CN109136082B - 一种微藻和甲烷氧化菌共生强化沼气制取生物油脂的膜生物反应器和菌藻共生体系 - Google Patents

一种微藻和甲烷氧化菌共生强化沼气制取生物油脂的膜生物反应器和菌藻共生体系 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微藻和甲烷氧化菌共生强化沼气制取生物油脂的膜生物反应器和菌藻共生体系，所述膜生物反应器包括液相室、气相室、防水透气平板膜、光照系统和用于气压检测和气流控制的气体控制系统、反应器本体，防水透气平板膜设置于反应器本体内部，将其内部空间分隔为上下两部分，上部空间为透明且能实现密闭的液相室，下部空间为能实现密闭的气相室，光照系统设置在液相室的上方，气体控制系统与气相室连接。本发明提供的反应器建立了甲烷氧化菌和微藻的共生体系，二者分别利用沼气中含有的甲烷和二氧化碳，紧密联系了二氧化碳循环和氧循环，不依赖其他营养物质的添加，产生高附加值的生物油脂并同时去除废水中的氮磷。

Description

一种微藻和甲烷氧化菌共生强化沼气制取生物油脂的膜生物 反应器和菌藻共生体系
技术领域
本发明属于水处理和可再生能源领域，具体涉及一种微藻和甲烷氧化菌共生强化沼气制取生物油脂的膜生物反应器和菌藻共生体系。
背景技术
沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体，其中主要包含50％～70％的甲烷和30％～50％的二氧化碳。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。但沼气中二氧化碳的存在降低了沼气的热值，影响了沼气的直接利用效率，而经过分离去除二氧化碳等不可燃气体来提高燃烧热值，将导致成本提升。微藻结构简单，光合效率高，培养周期短，微藻经过光合作用，利用二氧化碳生成氧气，同时去除水体中氮、磷等营养元素，并且藻类细胞中所含有的蛋白质、碳水化合物、油脂等成分具有极大的开发利用价值。
甲烷氧化菌，是以甲烷作为唯一碳源和能源进行同化和异化代谢的微生物，其利用甲烷做电子供体，氧气做电子受体，代谢氧气和甲烷合成自身细胞。
防水透气膜是一种新型的高分子材料，具有只防水透气的特点，气体可以通过膜孔渗透到另一侧，而液体则不能通过膜孔，因此，防水透气膜在水的生物处理领域得到了关注，生物膜附着在膜表面，膜另一侧的气体可直接渗透通过膜孔被生物利用，增强了气液传质的过程，提高了气体利用率。
发明内容
本发明的目的是提供一种微藻和甲烷氧化菌共生强化沼气制取生物油脂的膜生物反应器。
本发明的另一个目的是提供一种利用所述的膜生物反应器制备生物油脂的方法。
本发明的最后一个目的是提供一种依附所述的膜生物反应器的菌藻共生体系。
技术方案：本发明所述微藻和甲烷氧化菌共生强化沼气制取生物油脂的膜生物反应器，包括液相室、气相室、防水透气平板膜、光照系统和用于气压检测和气流控制的气体控制系统、反应器本体，防水透气平板膜设置于反应器本体内部，将其内部空间分隔为上下两部分，上部空间为透明且能实现密闭的液相室，下部空间为能实现密闭的气相室，光照系统设置在液相室的上方，气体控制系统与气相室连接。
所述液相室和气相室通过法兰连接。
所述液相室设有进水口和出水口，并配有阀门，用于液体(营养液)更换。
所述液相室材质为玻璃，壁厚不超过2cm，高度不超过10cm，可保证微藻甲烷氧化菌共生生物膜拥有充足的光照。所述玻璃优选为有机玻璃。
所述气相室材质为玻璃，优选为有机玻璃。
