CN107723242A

CN107723242A - 一种综合利用厨余垃圾发酵液培养微藻的方法

Info

Publication number: CN107723242A
Application number: CN201710753844.7A
Authority: CN
Inventors: 程艳玲; 田朝玉; 叶晓; 张恩祥; 于水波; 王晚晴; 华威; 孙少倩; 武双
Original assignee: Beijing Union University
Current assignee: Beijing Union University
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2018-02-23
Anticipated expiration: 2037-08-28
Also published as: CN107723242B

Abstract

一种综合利用厨余垃圾发酵液培养微藻的方法：将厨余垃圾发酵液的浓度调节为含NH₄‑N 500～2500mg/L，pH9～10；将磷酸盐和镁盐加入厨余垃圾发酵液中，NH₄‑N、PO₄ ^3‑和Mg²⁺的摩尔比为1∶(1.2～1.5)∶(1.2～1.5)，搅拌，室温放置12～24h，鸟粪石沉淀析出；混合物过滤，收集鸟粪石沉淀洗涤、烘干；将滤液调节为pH6～7，接种微藻，接种量为(3～4)×10⁶cells/mL，室温光照培养获得增量的微藻和净化水。鸟粪石可作为微藻培养基的组分再利用。该方法既可以降低污水中氮、磷、COD等主要污染物，又可利用发酵液中的营养收获高经济价值的微藻生物质。

Description

一种综合利用厨余垃圾发酵液培养微藻的方法

技术领域

本发明涉及利用污水培养微藻方法，具体涉及鸟粪石沉淀方法处理餐厨垃圾发酵液并利用鸟粪石和发酵液培养微藻的方法。

背景技术

餐厨垃圾是指餐厅、宾馆、家庭等场所在加工或消费食物过程之中产生的残羹剩饭、过期食品、下脚料、废料等，其特点是水分高、有机物含量高、易腐败，因此餐厨垃圾需要妥善处理，否则，极易污染环境，影响人们的健康生活。我国是餐饮大国，但同时我国人民在餐桌上的浪费现象也十分严重。据调查，我国每年产生的餐厨垃圾在9000万吨以上，浪费的食物蛋白质高达800万吨，相当于2.6 亿人一年的所需量。此外，我国的餐厨垃圾在城市生活垃圾中的比例较大，一些大型城市中餐厨垃圾所占比例高达57％，说明餐厨垃圾已成为我国的主要的垃圾来源之一。

关于餐厨垃圾的再利用，目前国内更多采用的是厌氧发酵法。餐厨垃圾的厌氧发酵是指在无氧条件下，利用微生物的代谢作用将复杂有机物分解为小分子有机物及无机物的过程。通过控制发酵条件和发酵程度可得到多种不同的产物，如高热值气体和有机酸等。厌氧发酵技术由于采用发酵罐体密闭反应，可有效避免恶臭气体散逸，减少二次污染。

厌氧发酵法虽然有优点众多，然而其缺点同样不容忽视，那就是餐厨垃圾发酵过程中会产生大量发酵液。这些发酵液就地消纳利用有一定难度；远距离输送能耗大、成本高；直接排放不但易使得氮、磷等营养元素的流失，又会造成二次污染，因此这些发酵液污水仍需后续处理。

相比其它污水，厌氧发酵液中碳水平较低，而COD、BOD和氮水平均很高。由于微生物的降解作用，发酵液中的氮主要以氨氮形式存在。目前，国内外处理厌氧发酵液主要方式有：高成本的工厂化处理方式(如A/O工艺、SBR工艺)、低成本的自然生态处理技术(如氧化塘系统)、资源化利用方式(如超滤、反渗透膜技术)等。虽然上述各种方法对发酵液的净化均有一定的效果，但是各种方法也存在某些缺点，比如发酵液的处理效率和效果以及运行成本和效益等问题，特别是忽视了对发酵液的资源化利用。因此开发低能耗、高效率、低成本的污水循环处理新技术成为水污染控制和水资源再利用的迫切需求。

微藻是自然界中分布广、种类多、数量庞大的微生物群之一，无论在海洋、湖泊等水域，或在潮湿的土壤、树干等处，几乎只要有光和水分的地方就有微藻生存。微藻具有对生长环境要求简单、不受季节控制、生长周期短、土地占用少等优点。然而过高的培养成本成为制约其产业化和降低其市场竞争性的因素之一。藻类在生长繁殖过程中，可以利用水中的一些有机物作为碳源、氮源和硫源来进行合成自身所需物质，所以藻类能降解农药、有机氯、碳氢化合物、酚类等有机化合物。利用污水进行微藻培养，一方面微藻能够将污水中过多的富营养物质作为营养源加以利用，有效降低污水中富营养物含量，起到净化污水的作用；另一方面，可将藻体作为生物质能源和化工工业的原料生产高附加值产品(如：生物柴油、生物基化学品等)。

