CN109650555B

CN109650555B - 一种利用微藻处理含磷废水的方法

Info

Publication number: CN109650555B
Application number: CN201910041945.0A
Authority: CN
Inventors: 周丹丹; 闫阁; 付亮; 谢雨彤; 赵振豪
Original assignee: Northeast Normal University
Current assignee: Northeast Normal University
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2039-01-17
Also published as: CN109650555A

Abstract

本发明涉及一种利用微藻处理含磷废水的方法：1.选取处于对数生长期的微藻作为种源，控制初始细胞密度>0.5×10⁶cells/mL；2.微藻自养培养条件为：温度20‑32℃，光照2,000‑20,000Lux，光暗周期10‑24h:14‑0h；3.含磷废水PO₄ ^3‑‑P≤50mg/L时含磷废水一次添加；含磷废水PO₄ ^3‑‑P>50mg/L时分批次投加含磷废水，投加时间点均匀分布于培养周期内，每次投加后保证磷浓度最大值<100mg/L。本发明实现了将磷浓度较高的废水直接用于微藻的培养，避免高浓度底物引起的渗透或毒性作用，保证微藻生长周期内对营养物质的需求，不需要补充有机碳源，微藻还可回收利用。

Description

一种利用微藻处理含磷废水的方法

技术领域

本发明属于含磷废水的生物处理领域，具体涉及一种利用微藻处理含磷废水的方法。

背景技术

磷是生物生长所需的主要营养元素，也是水体富营养化的重要指标。当水体中磷含量超过20mg/L，藻类迅速地生长繁殖并漂浮于水面形成一层蓝绿色或红黄色的水花或薄膜，即藻类水华现象，从而导致水中溶解氧降低、藻毒素等有机物质释放，使水体浑浊恶臭、水质严重下降，甚至造成饮用水安全隐患。由于工农业生产的发展和人口的增加，出现含磷农药和农肥的大量使用，导致水体磷污染日益严重的问题。地表水中磷污染有相当一部分来自于工农业生产活动，如磷矿开采加工、磷肥生产、制药工业、禽畜养殖等工农业生产中产生大量的含磷废水，其中磷的主要存在形式是磷酸根(PO₄ ^3-)，其浓度范围在3-300mg/L。我国《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中磷酸盐(以P计)的一级标准为≤0.5mg/L，二级标准≤1.0mg/L，环保部门要求废水进入城市污水管网前必须达到二级标准。

如何有效地降低污水中的磷含量、减轻环境负荷已经引起了业界专业人士的高度关注。含磷废水的处理方法分为物化法和生物法。物化法的缺陷是需要投加化学药剂、制备特殊材料和外加电能等，导致除磷费用较高，并产生二次污染。目前，生物法与物化方法相比可降低含磷废水的处理成本，其主要利用聚磷菌“好氧吸磷厌氧释磷”的特性，通过排泥实现除磷目的，但是排放的剩余污泥仍然需要后续处置。

微藻通过光合作用利用CO₂自养生长的同时吸收氮和磷等营养物质，是一种适应能力很强的单细胞微生物，是制备生物柴油的绝佳原料。微藻正常培养过程中，磷浓度为5.4mg/L，当环境中的磷过量(≤45mg/L)时，微藻细胞吸收过量的磷并将其转化成多聚磷酸盐(聚磷，Poly-P)储存在细胞内。由于聚磷富含储存能量的磷酸酐键，可以为细胞生长和油脂合成提供额外的能量。因此，磷过量对微藻的生长代谢具有积极的促进作用。然而，采用磷过量策略势必会增加微藻培养成本，将含磷废水作为过量磷的来源，不仅可以降低微藻培养成本，同时实现含磷废水的资源化。所以，近年来研究者普遍认为将微藻培养与废水处理相结合是降低生物柴油成本、实现废水资源化的有效途径。

但实际应用时存在如下难以实现的问题：一、研究发现高浓度的磷(≥150mg/L)具有细胞毒性，通过与胞内组分结合破坏细胞器，从而抑制微藻细胞生长。实际含磷废水中，磷浓度高达300mg/L以上；二、在常规的微藻培养方法中，在细胞密度较低的初始阶段加入高浓度的营养物质，会产生一定抑制作用；随着细胞数量增加和营养物质消耗，导致后期高密度细胞营养物质供给不足，同样不利于细胞生长代谢，营养物质的供需不平衡导致微藻生长和脂质积累难以达到最优状态。三、微藻的自养生长速率相对较低，易受到光照、温度、pH、CO₂浓度和气液传质效率等多种因素的影响。

基于上述原因，含磷废水，尤其是磷浓度较高的废水不能直接用于微藻的培养。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种利用微藻处理含磷废水的方法，实现了将含磷废水尤其是磷浓度较高的废水直接用于微藻的培养，有效避免高浓度底物引起的渗透或毒性作用，并充分保证微藻生长周期内对营养物质的需求，不需要补充有机碳源，微藻还可回收利用，实现了废水资源化。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种利用微藻处理含磷废水的方法，其步骤如下：

