输气通道；所述废水发酵室的侧壁上设有进液口和排液口，底部设有排渣口，外部设有与所述排液口连通的过滤装置；所述微藻培养室内部设有微藻培养架，顶部设有排气口，微藻培养架上方安装有喷淋器，喷淋器通过抽提泵与过滤装置相连。本发明将罐体分为两部分，在罐体下方进行废水发酵，获得二氧化碳气体和发酵液，通过过滤装置、抽提泵以及喷淋器将发酵液喷入上方的微藻培养室内进行微藻培养，实现了废水发酵和微藻培养的一体化，降低了微藻的培养成本，使微藻充分利用废水中的营养元素。

Description

一种利用废水培养微藻的装置
技术领域
本发明涉及微藻培养技术领域，尤其涉及一种利用废水培养微藻的装置。
背景技术
化石能源的大量消耗，不仅带来了严重的环境问题，同时也是制约经济可持续发展的重要因素。生物质能源作为一种可再生的新型能源已经受到广泛的关注。
微藻是一种光合自养的微生物，光合效率高，且富含油脂、蛋白质、多糖、维生素等生物质，具有极高的应用价值。目前，微藻的培养基主要是人工合成的，成本较高，限制了微藻的更广泛的应用。
然而，微藻能够高效的吸收环境中的CO2、氮磷等营养物质；畜禽养殖废水和食品工业废水中含有大量的营养物质，经过简单的处理后可以作为微藻的天然培养基。因此，利用废水培养微藻不仅能够降低废水中的氮磷等营养盐的含量，而且可以收获藻体作为生物质能源。
授权公告号为CN101921811B的发明专利文献公开了一种微藻培养的方法，该方法包括以下步骤：(1)牛粪、玉米秸秆和啤酒厂废水为发酵底物，加入活性污泥产酸发酵，发酵结束后的上清液即酸液流至培养装置，产生的混合收集在储气罐中；(2)将经过培养的微藻接种到培养装置的酸液中进行异养培养；(3)将异养培养后的微藻置于光生物反应装置中，将储气罐中混合气循环通入到光生物反应装置中进行通气自养培养。该方法将沼气发酵的产酸阶段与微藻培养过程进行耦合，实现了高生物量的富油微藻的培养。
授权公告号为CN101285075B的发明专利文献公开了一种沼气发酵和自养型淡水微藻培养的耦合方法，包括沼气的发酵、沼液的处理、自养型淡水微藻的接种和沼气的引入、自养型淡水微藻培养控制、自养型淡水微藻细胞的收获。该方法采用沼气发酵和自养型淡水微藻光合培养同时进行的方法，以沼液作为自养型淡水微藻培养的培养基，沼气中CO2作为自养型淡水微藻所需的碳源，以降低自养型淡水微藻的生产成本，解决沼气的净化和沼液的后处理问题。
目前，研究者们的研究主要集中于探究微藻的培养方法以及不同废液类型与不同微藻类型的耦合，对于如何实现废液发酵与微藻培养的一体化生产，研究者们关注的较少；因此，有必要提供一种新式的利用废液培养微藻的一体化装置，以进一步降低微藻培养的生产成本，更合理地将废液发酵与微藻培养进行耦合。
发明内容
本发明提供了一种利用废水培养微藻的装置，该装置能够实现废水发酵、微藻培养的一体化，降低生产成本。
一种利用废水培养微藻的装置，包括罐体，所述罐体分为微藻培养室和废水发酵室上下两部分，所述废水发酵室位于微藻培养室的下方，两者之间设有输气通道；
所述废水发酵室的侧壁上设有进液口和排液口，底部设有排渣口，外部设有与所述排液口连通的过滤装置；
所述微藻培养室内部设有微藻培养架，顶部设有排气口，微藻培养架上方安装有喷淋器，喷淋器通过抽提泵与过滤装置相连。
上述装置将罐体分为两部分，在罐体下方进行废水发酵，获得气体和发酵液，通过过滤装置、抽提泵以及喷淋器将发酵液喷入上方的微藻培养室内进行微藻培养，实现了废水发酵和微藻培养的一体化。其中，过滤装置中的材料可以是活性炭、海绵、PP棉等孔性材料或聚氯乙烯滤膜、混合纤维酯微孔滤膜等膜材料及其各种组合方式。
其中，上述罐体对应微藻培养室外周部分的壳体为透明材质，例如：玻璃、PVC、塑料薄膜等透光材料，以保证微藻生长过程中充分吸收外界光源。