发明内容

本发明提供一种利用鸟粪石沉淀方法净化餐厨垃圾发酵液，并利用生成的鸟粪石和发酵液培养微藻的方法。

为实现上述目的，本发明包括如下技术方案：

一种综合利用厨余垃圾发酵液培养微藻的方法，该方法包括如下步骤：

I.将厨余垃圾发酵液的浓度调节为含NH₄-N 500～2000mg/L，pH为9～10；将磷酸盐和镁盐加入厨余垃圾发酵液中，NH₄-N与加入的PO₄ ^3-和Mg²⁺的摩尔比为 1∶(1.2～1.5)∶(1.2～1.5)，充分搅拌，然后室温放置12～24h，鸟粪石沉淀析出；

II.将步骤I获得的混合物过滤，收集鸟粪石沉淀并用水洗涤、烘干备用；

III.将步骤II获得的滤液调节为pH 6～7，接种微藻，接种量为(3～4)×10⁶cells/mL，在室温光照培养箱放置7～14d；获得增量的微藻和净化水；

IV.将步骤II获得的鸟粪石作为提供NH⁴⁺、Mg²⁺和PO₄ ^3-的营养物质加入微藻培养基中，溶液中鸟粪石的加入量为2～3g/L，接种微藻，接种量为(3～4)×10⁶ cells/mL，在室温光照培养箱放置7～14d；获得增量的微藻。

如上所述的方法，优选地，所述磷酸盐为Na₂HPO₄·12H₂O、NaH₂PO₄、Na₃PO₄、 KH₂PO₄和/或K₂HPO₄。

如上所述的方法，优选地，所述镁盐为MgSO₄·7H₂O、MgCl₂和/或MgO。

如上所述的方法，优选地，所述微藻培养基为BG-11培养基：NaNO₃ 1.5g， K₂HPO₄·3H₂O 0.04g，MgSO₄·7H₂O 0.075g，CaCl₂·2H₂O 0.036g柠檬酸0.006g，柠檬酸铁铵0.006g，EDTA-Na₂ 0.001g，Na₂CO₃ 0.02g，A5溶液1ml，琼脂10g(限固体培养基)和蒸馏水919ml。

如上所述的方法，优选地，所述微藻为普通小球藻、椭圆小球藻、纤维藻或栅藻。

本发明的有益效果在于：该方法是利用餐厨垃圾发酵液培养微藻同时净化污水。在碱性条件下，加入镁盐、磷酸盐到高氨氮的餐厨垃圾发酵液中形成鸟粪石沉淀，从而将餐厨垃圾发酵液中的NH₄-N浓度降低到适于微藻生长的浓度(200mg/L左右)。pH、反应温度、镁盐和磷酸盐的加入量都会影响鸟粪石沉淀的形成，其中pH 值对反应的影响最大。然后在发酵液中接种微藻，微藻在繁殖过程中降解发酵液中的碳氢化合物和含氮化合物，净化水质同时收获微藻。此外，从污水中回收的鸟粪石可以代替人工培养基中的NaNO₃，K₂HPO₄和MgSO₄·7H₂O等营养盐并显著降低微藻养殖成本，实现了废物再利用。整个方法既可以降低污水中氮、磷、COD等主要污染物，处理后的水质达到国家中水排放标准，实现了餐厨垃圾发酵液污水净化，又可利用发酵液中的营养收获高经济价值的微藻生物质，变废为宝一举两得。

附图说明

图1为实验步骤(二)椭圆小球藻在STS污水培养过程中COD的变化曲线。

图2为实验步骤(二)椭圆小球藻在STS污水培养过程中TN(图2a)和NH₄-H (图2b)的变化曲线。

图3为实验步骤(二)椭圆小球藻在STS污水培养过程中TP的变化曲线。

图4为椭圆小球藻FACHB-1068在不同培养液中的生长曲线图。

图5为实验步骤(三)椭圆小球藻在5组实验中积累的生物量。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

一、实验材料：

(一)发酵液污水

发酵液污水中由北京环卫集团提供。其中的固体大颗粒先经沉降去除，并用双层滤纸进行抽滤，去除细小杂质。抽滤后的污水在4℃下保存，备用。

表1

(二)BG-11培养基

表2

(三)微藻

椭圆小球藻FACHB-1068。

二、实验步骤

(一)生成鸟粪石沉淀

根据污水中氨氮的浓度先后添加Na₂HPO₄·12H₂O和MgSO₄·7H₂O，使污水中的n(NH⁴⁺)∶n(Mg²⁺)∶n(PO₄ ^3-)＝1∶1.2∶1.2，然后将其在40℃水浴中放置0.5h，再于室温下放置一夜。第二天将发酵液污水在4000rpm下离心10min，将上清在高温高压下灭菌，取出放置到室温后用稀HCl将污水的pH调节为7.0±0.1，备用。此外，将析出的鸟粪石沉淀进行收集，用蒸馏水洗涤两次，然后在37℃下烘干至恒重，备用。