所述防水透气平板膜为透气不透水的疏水性膜材料，膜材料为聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯(PE)中的一种或多种，膜厚度为100～500微米，孔径0.05～0.25微米。所述防水透气平板膜透气层朝向气相室。气相室内的沼气可以通过防水透气平板膜的膜孔进入液相室被微藻甲烷氧化菌共生生物膜利用，而液相室内液体则不会泄露。
所述光照系统可控制光照强度和光照时间，为具有定时和光强控制功能的LED灯，光照系统和液相室的相对距离不超过1m。定时模式为间歇12h开12h，光照强度为2000～10000LUX，提供了适合微藻生长的光照模式。
所述气体控制系统包含气压检测和气流控制功能，通过通气管和气相室连接，可进行气相室内气体交换，并控制气相室压力为0～0.01MPa。通气管用于排出空气，通进沼气，通气管的启闭由气体控制系统控制，气体控制系统保证气相室内为沼气，气压为0～0.01MPa。
液相室和气相室两者与防水透气平板膜的连接处均采用硅胶垫实现密闭隔离。硅胶垫可保证液相室、气相室的密封性。
利用所述的膜生物反应器制备生物油脂的方法，包括以下步骤：
液相室(1)加含氮磷的废水、微藻和甲烷氧化菌种，气相室(2)加沼气，利用光照系统(5)，富集培养，产生生物油脂；取富集培养后的含有生物油脂的微藻甲烷氧化菌共生生物膜(4)，采用氮气吹脱的方式回收含油生物膜，经超声波细胞破碎、提取，即得生物油脂。
优选地，所述的膜生物反应器制备生物油脂的方法，包括以下步骤：
a、向液相室中加入含氮磷的废水，并接种微藻和甲烷氧化菌种，向气相室中通入沼气；
b、开启光照系统，富集培养，产生生物油脂；
微藻通过光合作用，利用沼气中的二氧化碳和废水中的氮磷，合成藻体自身细胞，释放出氧气，产生生物油脂。甲烷氧化菌利用微藻生成的氧气和沼气中的甲烷，实现生物量积累，并为微藻提供营养物质。
c、取富集培养后的含有生物油脂的微藻甲烷氧化菌共生生物膜，采用氮气吹脱的方式回收含油生物膜，经超声波细胞破碎、提取，即得生物油脂。
优选地，所述的膜生物反应器制备生物油脂的方法，还包括以下步骤：
a、向气相室(2)中通入沼气，开启光照系统(5)；
b、向液相室(1)中加入微藻和甲烷氧化菌种，并添加培养液(培养液成分及含量为：硝酸钾0.20g/L，磷酸二氢钾0.1g/L，七水合硫酸镁0.05g/L，氯化钙0.01g/L，氯化钠0.0lg/L，微量营养元素1mL/L；微量营养元素成分为(g/L)：EDTA 5.00、氯化铜0.10、硫酸亚铁2.00、硫酸锌0.10、氯化镍0.02、氯化钴0.20、钼酸钠0.03)，静置富集培养，等待生物膜形成；
c、向液相室(1)中加入含氮磷的废水，生物膜利用废水中营养元素，增加生物量并产生生物油脂；
d、取富集培养后的含有生物油脂的微藻甲烷氧化菌共生生物膜(4)，采用氮气吹脱的方式回收含油生物膜，经超声波细胞破碎、提取，即得生物油脂。
所述微藻为小球藻、栅藻或微绿球藻等具有脱氮除磷能力和高产油脂能力的藻种。
所述甲烷氧化菌种为Type I型甲烷氧化菌和Type II型甲烷氧化菌中的一种或两者的混合物。
所述富集培养条件为气相室压力为0～0.01MPa，光照系统光照强度为2000～10000LUX，光照间歇12h开12h。
所述微藻甲烷氧化菌共生生物膜生长在防水透气平板膜表面，靠近液相室一侧。
所述提取为利用有机溶剂提取油脂。所述有机溶剂优选为氯仿和甲醇组成的混合溶剂，更优选为氯仿和甲醇以体积比2∶1混合的混合溶剂。
依附所述的膜生物反应器的菌藻共生体系，在光照系统开启状态下，液相室中放置含氮磷的废水，并接种了微藻和甲烷氧化菌种，气相室中放置沼气，形成所述菌藻共生体系。