废水发酵室和微藻培养室之间的输气通道是用于传送废水发酵过程中产生的气体，该气体主要包括二氧化碳和甲烷；带微藻充分利用上述气体中的二氧化碳后，其余气体将通过微藻培养室顶部的排气口流出。
具体地，上述微藻培养架包括架体、环绕架体布置的柔性布以及驱动柔性布沿架体周向运动的驱动机构，所述架体包括中心轴和多个固定在中心轴侧面的矩形框，所述矩形框环绕中心轴均匀分布，将周围的空间分隔成多个培养区；所述驱动机构包括电机、传动机构和多个驱动轮，驱动轮设于相邻两矩形框之间，压紧所述柔性布使其紧贴所述架体。
驱动轮按压住柔性布能够使驱动轮的转动带动柔性布的移动，使位于柔性布上的微藻在微藻培养室内的位置发生改变，由于外界光照的分布会因微藻所处位置的不同而不同，所以采用上述方法能够解决上述问题，提高微藻的生物量产量；与此同时，驱动轮的按压也增大了单位体积内柔性布的使用面积，提高了微藻的接种量，提高了单位体积内微藻的生物量。
作为优选，每个培养区内的驱动轮固定在同一转轴上，至少一根转轴通过传动机构与所述电机联动。将驱动轮固定于同一转轴上，能够在实现驱动轮转动的基础上，减少传动机构和电机的数量，以提高整个装置的运行效率，减少额外能源的消耗。
为加快废水的发酵，促使废水的均匀发酵，所述废水发酵室设有由所述电机驱动的搅拌器。为进一步的提高整个装置的紧凑性，所述搅拌器与驱动轮均采用相同的电机驱动。所述电机通过主转动轴与传动机构和搅拌器连接。
进一步地，所述主转动轴上设有单向转动接口。由于废水发酵一段时间后，需要停止搅拌，进行沉淀，以确保获得发酵上清液，使发酵上清液进行过滤后通入微藻培养室内。所以，在主转动轴上设置一个单向转动的接口，该接口可使电机顺时针转动时，带动下方搅拌器转动；电机逆时针转动时，下方搅拌器不转动。
所述微藻培养架外设有靠近所述柔性布的刮刀，由于柔性布随着驱动轮行动，所以将刮刀贴近柔性布的表面可以自动采收微藻，实现了微藻的自动采收。
作为优选，所述微藻培养室和废水发酵室之间设有收集微藻的滤网。
作为优选，所述微藻培养室和废水发酵室之间设有隔板，所述微藻培养室底部设有与所述抽提泵连接的出液口。该隔板可以收集喷淋下来的发酵液，并通过抽提泵重新利用。
作为优选，所述微藻培养室侧壁设有出料口，该出料口可用于接收微藻。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将罐体分为两部分，在罐体下方进行废水发酵，获得二氧化碳和甲烷气体以及可用于培养微藻的发酵液，通过过滤装置、抽提泵以及喷淋器将发酵液喷入上方的微藻培养室内进行微藻培养，实现了废水发酵和微藻培养的一体化，降低了微藻生产过程中的装置成本；
(2)本发明在微藻培养室内设置微藻培养架、滤网、隔板以及刮刀，不仅能够促进微藻生长，提高微藻光合效率和产量，而且实现了微藻的自动化驯化、培养、采收以及发酵液的循环利用，降低了微藻的生产成本。
(3)本发明实现了在微藻培养时采用间歇补充和混合补充发酵液的方式，解决了发酵液中高浓度氨氮抑制微藻生长的难题，比一般用净水稀释的方法节约了大量的清洁用水。
附图说明
图1为本发明利用废水培养微藻的装置的结构示意图；
其中，1-微藻培养室；2-废水发酵室；3-隔板；4-中心轴；5-矩形框；6-电机；7-驱动轮；8-太阳齿轮；9-行星齿轮；10-主转动轴；11-转轴；12-柔性布；13-小孔；14-叶轮；15-排气口；16-喷淋器；17-进液口；18-排液口；19-排渣口；20-过滤器；21-输气管；22-排液管；23-刮刀；24-滤网；25-出料口；26-抽提泵；27-第一阀门；28-第二阀门；29-第三阀门；30-第四阀门；31-微藻；32-出液口；33-控制面板。
具体实施方式
如图1所示，本发明中利用废水培养微藻的装置包括一体化的整体呈圆筒状的罐体，该罐体的内部通过隔板3被分隔为上下两部分，上部为微藻培养室1，下部为废水发酵室2；微藻培养室1顶部对应的罐体外壳由遮光材料制成，而其余外周部分由透光材料制成；包裹废水发酵室2的罐体外壳全部由遮光材料构成；上述遮光材料可以是不锈钢、PVC等刚性材料，透光材料可采用玻璃、PVC或塑料薄膜。上述微藻培养室1与废水发酵室2的体积比可以为1∶2～1∶10。