(二)污水培养小球藻

将处于对数生长期的椭圆小球藻FACHB-1068摇匀，在超净工作台中取出10 mL到15mL离心管中，在4000rpm下离心10min，然后回到超净工作台中，弃置上清并将沉淀的藻体用1mL灭菌的蒸馏水重悬，然后分别转入含50mL原污水(RS)和步骤(一)获得的分离鸟粪石沉淀后的污水(STS)以及BG-11培养基的三角瓶内，初始接种量为3.4×10⁶cells/mL，然后将三角瓶放置在25℃、光照度为50-60μmol photons m^-2s^-1、光暗比为16h：8h、转速为120rpm的振荡培养箱内培养。所有的实验均做2组平行。

每2天取一次水样，将水样离心(4000rpm，10min)，然后将上清进行稀释后用于COD、TN、NH₄-N和TP的测定。

(三)鸟粪石作为培养基成分培养小球藻

鸟粪石的成分为(NH₄)MgPO₄·6H₂O，因此可将步骤(一)回收的鸟粪石添加到BG-11培养基中，用其代替微藻培养基中的NH₄ ⁺、Mg²⁺和PO4^3-。按表3配制5 组培养基，其中组1是BG-11培养基，用作阳性对照；组2是除去了NH⁴⁺、Mg²⁺和PO₄ ^3-的BG-11培养基，视为阴性对照；组3、组4、组5是在组2的基础上分别添加630mg/L，1260mg/L和2520mg/L的鸟粪石。各组完成配制后高温高压灭菌，然后分别接入等量的椭圆小球藻FACHB-1068。接种方法和培养条件同上。所有的实验均做2组平行。

表3各组成分表(所有单位均为mg/L，除了A₅的单位是mL/L)

三、水质检测

(一)水质测定方法：COD的测定采用重铬酸盐法，参照HJ/T 399-2007；TN 的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，参照HJ 636-2012；NH₄-N的测定采用测定采用纳氏试剂比色法，参照HJ 535-2009；TP的测定采用采用钼酸铵分光光度法，参照GB 11893-89。

(二)微藻生物量的测定：微藻生物量的测定采用细胞计数法，每2天取藻液进行稀释，取20μL滴到细胞计数板上，盖上盖玻片后置于光学显微镜下计数，计算公式为：细胞个数/ml＝总计数×10⁴×稀释倍数。

四、检测结果

(一)实验步骤(一)前后污水水质的参数

表4不同污水的水质参数

表4列出了原发酵液污水(RS)和分离鸟粪石沉淀后的污水(STS)水质参数。从中可以看出分离鸟粪石沉淀后，污水中TN和NH₄-N由于形成了沉淀而大幅降低；此外，灭菌过程中的高温也会导致NH₄-N浓度的进一步降低。和RS相比， STS中的TN和NH₄-N分别下降了84.1％和87.9％。另外，鸟粪石处理也导致 COD从2185mg/L变成了1878mg/L，减少了19.5％。而另一方面，由于加入了过量的Na₂HPO₄·12H₂O，所以STS中的TP含量相较RS反而上升了，达到了111mg/L。

(二)实验步骤(二)中STS污水水质参数

1.STS污水的COD浓度

图1是小球藻对STS中COD的去除效果图。从中可以看出，在培养前期(2 天内)COD明显降低，然后COD浓度变化很小，只在一个小范围内波动。

2.STS污水的TN、NH₄-N浓度

图2为实验步骤(二)小球藻在STS污水培养过程中TN(图2a)和NH₄-H(图 2b)的变化曲线。从图2可知，TN浓度在培养期内一直在降低，到第4天时剩余 TN为102mg/L，已经去除了一半的TN。到培养期结束，总共有66.7％的TN被除去。同样，NH₄-N浓度随着培养期的延长也呈持续下降的趋势，最终NH₄-N浓度降低至2.5mg/L，去除率达到了98.3％。

3.STS污水的TP浓度

图3显示，TP随着培养时间增长而下降。在前8d中，TP下降地十分迅速，而后其下降速度有所放缓。到第14d，剩余TP为24mg/L，去除率为78.4％。

以上结果表明，经过鸟粪石沉淀和微藻培育，发酵液污水中COD、TN和NH₄-H 的总去除率分别为32.4％、94.7％和99.8％，都有了明显的降低，尤其是NH₄-H，从刚开始的1230mg/L降至2.5mg/L，近乎于完全去除。而由于第一步时添加了过量的PO₄ ^3-，尽管在第二步时微藻又消耗了水体中部分TP，但其最终TP仍和原污水中的浓度相持平。如果培养时间延长，TP有可能会进一步降低。

