CN106883982B - 罐式光生物反应器的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法 - Google Patents

罐式光生物反应器的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了罐式光生物反应器及其藻菌共生体同步净化沼气沼液方法。发明包括第一透明罐和第二透明罐，第一透明罐内放置气体分布器，第一透明罐外周安装若干LED灯；由外界向第一透明罐的上部内腔伸入藻菌接种管，由外界向第一透明罐中的气体分布器伸入除菌原沼进气管，由第一透明罐的内腔向第二透明罐的内腔伸入沼气供气管，由第二透明罐的内腔向第一透明罐的内腔伸入沼气回流管，沼气回流管上串接回流气泵，由第二透明罐的上部内腔向外界伸出沼气出气管；由外界向第二透明罐的上部内腔伸入沼液进液管，由第二透明罐的内腔向第一透明罐的内腔伸入沼液供液管，沼液供液管连通第一透明罐与第二透明罐底部，沼液供液管上分支出沼液出液管。

Description

罐式光生物反应器的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法
技术领域
本发明属于废弃物净化技术领域，涉及一种藻菌共生体培养以及沼气沼液同步处理技术，特别是一种罐式光生物反应器及其藻菌共生体同步净化沼气沼液方法。
背景技术
20世纪70年代以来，我国大力发展沼气事业。而厌氧发酵产生的沼气中可作为燃料的甲烷气体仅占30％～40％，另外是占60％以上的二氧化碳，以及少量的其它气体。沼气中可燃气体组分含量较低，导致了现阶段沼气的可利用性较差，无法实现绿色沼气生物质能的发展；另外发酵产沼气过程中产生的副产物沼液是一种高污染物负荷的污水，若直接排放则极易造成水华等严重的环境污染问题。所以虽有重大突破，但由于沼气含CO2较多导致沼气品质低，以及沼液的难以处理致使沼气事业的发展达到瓶颈。
藻类具有生长速度快、可吸收环境中的氮、磷化为己用且不需任何化学元素等优势，近年来多被用于污水的脱氮除磷以及空气的净化，因此也开始有人将其应用于沼气品质的提升、沼液的净化。但前期研究表明藻类对沼气的品质虽有明显的提升但对沼液的净化不够。若单就沼液而言，沼液处理传统方法主要表现为集中处理、原位处理和植物处理三种。集中处理是将沼液稀释后纳管排污，由污水处理厂加以处置，其缺点是提高了污水处理厂的运行负荷、投资成本较高，沼液中的微生物会对处理系统内的微生物菌群有不利影响；原位处理如渗滤塘和蚯蚓生态滤池等，这些技术只适合低污染负荷生活污水的处理，而对高负荷污染物沼液处理效果一般；植物处理可以利用各种水生植物(如水葫芦、水芹菜等)来摄取沼液中的营养元素，净化沼液，该技术在一定程度上体现了资源化循环利用的思想，但其仅针对沼液本身，增殖后水生植物的资源化利用的研究并未涉及。
另外，藻类光合作用产生的O2可能会与CH4在一定比例下发生爆炸，对整个反应体系的安全有所威胁，加上处理后的藻类由于颗粒直径小，收获困难，进而影响其资源化循环利用。
现有技术中的藻菌共生体能够对沼气沼液进行净化，但球状的藻菌共生体到底与藻类不同，市面上所有的以及专利申请中的各类光生物反应器并不能满足藻菌共生体同步净化沼气沼液实验的需求。因此急需一个适合课题的光生物反应器，以及优化的藻菌共生体培育及净化的同步方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种针对性设计器皿结构及反应工艺，既对藻菌共生体自身培养，又对稀释沼液和沼气实现同步净化，使得沼液废水符合排放标准且提升沼气品质的罐式光生物反应器及其藻菌共生体同步净化沼气沼液方法。