从图1中可以看出，微藻培养室1的内部设有微藻培养架，该微藻培养架主要包括架体、环绕架体布置的柔性布以及驱动柔性布沿架体周向运动的驱动机构。
具体地，该架体又分为中心轴4和多个固定在中心轴4侧面的矩形框5。图1中，中心轴4为中空的长圆筒，上端固定在微藻培养室1的顶部，下端固定在隔板3上，中心轴4位于整个微藻培养室1的正中心。当然，中心轴也可以是其他形状，只要能够起到固定矩形框5的作用即可。图1中，固定在中心轴4上的矩形框5的数量为4个，都环绕中心轴4均匀对称地分布在中心轴4的周向上，并将周围的空间分隔成了多个培养区。对于矩形框5的数量可以视需要而定，一般在4～6个之内较为适宜，过多会降低微藻的光合效率。
上文所述的驱动机构主要包括电机6、传动机构和多个驱动轮7。其中，传动机构由一个太阳齿轮8和一个行星齿轮9构成，电机6通过主转动轴10带动太阳齿轮8转动进而带动行星齿轮9转动。驱动轮7设于相邻两矩形框之间，通过转轴11固定，转轴11通过中心轴4延伸出的支撑杆进行固定。图1中，每两个相邻矩形框之间均设有一对驱动轮，其上下设置且同轴转动；驱动轮7中的其中一对驱动轮与行星齿轮9同轴，使行星齿轮9的转动带动驱动轮7的转动。
柔性布12环绕在上述4个矩形框5的外周，包围住整个架体；在培养区内，驱动轮7压紧柔性布12使其贴紧架体；柔性布12上与驱动轮7接触的部位设有能够与驱动轮咬合的小孔13，小孔13均匀成排地排布在柔性布12上(如图1所示)。柔性布12上可接种微藻31。驱动轮除设置在柔性布的上下两端外，在上下驱动轮之间可再设置更多的驱动轮，以提高柔性布移动的稳定性；但驱动轮的增加会减少微藻接种的数量，所以最佳的方式如图1所示。另外，矩形框5外侧的两个角上也可固定驱动轮，该驱动轮同样利用小孔13进行驱动，有利于提高柔性布移动的稳定性。上述柔性布的材质可以是滤布或柔性塑料。
图1中，电机6和传动机构设置在罐体的上方，与电机6连接的主转动轴10穿过罐体顶部壳体、中心轴4和隔板3伸入废水发酵室2内，并连接搅拌叶轮14，形成电机驱动的搅拌器。
微藻培养室1的顶部还开有排气口15，微藻培养架的上方安装有喷淋器16，该喷淋器16在微藻培养架的两侧分别设有一个喷头，以保证液体均匀喷布于柔性布上的微藻。喷淋器16通过管路、抽提泵26将废水发酵室2中过滤后的发酵液喷淋到微藻培养室1内。微藻培养室1的侧壁上还设有排液管22，当隔板上积累的发酵液达到一定高度时即可通过抽提泵26将隔板3上的发酵液抽提至喷淋器16重新用于微藻的培养。当然，在微藻培养室1与隔板交界处开一个出液口32，出液口32用于排出重复使用多次后不宜再重复使用的液体。而隔板3的平面可略微倾斜，便于该类液体的流动。
为了促进微藻的生长，喷淋器16通过管路还与存储有营养液的储罐连通，在装置启动阶段以弥补发酵液中部分营养物质缺乏的问题，通过管路和第四阀门30控制营养液的输入，该第四阀门30开启时，喷淋器16与过滤器20连接的管路通过第二阀门28被关闭，喷淋器16与隔板上发酵液的连接通过第三阀门29关闭。
微藻培养架上还设有刮刀23，刮刀23固定于其中一个矩形框上，并且刀面贴近柔性布12的表面，用于采收微藻。
微藻培养架的下方还设置有收集微藻的滤网24，滤网24的网孔规格根据培养微藻的种类而定，只要保证能够收集到微藻即可；一般滤网24的网孔都在100目以上，本发明滤网采用的是硬质的不锈钢；滤网24被中心轴4贯穿，并通过中心轴4和罐体壁进行固定。滤网24的面积大小可以根据需要进行调整，最小与架体垂直面积相同，最大与罐体横截面相同。在滤网的设置过程中可将网面倾斜设置，在网面倾斜最低处的罐体壁上开设出料口25，出料口25高于隔板10cm～50cm，以避免滤网与隔板储存的发酵液接触。在微藻培养过程中，出料口25关闭；待微藻培养一定时间后，可打开出料口人工收集微藻。
