CN105400697A - 微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法 - Google Patents

微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及净化废水有机污染物，旨在提供微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法。该微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法包括步骤：取得厌氧发酵尾液离心，取上清液作为尾液原料，将尾液原料灭菌调节pH后，进行藻种接种；然后控制温度和光照，并向接种后的尾液原料中通入二氧化碳培养天；培养微藻结束后，离心分离获得的微藻生物质，实现了厌氧发酵尾液的净化处理。本发明采用微藻在通入高浓度二氧化碳条件下生长优化调控，将厌氧发酵尾液的净化与微藻的生长结合起来，能够高效净化未稀释的猪粪厌氧发酵尾液的有机污染物。

Description

微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法
技术领域
本发明是关于净化废水有机污染物领域，特别涉及微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法。
背景技术
厌氧发酵生产沼气是农村地区广泛应用的技术，为人们提供了低廉清洁的燃料。发酵的副产物沼液和沼渣通常直接排放入水体或填埋。沼气发酵过程可去除原料中大量的可溶性有机物，但氨氮等无机成分仍无法被有效去除(Parketal.,2010)，发酵后的尾液仍含有较高的COD，总氮，总磷和大量的微生物，如果直接排放会造成水体富营养化，引起二次污染(Parketal.,2010)。大中型沼气工程尾液产生量大，采取还田就地消纳的方式无法满足处理要求，而远距离的高能耗输送则成本太高。如何采用低成本的方式处理尾液使其达到国家排放标准，是迫切需要解决的问题。如果能把尾液中的养分进行资源化利用，将是解决厌氧发酵尾液综合利用的有效途径。
微藻有着生长速率快，适应性强等诸多优点，利用废水中无机营养的能力很强(Kumaretal.,2010)，已有大量文献记载其用于生活污水(Bhatnagaretal.,2010；Lietal.,2011；Ruizetal.,2014)和工业废水(Bhatnagaretal.,2010；Chinnasamyetal.,2010)的净化处理。同样，微藻生长过程中可吸收利用厌氧发酵尾液中的营养物质，从而降低尾液中氮磷等主要污染指标而达到处理尾液的目的(Parketal.,2010)。其中小球藻等藻种由于对可溶有机物的适应性而最常使用在污水处理系统中(Kumaretal.,2010)。
微藻的培养成本较高制约了微藻生物质能源产业的发展。由于营养物质的成本占总培养成本的10％-20％(Singhetal.,2011)，利用厌氧发酵尾液培养微藻是一种节约成本的培养方式，又能达到对废弃物资源化再利用的目的(KefferandKleinheinz,2002)。微藻可以在尾液中生长积累大量的生物质，既可以用作动物饲料(Singhetal.,2011)或制取生物柴油(Levineetal.,2011)等高附加值的生物质产品，又可以再次作为厌氧发酵的底物生产沼气，形成自给自足的循环模式。Singh等研究利用6％浓度的家禽粪便消化尾液培养三种藻Chlorellaminutissima，Chlorellasorokiniana和Scenedesmusbijuga，最大生长速率可达到76mg/(L·d)，同时氮和磷的去除率分别达到60％和80％。收获的藻粉富含蛋白质(39％)和碳水化合物(22％)，而脂肪含量很低(小于10％)，很适合作为动物饲料的补充。但发酵废水中可能含有一些重金属被微藻在生长过程中吸收富集，而该文中并没有报道对藻粉中重金属含量的检测，因此将藻粉作为饲料是有安全隐患的。其中，稀释后尾液的总氮浓度最高为152mg/L(Singhetal.,2011)。
Cai等采用3％-24％浓度的厌氧发酵尾液培养Synechocystissp.PCC6803和Nannochloropsissalina，经过10天批式培养后氨氮、总氮和总磷的去除率分别达到82.5％-100％，71.2％-100％和83.6％-100％。半连续培养时能达到的最大生长速率为212mg/(L·d)。其中，稀释后尾液的COD浓度最高为639mg/L，总氮浓度最高为640mg/L(Caietal.,2013)。