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：罐式光生物反应器，包括作为光生物反应器的第一透明罐和作为气液回流器的第二透明罐，所述第一透明罐与第二透明罐均为封闭状态，所述第一透明罐内放置气体分布器，所述第一透明罐的外周安装若干用于提供光源的LED灯；由外界向所述第一透明罐的上部内腔伸入藻菌接种管，由外界向所述第一透明罐中的气体分布器伸入除菌原沼进气管，由所述第一透明罐的内腔向所述第二透明罐的内腔伸入沼气供气管，所述沼气供气管连通所述第一透明罐与第二透明罐的上部，由所述第二透明罐的内腔向所述第一透明罐的内腔伸入沼气回流管，所述沼气回流管上串接回流气泵，所述沼气回流管连通所述第一透明罐与第二透明罐的上部，由所述第二透明罐的上部内腔向外界伸出沼气出气管；由外界向所述第二透明罐的上部内腔伸入沼液进液管，由所述第二透明罐的内腔向所述第一透明罐的内腔伸入沼液供液管，所述沼液供液管连通所述第一透明罐与第二透明罐的底部，所述沼液供液管上分支出沼液出液管。
本罐式光生物反应器中，第一透明罐与第二透明罐以及其相连的管道应由耐高温材质制成，且能承受一定的压力。气体分布器用于分散沼气使其较均匀的分布并溶解于沼液中，同时起到搅拌传质的作用，这样可使稀释沼液中的藻菌共生体与沼气充分接触，起到同步净化沼气沼液的目的。
在上述的罐式光生物反应器中，所述除菌原沼进气管的进气口处串接流量计。
在上述的罐式光生物反应器中，所述沼气供气管上串接有压力计。
在上述的罐式光生物反应器中，所述沼气回流管上分支出沼气采样口。
在上述的罐式光生物反应器中，所述沼液出液管上分支出沼液取样口。
罐式光生物反应器的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法，包括以下步骤：
1)、藻菌共生体的构建：
a、将BG11培养基加入2％的麦芽糖和0.5％的酵母膏搅拌均匀后形成改良BG11培养基；
b、将藻液和菌液按照1:10～1:30(×106cell/L)的混合比加入改良BG11培养基中进行混合培养，培养条件为25～28℃，2000～3000lux的光照强度，120～180rpm，pH＝6.5～8.5，培养4～5天，形成含有直径3～4mm的藻菌共生体的混合培养基；
2)、藻菌共生体的驯化：
a、将含有藻菌共生体的混合培养基加入到模拟废水溶液中，其TN为350mg/L、TP为45mg/L、COD为800mg/L，按照混合培养基(％)与模拟沼液(％)的比例范围：7﹕3～3﹕7，采取多项不同比例分别进行培养；
b、每种配比培养1～2天进行转接，最后得到驯化的藻菌共生体；
3)、罐式光生物反应器的准备工作：
a、将第一透明罐与第二透明罐通过各个管道相组装连接，检查气密性，确保罐体以及各管道可以形成一个密封体系；
b、由除菌原沼进气管、沼液进液管等管口通入120℃热蒸汽进行空罐灭菌20～30min，要保证罐体以及各管路都充分灭菌；
4)、罐式光生物反应器的实验过程：
a、从藻菌接种管处按照20％的接种量接入驯化的藻菌共生体；
b、灭菌稀释沼液通过沼液进液管进入第二透明罐内，通过沼液供液管进入第一透明罐内，达到罐体高度的1/2～2/3；
c、灭菌沼气通过除菌原沼进气管进入气体分布器，灭菌沼气通过气体分布器分散在第一透明罐中，再通过沼气供气管流入第二透明罐中，在回流气泵的带动下通过沼气回流管将部分沼气回流至第一透明罐中，使第一透明罐内保持内部0.03～0.05MPa的罐压，第二透明罐中的多余沼气最终通过沼气出气管排至外界；
d、第一透明罐在25～28℃下，使用3000lux光照强度的LED白光，以光暗比10h：14h～14h：10h(白天：黑暗)的条件下进行藻菌共生体的培养；同步对沼液、沼气进行净化处理。
在上述的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法中，在步骤1)的b中所述藻液中的微藻为小球藻或斜生栅藻中的一种；所述菌液中的真菌为灵芝菌或平菇菌或秀珍菇菌中的一种；所述藻液与菌液均在其生长对数期内进行混合。