4.椭圆小球藻FACHB-1068在不同培养液中的生长

图4是小球藻在不同培养液中的生长曲线图。如图4所示，小球藻在RS中基本不生长，其最高生物量仅为4.1×10⁶cells/mL，和初始接种量3.4×10⁶cells/mL相比并无明显增加。

小球藻在STS中生长有一个4d的滞后期，然后其生长速度才加快并持续了6 d，所积累的生物量甚至超过了在BG-11培养基中的小球藻。在第12d小球藻在 STS中获得的最高生物量，为3.8×10⁷cells/mL。说明原发酵液污水分离鸟粪石沉淀后更适合于微藻的养殖。

虽然BG-11中小球藻的生物量曾被STS中的小球藻超过，但其最终积累量还是高于STS中的生物量。这可能是由于STS的光透过性较低，因为STS经过鸟粪石沉淀之后其中还有很多的细小颗粒物，导致STS还有很高的浑浊度，所以小球藻的光合作用并没有BG-11中的充分。此外，STS中仅有少量有机物可供小球藻利用，小球藻不能以兼性营养的方式生长，即不能以更高效的方式积累生物量，因而其生物量的也就没有BG-11中的高。

5.鸟粪石再利用效果

实验步骤(三)中鸟粪石作为培养基成分培养小球藻，经过14d的培养，小球藻在5组实验中积累的生物量如图5所示。生物量从低到高排列顺序是：组2＜组3＜组4＜组5＜组1。阴性对照组(组2)中的小球藻个数最少，说明NH₄ ⁺， PO₄ ³⁺和Mg²⁺是小球藻生长所必需的。组3、组4、组5的生物量均高于阴性对照且生物量随着鸟粪石添加量的增加而增加，说明鸟粪石对小球藻的生长有促进作用，并且最高添加量(2520mg/L)的鸟粪石还没有过量，不会抑制小球藻生长。

以上结果说明鸟粪石可以代替BG-11培养基中的NaNO₃，K₂HPO₄和 MgSO₄·7H₂O，并且由于鸟粪石是从发酵液污水中回收而来，其价格要比NaNO₃， K₂HPO₄和MgSO₄·7H₂O这些营养盐要低很多，所以使用回收鸟粪石代替BG-11培养基中部分营养盐会大幅降低微藻养殖成本。

五、结论

上述实验结果说明，经鸟粪石沉淀后的污水适合于小球藻的生长，在净化污水的同时能积累大量生物量。此外，从污水中回收的鸟粪石沉淀可以代替人工培养基中的NaNO₃，K₂HPO₄和MgSO₄·7H₂O等营养盐并显著降低微藻养殖成本，实现了废物再利用。因此该方法具有推广应用价值。

Claims

1.一种综合利用厨余垃圾发酵液培养微藻的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

I.将厨余垃圾发酵液的浓度调节为含NH₄-N 500～2500mg/L，pH为9～10；将磷酸盐和镁盐加入厨余垃圾发酵液中，NH₄-N与加入的PO₄ ^3-和Mg²⁺的摩尔比为1∶(1.2～1.5)∶(1.2～1.5)，充分搅拌，然后室温放置12～24h，鸟粪石沉淀析出；

IV.将步骤II获得的鸟粪石作为提供NH⁴⁺、Mg²⁺和PO₄ ^3-的营养物质加入微藻培养基中，溶液中鸟粪石的加入量为2～3g/L，接种微藻，接种量为(3～4)×10⁶cells/mL，在室温光照培养箱放置7～14d；获得增量的微藻。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷酸盐为Na₂HPO₄·12H₂O、NaH₂PO₄、Na₃PO₄、KH₂PO₄和/或K₂HPO₄。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镁盐为MgSO₄·7H₂O、MgCl₂和/或MgO。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤IV微藻培养基为BG-11培养基：NaNO₃1.5g，K₂HPO₄·3H₂O 0.04g，MgSO₄·7H₂O 0.075g，CaCl₂·2H₂O 0.036g柠檬酸0.006g，柠檬酸铁铵0.006g，EDTA-Na₂ 0.001g，Na₂CO₃ 0.02g，A5溶液1ml和蒸馏水919ml。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤IV微藻培养基为BG-11培养基：NaNO₃1.5g，K₂HPO₄·3H₂O 0.04g，MgSO₄·7H₂O 0.075g，CaCl₂·2H₂O 0.036g柠檬酸0.006g，柠檬酸铁铵0.006g，EDTA-Na₂ 0.001g，Na₂CO₃ 0.02g，A5溶液1ml，琼脂10g和蒸馏水919ml。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述微藻为普通小球藻、椭圆小球藻、纤维藻或栅藻。