与现有技术相比，本发明构建了甲烷氧化菌和微藻的共生体系，联系了碳循环和氧循环，可充分利用沼气中的甲烷和二氧化碳。具体途径包括：液相室内加有含氮磷废水，甲烷氧化菌和微藻在膜材料表面聚集形成较高细胞密度的生物膜，气相室内沼气含有的二氧化碳渗透到液相室，被微藻通过光合作用利用，并生成氧气；甲烷氧化菌利用沼气中的甲烷和微藻产生的氧气，并释放二氧化碳，进一步被微藻利用；甲烷氧化菌的代谢产物和废水中的氮磷为微藻提供了营养元素，促进微藻合成生物油。
有益效果：本发明提供的反应器建立了甲烷氧化菌和微藻的共生体系，二者分别利用沼气中含有的甲烷和二氧化碳，紧密联系了二氧化碳循环和氧循环，不依赖其他营养物质的添加，产生高附加值的生物油脂并同时去除废水中的氮磷。
附图说明
图1为本发明膜生物反应器的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种微藻和甲烷氧化菌共生强化沼气制取生物油脂的膜生物反应器，如图1所示，包括反应器本体9、液相室1、气相室2、防水透气平板膜3、光照系统5和用于气压检测和气流控制的气体控制系统6。防水透气平板膜3设置于反应器本体9内部，将其内部空间分隔为上下两部分，上部空间为透明且能实现密闭的液相室1，下部空间为能实现密闭的气相室2。
液相室1为透明有机玻璃材质，壁厚5mm，直径20cm，高5cm，可保证生物膜拥有充足的光照。液相室1外接直径10mm进水管7和出水管8，并配有球阀，用于更换营养液。气相室2为有机玻璃材质，壁厚5mm，直径20cm，高5cm。气相室2和液相室1以法兰形式连接。防水透气平板膜3为PTFE材质，孔径0.1微米，直径25cm。防水透气平板膜3具有只透气不透水的功能，气相室内的沼气可以通过膜孔进入液相室被生物膜利用，而液相室内液体则不会泄露。防水透气平板膜3两侧各有一片2mm厚硅胶垫，硅胶垫为圆环形状，外径25cm，内径20cm，硅胶垫和防水透气膜3也通过法兰压紧，保证气相室和液相室的密闭。
光照系统5为LED灯，设置在液相室1的上方，和液相室距离30cm。光照系统5具有定时开启功能和光强控制功能，可调节光强控制在2000～10000LUX，定时功能保证12个小时的光照和12个小时的间隙，提供了适合微藻生长的光照模式。
气体控制系统6和气相室2通过通气管连接，通气管用于排出空气，通进沼气，通气管的启闭由气体控制系统6控制。气体控制系统6保证气相室内为沼气，气压为0～0.01MFa。
利用所述的膜生物反应器制备生物油脂的方法，包括以下步骤：
a、组装如上所述的反应器，打开进水管7和出水管8所配球阀，利用蠕动泵从进水管泵入人工配置的模拟生活污水，其中氨氮含量50mg/L，总磷含量10mg/L，并添加有其他微生物生长必须的微量营养元素。待液相室1内充满模拟生活污水后，停止蠕动泵运行，关闭进水管7和出水管8所配球阀。
打开进水管7所配球阀，利用注射器加入处于对数生长期的甲烷氧化菌菌液1mL、小球藻藻液1mL，关闭进水管7所配球阀。
开启气体控制系统6，往气相室2内充入二氧化碳含量30％的沼气(剩余为甲烷)，保证气相室2内气压0.001Mpa。
b、打开光照系统5，设定光照启闭周期12h/12h，30cm处光照强度2500LUX。
将上述反应器置于20～25℃环境中，培养7天后，关闭光照系统、气压控制系统，打开出水管，利用蠕动泵排出液相室内液体。
c、打开法兰连接，小心取出附着了生物膜的防水透气膜。采用氮气吹脱的方式回收含油生物膜，超声波细胞破碎后，利用氯仿甲醇(体积比2∶1)混合溶剂提取油脂。
依附所述的膜生物反应器的菌藻共生体系：