废水发酵室2用于盛放废水并进行废水的发酵，废水发酵室2的一边侧壁上设有进液口17，并通过第一阀门27控制开闭，另一边侧壁上设有排液口18，顶部设有穿过隔板3的输气管21，用于输送废水发酵产生的气体，输气管可设置1至多个；废水发酵室2的底部设置成漏斗形，便于收集废水中的沉淀，并通过底部的排渣口19进行排放；排渣口19通过阀门控制开闭；废水发酵室2的外部还设有与排液口18连通的过滤器20，过滤器20通过管路与喷淋器16连通，为喷淋器16提供微藻所需的发酵液。排液口18应设置在废水发酵室2侧壁的偏上的区域内，便于排放废水发酵后产生的上清液。
在位于隔板3下方的主转动轴10上还安装有单向转动接口，该转动接口可使电机按某一方向转动时，带动驱动轮和下方叶轮转动；而电机按另一方向转动时，下方搅拌器不转动。以顺时针为例，该转动接口可使电机顺时针转动时，带动驱动轮和下方叶轮转动；而电机逆时针转动时，下方搅拌器不转动。
微藻发酵室1内还安装有用于监测微藻培养条件的监测控制器，监测控制器包括控制面板33和监测探头，控制面板33安装在微藻培养室的侧壁上，监测探头用于监测微藻培养室1内的温度、湿度以及隔板3上发酵液的pH值。
本发明利用废水培养微藻的装置的工作过程为：
开启第一阀门，使废水通过进液口进入废水发酵室，并在废水发酵室内进行发酵，发酵过程中，电机带动主转动轴顺时针转动，进而带动叶轮搅拌废水，发酵产生的气体通过输气管进入微藻培养室为微藻提供充足的碳源，待废水发酵一段时间后，改变电机转动方向，使叶轮暂停搅拌进行发酵废水的沉淀，沉淀后产生的发酵液的上清液通过排液口进入过滤器，过滤待用；
将柔性布安装于微藻培养室内微藻培养架上的矩形框外周上；开启第四阀门，将含有微藻的液体培养基通过抽提泵和喷淋器喷洒于柔性布上，使微藻接种在柔性布上，然后进行培养，使微藻成功存活在柔性布上，培养过程中持续喷洒液体培养基；
接着，同时开启第二阀门和第四阀门，将过滤器中的发酵液与液体营养培养基混合后喷洒到柔性布上，培养一段时间，使柔性布上的微藻成功驯化；
然后，关闭第四阀门，仍保持第二阀门的开启，通过发酵液进行微藻的培养；当然，在不断喷淋液体营养培养基以及发酵液的过程中，隔板上的液体会不断积累，待培养基积累至一定高度时，可关闭第二阀门，开启第三阀门，使该部分液体重新泵至喷淋器进行使用；由于微藻培养过程中已使用的喷淋液的pH值会随使用次数的增加而缓慢上升；所以当监测探头监测到隔板上液体的pH值超过限值时，可同时开启第二阀门和第三阀门，通过过滤器中的低pH值的发酵液来稀释上述液体，实现发酵液的重复使用；重复使用次数过多的液体，可通过出液口排出；
最后，待微藻生长至高度高于刮刀高度时，经过刮刀处的柔性布上的微藻被刮落下来落至滤网上；待滤网上积累一定量的微藻后，开启排料口，人工收集微藻。
在微藻培养过程中，最适宜生长的环境温度为30～35℃，但在微藻生长的季节，由于外界光照强度大，容易造成培养室温度偏高；当培养室温度超过35℃时，可以关闭第二阀门，并向进液口17通入一定量的空气，空气进入培养室后，可增加培养室内空气的流动，增加水分的蒸发，从而带走一部分的热量，实现降温。
应用例1
一、装置参数
采用直径为1.0m、高3.0m的微藻培养罐，其中，废水发酵室与微藻培养室的体积比为1∶5；柔性布采用滤布，长度为5.1m，宽度为2.0m；电机转速为72r/min。该装置放置于室外环境中。采用的微藻为螺旋藻。
二、培养液
(1)养猪废水的水质：COD 16352±289mg/L，SS 3323±169mg/L，NH4-N 54±9mg/L，TN 2233±46mg/L，pH 7.1±0.1；