在上述的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法中，在进入第二透明罐之前，稀释沼液先通入臭氧进行灭菌，通入时间为6～8h，其TN为300～350mg/L、TP为30～45mg/L、COD为800～1000mg/L。
在上述的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法中，在进入第一透明罐之前，沼气先通过0.22um的滤膜进行除菌，滤膜的组成为30～40％CO2,60～70％CH4。
在上述的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法中，灭菌沼气通过除菌原沼进气管进入气体分布器的流量范围是1.0～2.0L/d/L。
与现有技术相比，本罐式光生物反应器及其藻菌共生体同步净化沼气沼液方法具有以下优点：
1、本发明利用沼液培养藻菌共生体，使得沼液废水符合排放标准(GB18918-2002)，同时向光生物反应器中通入原纯度不高的沼气作为藻菌共生体的主要碳源，使其输出较高纯度的沼气；
2、将沼液的利用和沼气的净化集于一体，大大的提高了生产效率；
3、本发明利用气体分布器基本解决了沼气与藻菌共生体在沼液中的部分传质问题；
4、LED灯较节能，且设置在外部，解决了灭菌难以及灯管长时间开启导致热量散发以及温度不稳定的问题；
5、透明的设置可以使我们直接观察到反应器的内部情况；
6、本装置简单、可拆卸，且使用的各部件市场上都有，容易得到，耗费人力少，具有很好的市场推广性，对解决有机固体废弃物难处理的问题具有非常重要的意义。
附图说明
图1是罐式光生物反应器的结构示意图。
图中，1、第一透明罐；2、第二透明罐；3、气体分布器；4、LED灯；5、藻菌接种管；6、除菌原沼进气管；7、流量计；8、沼气回流管；9、沼气采样口；10、沼气供气管；11、压力计；12、沼气出气管；13、沼液进液管；14、沼液供液管；15、沼液出液管；16、回流气泵。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本罐式光生物反应器，包括作为光生物反应器的第一透明罐1和作为气液回流器的第二透明罐2，第一透明罐1与第二透明罐2均为封闭状态，第一透明罐1内放置气体分布器3，第一透明罐1的外周安装若干用于提供光源的LED灯4；由外界向第一透明罐1的上部内腔伸入藻菌接种管5，由外界向第一透明罐1中的气体分布器3伸入除菌原沼进气管6，由第一透明罐1的内腔向第二透明罐2的内腔伸入沼气供气管10，沼气供气管10连通第一透明罐1与第二透明罐2的上部，由第二透明罐2的内腔向第一透明罐1的内腔伸入沼气回流管8，沼气回流管8上串接回流气泵16，沼气回流管8连通第一透明罐1与第二透明罐2的上部，由第二透明罐2的上部内腔向外界伸出沼气出气管12；由外界向第二透明罐2的上部内腔伸入沼液进液管13，由第二透明罐2的内腔向第一透明罐1的内腔伸入沼液供液管14，沼液供液管14连通第一透明罐1与第二透明罐2的底部，沼液供液管14上分支出沼液出液管15。
本罐式光生物反应器中，第一透明罐1与第二透明罐2以及其相连的管道应由耐高温材质制成，且能承受一定的压力。气体分布器3用于分散沼气使其较均匀的分布并溶解于沼液中，同时起到搅拌传质的作用，这样可使稀释沼液中的藻菌共生体与沼气充分接触，起到同步净化沼气沼液的目的。
除菌原沼进气管6的进气口处串接流量计7。
沼气供气管10上串接有压力计11。
沼气回流管8上分支出沼气采样口9。
沼液出液管15上分支出沼液取样口。
罐式光生物反应器的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法，包括以下步骤：