在光照系统开启状态下(设定光照启闭周期12h/12h，30cm处光照强度2500LUX)，液相室中放置人工配置的模拟生活污水，其中氨氮含量50mg/L，总磷含量10mg/L，并添加有其他微生物生长必须的微量营养元素，并接种了处于对数生长期的甲烷氧化菌菌液1mL、小球藻藻液1mL，气相室中放置二氧化碳含量30％的沼气(剩余为甲烷)，形成菌藻共生体系。
实施例2：
一种微藻和甲烷氧化菌共生强化沼气制取生物油脂的膜生物反应器，如图1所示，包括反应器本体9、液相室1、气相室2、防水透气平板膜3、光照系统5和用于气压检测和气流控制的气体控制系统6。防水透气平板膜3设置于反应器本体9内部，将其内部空间分隔为上下两部分，上部空间为透明且能实现密闭的液相室1，下部空间为能实现密闭的气相室2。
液相室1为透明有机玻璃材质，壁厚3mm，长20cm，宽10cm，高5cm，可保证生物膜拥有充足的光照。液相室1外接直径10mm进水管7和出水管8，并配有球阀，用于更换营养液。气相室2为有机玻璃材质，壁厚3mm，长20cm，宽10cm，高5cm。气相室2和液相室1以法兰形式连接。防水透气膜3为PVDF材质，孔径0.05微米，长25cm，宽15cm。防水透气平板膜3具有只透气不透水的功能，气相室内的沼气可以通过膜孔进入液相室被生物膜利用，而液相室内液体则不会泄露。防水透气膜两侧各有一片1mm厚硅胶垫，硅胶垫为长方形环状，长25cm，宽15cm，环宽度2.5cm，硅胶垫和防水透气膜3也通过法兰压紧，保证气相室和液相室的密闭。
光照系统5为LED灯，设置在液相室1的上方，和液相室距离30cm。光照系统5具有定时开启功能和光强控制功能，可调节光强控制在2000～10000LUX，定时功能保证12个小时的光照和12个小时的间隙，提供了适合微藻生长的光照模式。
气体控制系统6和气相室2通过通气管连接，通气管用于排出空气，通进沼气，通气管的启闭由气体控制系统6控制。气体控制系统6保证气相室内为沼气，气压为0～0.01MPa。
利用所述的膜生物反应器制备生物油脂的方法，包括以下步骤：
组装如上所述的反应器，开启气压控制系统，往气相室内充入二氧化碳含量30％的沼气(剩余为甲烷)，保证气相室内气压0.001Mpa。打开光照系统，设定光照启闭周期12h/12h，30cm处光照强度2500LUX。
打开进水管7所配球阀，利用注射器加入处于对数生长期的甲烷氧化菌菌液lmL、小球藻藻液1mL，并添加100mL培养液，培养液成分及含量为：硝酸钾0.20g/L，磷酸二氢钾0.1g/L，七水合硫酸镁0.05g/L，氯化钙0.0lg/L，氯化钠0.01g/L，微量营养元素1mL/L；微量营养元素成分为(g/L)：EDTA 5.00、氯化铜0.10、硫酸亚铁2.00、硫酸锌0.10、氯化镍0.02、氯化钴0.20、钼酸钠0.03。关闭进水管7所配球阀，静置培养1天，等待生物膜形成。
配置桶装人工配置的模拟生活污水，容积5L，其中氨氮含量50mg/L，总磷含量10mg/L，并添加有其他微生物生长必须的微量营养元素。打开进水管7和出水管8所配球阀，利用蠕动泵从进水管连续泵入人工配置的模拟生活污水，流量1mL/min，出水口接出水桶。定期更换补充进水桶内模拟生活污水。
将上述反应器置于20～25℃环境中，培养7天后，关闭光照系统、气压控制系统，关闭模拟废水进水，打开出水管，利用蠕动泵排出液相室内液体。
打开法兰连接，小心取出附着了生物膜的防水透气膜。采用氮气吹脱的方式回收含油生物膜，超声波细胞破碎后，利用氯仿甲醇(体积比2：1)混合溶剂提取油脂。
依附所述的膜生物反应器的菌藻共生体系：