(2)Zarrouk液体营养培养基的成分：NaCl 1.0g/L，CaCl20.04g/L，NaNO32.5g/L，FeSO4·7H2O 0.01g/L，EDTA-Na 0.08g/L，K28O41.0g/L，NaHCO316.8g/L，K2HPO40.5g/L，MgSO4·7H2O 0.25g/L。
三、微藻培养和回收的具体步骤
本实施例利用上述装置进行微藻的培养和回收，具体培养步骤如下：
(1)将250L养猪废水注入到废水发酵室内，废水在72r/min的转速条件下搅拌、厌氧发酵8天后，停止搅拌，进行沉淀，经过滤获得澄清的发酵液；
(2)将含有螺旋藻的Zarrouk液体营养培养基通过喷淋方式接种于滤布上，螺旋藻的浓度为100mg/L；持续喷施液体营养培养基，并在23-28℃、75％湿度条件下培养螺旋藻，2天后，滤布上螺旋藻遍布明显的蓝绿色时，说明螺旋藻成功存活于滤布上；
(3)将步骤(1)中的发酵液与Zarrouk液体营养培养基混合后，以流速0.5L/min喷淋至滤布上，持续喷淋混合液，在30℃、湿度80％的条件下驯化微藻，驯化时间为3天；
(4)将步骤(3)中回收的混合液以及新的发酵液，以流速0.2L/min喷淋至滤布上，持续喷淋混合液8天，滤布上微藻厚度大于2mm的部分被刮刀收割，收集被刮下的微藻。
上述方法中，微藻经接种、活化和驯化后，可以连续进行培养，培养过程中微藻被刮刀持续收割，实现了微藻的自动化培养和回收。
四、微藻培养结果
将本应用例中装置置于光照强度为500μmol/m2/s～1500μmol/m2/s，温度为23-30℃的外界环境下；经过8天废水的发酵、2天螺旋藻接种和活化，3天螺旋藻驯化后，本发明装置进入持续的螺旋藻培养过程，该过程中螺旋藻的平均产量达到25g/m2/d，比国内螺旋藻养殖场利用传统跑道池培养螺旋藻的产量(10g/m2/d)高150％，且培养基的成本节省90％以上。

Claims (7)

1.一种利用废水培养微藻的装置，其特征在于，包括罐体，所述罐体分为微藻培养室和废水发酵室上下两部分，所述废水发酵室位于微藻培养室的下方，两者之间设有输气通道；
所述废水发酵室的侧壁上设有进液口和排液口，底部设有排渣口，外部设有与所述排液口连通的过滤装置；
所述微藻培养室内部设有微藻培养架，顶部设有排气口，微藻培养架上方安装有喷淋器，喷淋器通过抽提泵与过滤装置相连；
所述微藻培养架包括架体、环绕架体布置的柔性布以及驱动柔性布沿架体周向运动的驱动机构，所述架体包括中心轴和多个固定在中心轴侧面的矩形框，所述矩形框环绕中心轴均匀分布，将周围的空间分隔成多个培养区；所述驱动机构包括电机、传动机构和多个驱动轮，驱动轮设于相邻两矩形框之间，压紧所述柔性布使其紧贴所述架体。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每个培养区内的驱动轮固定在同一转轴上，至少一根转轴通过传动机构与所述电机联动。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述废水发酵室设有由所述电机驱动的搅拌器。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微藻培养架外设有靠近所述柔性布的刮刀。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微藻培养室和废水发酵室之间设有收集微藻的滤网。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微藻培养室和废水发酵室之间设有隔板，所述微藻培养室底部设有与所述抽提泵连接的出液口。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微藻培养室侧壁设有出料口。
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