由于高浓度厌氧发酵尾液具有较高的浊度不利于光合作用的进行，同时较高的氨氮含量也具有一定毒性，未经稀释直接培养微藻很可能造成对藻生长的抑制，所以大多数研究使用的是经过不同程度稀释的废水，而稀释废水意味着废水的处理量增加，需要的反应器容积增大，不利于工程应用。
为解决沼气发酵后的尾液排放及微藻的培养成本问题，提出一种既能净化尾液、又能获得较高的微藻生物质量的方法，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种将厌氧发酵尾液的净化与微藻的生长结合起来，不仅能达到净化尾液的目的，又能获得较高的微藻生物质量的方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法，具体包括下述步骤：
(1)取得厌氧发酵尾液后，离心除去悬浮颗粒物，取上清液作为尾液原料；
(2)将尾液原料在110～120℃的饱和水蒸汽下灭菌20～40min，再调节灭菌后尾液原料的pH至6～8，然后取藻种按接种量为0.1～0.5g/L接种到调节pH后的尾液原料中；
(3)在恒温25～30℃、每天依次光照12h和黑暗12h的条件下，向300ml接种后的尾液原料中通入30～60ml/min的二氧化碳培养7～14天；其中，光照时的光照强度为5000～7000lux，通入的二氧化碳的体积浓度为15％；
(4)培养微藻结束后，将培养后的尾液在7500rpm转速下离心5分钟，使步骤(3)中获得的微藻生物质从尾液中分离出来，实现厌氧发酵尾液的净化处理。
在本发明中，所述步骤(1)中，所取的厌氧发酵尾液是以生物质原料(包括牲畜粪便、餐厨垃圾、稻草秸秆等)为底物，进行沼气发酵后的尾液。
在本发明中，所述步骤(1)中，所取厌氧发酵尾液的COD含量为2000～4000mg/L。
在本发明中，所述步骤(2)中的藻种包括从自然环境中筛选得到的天然藻种、物理化学诱变得到的藻种突变体、经过基因改良得到的转基因藻种。
在本发明中，所述步骤(2)中的藻种采用小球藻、微拟球藻或者螺旋藻。
在本发明中，所述步骤(2)中，调节灭菌后尾液原料pH时，采用1mol/L的氢氧化钠溶液和1mol/L的盐酸。
在本发明中，所述步骤(2)中，灭菌前尾液的pH为7～9，灭菌后尾液的pH为9～11。
在本发明中，取步骤(4)分离出来的微藻生物质，在70℃下进行24小时的烘干得到生物干重，能用于测定获得微藻的生物量(以g/L计算)。
在本发明中，取步骤(4)获得的微藻净化后尾液，能利用水质分析仪测量COD、TN、TP和氨氮含量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用微藻在通入高浓度二氧化碳条件下生长优化调控，将厌氧发酵尾液的净化与微藻的生长结合起来，能够高效净化未稀释的猪粪厌氧发酵尾液的有机污染物。
本发明通入15％的高浓度二氧化碳，补充了猪粪厌氧发酵尾液可利用碳源不足的缺陷，采用曝气除氨和增加磷源缩短了微藻的生长迟滞期，从而使微藻生物质产量和生长速率分别提高到5g/L以上和600mg/(L·d)以上，同时使COD和氨氮的去除率达到70％以上，总磷去除率达到90％以上。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
在以猪粪为底物的厌氧发酵罐出口排放处取得厌氧发酵尾液，厌氧发酵尾液COD含量为2000mg/L，离心除去悬浮颗粒物，取上清液作为原料。将离心后获得的上清液在110℃的饱和水蒸汽下灭菌20min。灭菌前尾液的pH为7，灭菌后尾液的pH为9。用1mol/L的氢氧化钠和1mol/L的盐酸调节pH至6，取新鲜的天然小球藻种液体，按接种量为0.1g/L接种到调节pH后的尾液中。在恒温25℃，光照强度5000lux，每天依次光照12h和黑暗12h的条件下向300ml厌氧发酵尾液中通入30ml/min的高浓度15％二氧化碳培养7天。取一定量的藻液在7500rpm转速下离心5分钟，然后在70℃下烘干24小时得到生物干重，测定获得微藻的生物量，以g/L计算。利用水质分析仪测量微藻净化收获后尾液中的COD，TN，TP和氨氮含量。
实施例2