1)、藻菌共生体的构建：
a、将BG11培养基加入2％的麦芽糖和0.5％的酵母膏搅拌均匀后形成改良BG11培养基；
b、将藻液和菌液按照1:10～1:30(×106cel l/L)的混合比加入改良BG11培养基中进行混合培养，培养条件为25～28℃，2000～3000lux的光照强度，120～180rpm，pH＝6.5～8.5，培养4～5天，形成含有直径3～4mm的藻菌共生体的混合培养基；
2)、藻菌共生体的驯化：
a、将含有藻菌共生体的混合培养基加入到模拟废水溶液中，其TN为350mg/L、TP为45mg/L、COD为800mg/L，按照混合培养基(％)与模拟沼液(％)的比例范围：7﹕3～3﹕7，采取多项不同比例分别进行培养；
b、每种配比培养1～2天进行转接，最后得到驯化的藻菌共生体；
3)、罐式光生物反应器的准备工作：
a、将第一透明罐1与第二透明罐2通过各个管道相组装连接，检查气密性，确保罐体以及各管道可以形成一个密封体系；
b、由除菌原沼进气管6、沼液进液管13等管口通入120℃热蒸汽进行空罐灭菌20～30min，要保证罐体以及各管路都充分灭菌；
4)、罐式光生物反应器的实验过程：
a、从藻菌接种管5处按照20％的接种量接入驯化的藻菌共生体；
b、灭菌稀释沼液通过沼液进液管13进入第二透明罐2内，通过沼液供液管14进入第一透明罐1内，达到罐体高度的1/2～2/3；
c、灭菌沼气通过除菌原沼进气管6进入气体分布器3，灭菌沼气通过气体分布器3分散在第一透明罐1中，再通过沼气供气管10流入第二透明罐2中，在回流气泵16的带动下通过沼气回流管8将部分沼气回流至第一透明罐1中，使第一透明罐1内保持内部0.03～0.05MPa的罐压，第二透明罐2中的多余沼气最终通过沼气出气管12排至外界；
d、第一透明罐1在25～28℃下，使用3000lux光照强度的LED白光，以光暗比10h：14h～14h：10h(白天：黑暗)的条件下进行藻菌共生体的培养；同步对沼液、沼气进行净化处理。
在步骤1)的b中藻液中的微藻为小球藻或斜生栅藻中的一种；菌液中的真菌为灵芝菌或平菇菌或秀珍菇菌中的一种；藻液与菌液均在其生长对数期内进行混合。
在进入第二透明罐2之前，稀释沼液先通入臭氧进行灭菌，通入时间为6～8h，其TN为300～350mg/L、TP为30～45mg/L、COD为800～1000mg/L。
在进入第一透明罐1之前，沼气先通过0.22um的滤膜进行除菌，滤膜的组成为30～40％CO2,60～70％CH4。
灭菌沼气通过除菌原沼进气管6进入气体分布器3的流量范围是1.0～2.0L/d/L。
实施例1
(1)藻菌共生体的构建
灵芝菌与小球藻按照表1所示的混合比率，在改良的BG11培养基中，28℃培养温度下以不同的转速筛选优化藻菌共生体，结果发现灵芝菌与小球藻以1:20(×106cell/L)的混合比率，140rpm的转速下，形成3.4±0.3mm大小均匀的藻菌共生体。
表1藻菌共生体的构建优化条件
(2)藻菌共生体的驯化
将灵芝与小球藻形成的藻菌共生体按照表1的顺序加入到模拟沼液，28℃，140rpm下进行驯化培养，每种混合培养基质培养1天后进行下一步驯化，直到变成模拟沼液，继续培养2天。
(3)罐式光生物反应器的实验使用
将两个透明的玻璃罐体间的各管路以及各个出入口进行连接并检查气密性；完毕后往沼气入口以及沼液入口等管路通入120℃热蒸汽进行空罐灭菌20～30min，要保证罐体以及各管路都充分灭菌；沼液入口注入灭菌稀释沼液，达到罐体高度的1/2～2/3；沼气通过0.22um滤膜从沼气入口进入气体分布器3，并使其保持内部0.03～0.05MPa罐压；从接种口处按照20％的接种量接入优势藻菌共生体；在25～28℃下，使用3000lux光照强度的LED白光，以光暗比14h：10h(白天：黑暗)的条件下进行培养。沼气流量控制1.0L/天/L稀释沼液。采用上述的处理过程对沼液和沼气进行同步净化处理，结果如表2所示。其中，各污染物的去除率均高于80％，其中TN和TP的浓度降至城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)中的一级B标准，输出的沼气中甲烷的浓度提高至89.6％。