在光照系统开启状态下(设定光照启闭周期12h/12h，30cm处光照强度2500LUX)，液相室中放置人工配置的模拟生活污水，容积5L，其中氨氮含量50mg/L，总磷含量10mg/L，并添加有其他微生物生长必须的微量营养元素，并接种了处于对数生长期的甲烷氧化菌菌液1mL、小球藻藻液1mL，气相室中放置二氧化碳含量30％的沼气(剩余为甲烷)，形成菌藻共生体系。

Claims (10)

1.一种微藻和甲烷氧化菌共生强化沼气制取生物油脂的膜生物反应器，其特征在于，包括液相室（1）、气相室（2）、防水透气平板膜（3）、微藻甲烷氧化菌共生生物膜（4）、光照系统（5）和用于气压检测和气流控制的气体控制系统（6）、反应器本体（9），微藻甲烷氧化菌共生生物膜（4）附着在防水透气平板膜（3）上，所述微藻用于制取生物油脂，防水透气平板膜（3）设置于反应器本体（9）内部，将其内部空间分隔为上下两部分，上部空间为透明且能实现密闭的液相室（1），液相室（1）设有进水管（7）和出水管（8），下部空间为能实现密闭的气相室（2），气相室（2）设有通气口，光照系统（5）设置在液相室（1）的上方，气体控制系统（6）与气相室（2）连接。
2.根据权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于，所述液相室（1）材质为玻璃，壁厚不超过2cm，高度不超过10cm。
3.根据权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于，所述防水透气平板膜（3）为聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚乙烯中的一种或多种，膜厚度为100~500微米，孔径0.05~0.25微米。
4.根据权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于，所述光照系统（5）为具有定时和光强控制功能的LED灯，光照系统（5）和液相室（1）的相对距离不超过1m。
5.根据权利要求1所述的膜生物反应器，其特征在于，液相室（1）和气相室（2）两者与防水透气平板膜（3）的连接处均采用硅胶垫实现密闭隔离。
6.利用权利要求1~5任意一项所述的膜生物反应器制备生物油脂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
液相室（1）加含氮磷的废水、微藻和甲烷氧化菌种，气相室（2）加沼气，利用光照系统（5），富集培养，产生生物油脂；取富集培养后的含有生物油脂的微藻甲烷氧化菌共生生物膜（4），采用氮气吹脱的方式回收含油生物膜，经超声波细胞破碎、提取，即得生物油脂。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述微藻为小球藻、栅藻或微绿球藻。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述甲烷氧化菌种为Type I型甲烷氧化菌和Type II型甲烷氧化菌中的一种或两者的混合物。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述富集培养条件为气相室（2）压力为0~0.01MPa，光照系统（5）光照强度为2000~10000LUX，光照间歇12h开12h。
10.依附权利要求1~5任意一项所述的膜生物反应器的菌藻共生体系，其特征在于，在光照系统（5）开启状态下，液相室（1）中放置含氮磷的废水，并接种了微藻和甲烷氧化菌种，气相室（2）中放置沼气，形成所述菌藻共生体系。
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