在以餐厨垃圾为底物的厌氧发酵罐出口排放处取得厌氧发酵尾液，厌氧发酵尾液COD含量为3000mg/L，离心除去悬浮颗粒物，取上清液作为原料。将离心后获得的上清液在115℃的饱和水蒸汽下灭菌25min。灭菌前尾液的pH为8，灭菌后尾液的pH为10。用1mol/L的氢氧化钠和1mol/L的盐酸调节pH至7，取核诱变得到的微拟球藻突变种液体，按接种量为0.25g/L接种到调节pH后的尾液中。在恒温27.5℃，光照强度6000lux，每天依次光照12h和黑暗12h的条件下向300ml厌氧发酵尾液中通入45ml/min的高浓度15％二氧化碳培养10天。取一定量的藻液在7500rpm转速下离心5分钟，然后在70℃下烘干24小时得到生物干重，测定获得微藻的生物量，以g/L计算。利用水质分析仪测量微藻净化收获后尾液中的COD，TN，TP和氨氮含量。
实施例3
在以稻草秸秆为底物的厌氧发酵罐出口排放处取得厌氧发酵尾液，厌氧发酵尾液COD含量为4000mg/L，离心除去悬浮颗粒物，取上清液作为原料。将离心后获得的上清液在120℃的饱和水蒸汽下灭菌40min。灭菌前尾液的pH为9，灭菌后尾液的pH为11。用1mol/L的氢氧化钠和1mol/L的盐酸调节pH至8，取经过基因改良得到的螺旋藻种液体，按接种量为0.5g/L接种到调节pH后的尾液中。在恒温30℃，光照强度7000lux，每天依次光照12h和黑暗12h的条件下向300ml厌氧发酵尾液中通入60ml/min的高浓度15％二氧化碳培养14天。取一定量的藻液在7500rpm转速下离心5分钟，然后在70℃下烘干24小时得到生物干重，测定获得微藻的生物量，以g/L计算。利用水质分析仪测量微藻净化收获后尾液中的COD，TN，TP和氨氮含量。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中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 (9)

1.微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法，其特征在于，具体包括下述步骤：
(1)取得厌氧发酵尾液后，离心除去悬浮颗粒物，取上清液作为尾液原料；
(2)将尾液原料在110～120℃的饱和水蒸汽下灭菌20～40min，再调节灭菌后尾液原料的pH至6～8，然后取藻种按接种量为0.1～0.5g/L接种到调节pH后的尾液原料中；
(3)在恒温25～30℃、每天依次光照12h和黑暗12h的条件下，向300ml接种后的尾液原料中通入30～60ml/min的二氧化碳培养7～14天；其中，光照时的光照强度为5000～7000lux，通入的二氧化碳的体积浓度为15％；
(4)培养微藻结束后，将培养后的尾液在7500rpm转速下离心5分钟，使步骤(3)中获得的微藻生物质从尾液中分离出来，实现厌氧发酵尾液的净化处理。
2.根据权利要求1所述的微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所取的厌氧发酵尾液是以生物质原料为底物，进行沼气发酵后的尾液。
3.根据权利要求1所述的微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所取厌氧发酵尾液的COD含量为2000～4000mg/L。
4.根据权利要求1所述的微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的藻种包括从自然环境中筛选得到的天然藻种、物理化学诱变得到的藻种突变体、经过基因改良得到的转基因藻种。
5.根据权利要求1所述的微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的藻种采用小球藻、微拟球藻或者螺旋藻。
6.根据权利要求1所述的微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，调节灭菌后尾液原料pH时，采用1mol/L的氢氧化钠溶液和1mol/L的盐酸。
7.根据权利要求1所述的微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，灭菌前尾液的pH为7～9，灭菌后尾液的pH为9～11。
8.根据权利要求1所述的微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法，其特征在于，取步骤(4)分离出来的微藻生物质，在70℃下进行24小时的烘干得到生物干重，能用于测定获得微藻的生物量。
9.根据权利要求1所述的微藻在二氧化碳下生长净化未稀释厌氧发酵尾液的方法，其特征在于，取步骤(4)获得的微藻净化后尾液，能利用水质分析仪测量COD、TN、TP和氨氮含量。
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