表2污染物去除情况
实施例2
(1)藻菌共生体的构建
灵芝菌与斜生栅藻以1:15(×106cell/L)的混合比率，在140rpm的转速下在改良的BG11培养基中，28℃培养温度下以不同的转速筛选优化藻菌共生体，结果发现灵芝菌与小球藻形成4.3±0.5mm大小均匀的藻菌共生体。
(2)藻菌共生体的驯化
将灵芝与斜生栅藻形成的藻菌共生体按照表1的顺序加入到模拟沼液，28℃，140rpm下进行驯化培养，每种混合培养基质培养1天后进行下一步驯化，直到变成模拟沼液，继续培养2天。
(3)罐式光生物反应器的实验使用
将两个透明的玻璃罐体间的各管路以及各个出入口进行连接并检查气密性；完毕后往沼气入口以及沼液入口等管路通入120℃热蒸汽进行空罐灭菌20～30min，要保证罐体以及各管路都充分灭菌；沼液入口注入灭菌稀释沼液，达到罐体高度的1/2～2/3；沼气通过0.22um滤膜从沼气入口进入气体分布器3，并使其保持内部0.05MPa罐压；从接种口处按照20％的接种量接入优势藻菌共生体；在25～28℃下，使用3000lux光照强度的LED白光，按照表4的光暗比条件下进行培养。沼气流量控制1.0L/天/L稀释沼液。采用上述的处理过程对沼液和沼气进行同步净化处理，结果如表3所示。其中，各污染物的去除率均高于68％，其中TN和TP的浓度降至城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)中的一级B标准，输出的沼气中甲烷的浓度提高至85.6％。
表3污染物去除情况
本罐式光生物反应器及其藻菌共生体同步净化沼气沼液方法具有以下优点：
1、本发明利用沼液培养藻菌共生体，使得沼液废水符合排放标准(GB18918-2002)，同时向光生物反应器中通入原纯度不高的沼气作为藻菌共生体的主要碳源，使其输出较高纯度的沼气；
2、将沼液的利用和沼气的净化集于一体，大大的提高了生产效率；
3、本发明利用气体分布器3基本解决了沼气与藻菌共生体在沼液中的部分传质问题；
4、LED灯4较节能，且设置在外部，解决了灭菌难以及灯管长时间开启导致热量散发以及温度不稳定的问题；
5、透明的设置可以使我们直接观察到反应器的内部情况；
6、本装置简单、可拆卸，且使用的各部件市场上都有，容易得到，耗费人力少，具有很好的市场推广性，对解决有机固体废弃物难处理的问题具有非常重要的意义。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了第一透明罐1；第二透明罐2；气体分布器3；LED灯4；藻菌接种管5；除菌原沼进气管6；流量计7；沼气回流管8；沼气采样口9；沼气供气管10；压力计11；沼气出气管12；沼液进液管13；沼液供液管14；沼液出液管15；回流气泵16等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.罐式光生物反应器的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法，罐式光生物反应器，包括作为光生物反应器的第一透明罐和作为气液回流器的第二透明罐，所述第一透明罐与第二透明罐均为封闭状态，其特征在于，所述第一透明罐内放置气体分布器，所述第一透明罐的外周安装若干用于提供光源的LED灯；由外界向所述第一透明罐的上部内腔伸入藻菌接种管，由外界向所述第一透明罐中的气体分布器伸入除菌原沼进气管，由所述第一透明罐的内腔向所述第二透明罐的内腔伸入沼气供气管，所述沼气供气管连通所述第一透明罐与第二透明罐的上部，由所述第二透明罐的内腔向所述第一透明罐的内腔伸入沼气回流管，所述沼气回流管上串接回流气泵，所述沼气回流管连通所述第一透明罐与第二透明罐的上部，由所述第二透明罐的上部内腔向外界伸出沼气出气管；由外界向所述第二透明罐的上部内腔伸入沼液进液管，由所述第二透明罐的内腔向所述第一透明罐的内腔伸入沼液供液管，所述沼液供液管连通所述第一透明罐与第二透明罐的底部，所述沼液供液管上分支出沼液出液管；其特征在于，藻菌共生体同步净化沼气沼液方法包括以下步骤：
1)、藻菌共生体的构建：
a、将BG11培养基加入2％的麦芽糖和0.5％的酵母膏搅拌均匀后形成改良BG11培养基；
b、将藻液和菌液按照1:10～1:30(×106cell/L)的混合比加入改良BG11培养基中进行混合培养，培养条件为25～28℃，2000～3000lux的光照强度，120～180rpm，pH＝6.5～8.5，培养4～5天，形成含有直径3～4mm的藻菌共生体的混合培养基；
2)、藻菌共生体的驯化：
a、将含有藻菌共生体的混合培养基加入到模拟废水溶液中，其TN为350mg/L、TP为45mg/L、COD为800mg/L，按照混合培养基(％)与模拟沼液(％)的比例范围：7﹕3～3﹕7，采取多项不同比例分别进行培养；
b、每种配比培养1～2天进行转接，最后得到驯化的藻菌共生体；
3)、罐式光生物反应器的准备工作：
a、将第一透明罐与第二透明罐通过各个管道相组装连接，检查气密性，确保罐体以及各管道可以形成一个密封体系；
b、由除菌原沼进气管、沼液进液管等管口通入120℃热蒸汽进行空罐灭菌20～30min，要保证罐体以及各管路都充分灭菌；
4)、罐式光生物反应器的实验过程：
a、从藻菌接种管处按照20％的接种量接入驯化的藻菌共生体；
b、灭菌稀释沼液通过沼液进液管进入第二透明罐内，通过沼液供液管进入第一透明罐内，达到罐体高度的1/2～2/3；
c、灭菌沼气通过除菌原沼进气管进入气体分布器，灭菌沼气通过气体分布器分散在第一透明罐中，再通过沼气供气管流入第二透明罐中，在回流气泵的带动下通过沼气回流管将部分沼气回流至第一透明罐中，使第一透明罐内保持内部0.03～0.05MPa的罐压，第二透明罐中的多余沼气最终通过沼气出气管排至外界；
d、第一透明罐在25～28℃下，使用3000lux光照强度的LED白光，以光暗比10h：14h～14h：10h(白天：黑暗)的条件下进行藻菌共生体的培养；同步对沼液、沼气进行净化处理。
2.根据权利要求1所述罐式光生物反应器的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法，其特征在于，在步骤1)的b中所述藻液中的微藻为小球藻或斜生栅藻中的一种；所述菌液中的真菌为灵芝菌或平菇菌或秀珍菇菌中的一种；所述藻液与菌液均在其生长对数期内进行混合。
3.根据权利要求1所述罐式光生物反应器的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法，其特征在于，在进入第二透明罐之前，稀释沼液先通入臭氧进行灭菌，通入时间为6～8h，其TN为300～350mg/L、TP为30～45mg/L、COD为800～1000mg/L。
4.根据权利要求1所述罐式光生物反应器的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法，其特征在于，在进入第一透明罐之前，沼气先通过0.22um的滤膜进行除菌，滤膜的组成为30～40％CO2,60～70％CH4。
5.根据权利要求1所述罐式光生物反应器的藻菌共生体同步净化沼气沼液方法，其特征在于，灭菌沼气通过除菌原沼进气管进入气体分布器的流量范围是1.0～2.0L/d/L。
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