1.选取处于对数生长期的微藻作为种源，将其接种至自养培养体系，控制初始细胞密度>0.5×10⁶cells/mL；

2.在温度20-32℃，光照2,000-20,000Lux，光暗周期10-24h:14-0h的条件下进行微藻的自养培养；

3.当含磷废水PO₄ ^3--P≤50mg/L时，直接一次性将含磷废水添加到微藻培养体系；当含磷废水PO₄ ^3--P>50mg/L时，在微藻培养周期内分批多次投加含磷废水，投加时间点均匀分布于培养周期内，每次投加后保证磷浓度最大值<100mg/L；

4.监测磷浓度变化及其去除情况，含磷废水浓度达标排放；同时测定微藻生物量、油脂含量、油脂组分，回收微藻。

本发明另一个目的是提供一种封闭式光合自养培养装置，实现自动调节装置控制光照、温度、pH、补料，通过搅拌和气体分散器促进气液传质，包括反应器主体15、光照装置8、光照调节控制系统9、搅拌转子6、搅拌机温控装置7、气体混合装置3和气体分散器5，所述的光照装置8设置在反应器主体15的两侧，光照装置8与光照调节控制系统9控制连接，所述的反应器主体15的下端设置有搅拌机温控装置7，所述的搅拌及温控装置7上端安装有搅拌转子6，搅拌转子6位于反应器主体15内部，反应器主体15的内部设置有pH探头12，pH探头12与反应器主体15外部的pH在线监测及调节系统13控制连接，反应器主体15的入口上设置有进料口10，进料口10与自动补料装置11连通，反应器主体15的入口连接有排气管16，排气管16与尾气吸收装置17连接，所述的反应器主体15内部设置有气体分散器5，所述的气体分散器5与气体混合装置3连通，气体分散器5与气体混合装置3之间的管路上设置有气体除菌净化器4，气体混合装置3上连接有气体流量调节阀1和气体流量计2。封闭式光合自养培养装置能够克服敞开式系统存在的细胞密度低、易污染、水分蒸发、CO₂供给不足、受环境影响较大等缺点，其培养条件稳定且可精确控制、可进行无菌操作有效防止污染、占地面积小、易于高密度培养、藻细胞更易于收获。

本发明还有一个目的是提供一种基于上述封闭式光合自养培养装置的微藻处理含磷废水方法，步骤如下：

1.选取处于对数生长期的微藻作为种源，通过取样口将微藻接种至封闭式光合自养系统的反应器主体内，初始细胞密度>0.5×10⁶cells/mL；

2.双方向植物灯采光，光照强度2,000-20,000Lux，光暗周期10-24h:14-0h，采用CO₂和空气的混合气进行曝气，两者的体积比为1-20％，每升培养基的通气量为0.05-1L/min，温度范围为20-32℃，溶液搅拌速度200-500rpm，通过pH在线监测及调节系统控制液相pH为6.5-7.5；

3.设定自动补料装置的补料体积和时间，经过进料口向反应器主体内添加含磷废水，当含磷废水PO₄ ^3--P≤50mg/L时，在微藻培养初期直接一次性将含磷废水添加到微藻培养体系；当含磷废水PO₄ ^3--P>50mg/L时，在微藻培养周期内分批多次投加含磷废水，投加时间点均匀分布于培养周期内，保证磷浓度最大值<100mg/L。

4.监测磷浓度变化及其去除情况，含磷废水浓度达标排放；测定微藻生物量、油脂含量和油脂组分，回收的微藻可用于制备生物柴油。

本发明的有益效果如下：

本发明解决了含磷废水、尤其是磷浓度较高的废水不能直接用于微藻的培养的问题。有效避免了高浓度底物引起的渗透或毒性作用，并充分保证微藻生长周期内对营养物质的需求，不需要补充有机碳源，微藻还可回收利用，实现了废水资源化。

将对数期的微藻接种至自养装置，在微藻整个生长周期内，分批多次添加含磷废水，添加次数根据废水的磷浓度决定。采用磷分批补给方式培养微藻并处理含磷废水，可显著降低高浓度磷的毒性抑制作用，生物量增加0.9-2.3倍。随着磷补给次数的增加，微藻的油脂含量也逐渐增加(从23.5％增加至40.5％)；细胞更倾向于合成饱和脂肪酸(从30％增加至50％以上)，油脂稳定性提高；并且磷的去除率达到90％-100％。为了进一步提高微藻的生长速率和含磷废水的处理效率，设计并制作了一套封闭式光合自养培养装置，通过自动调节装置控制光照、温度、pH、补料，通过搅拌和气体分散器促进气液传质，基于上述封闭式光合自养培养装置的微藻处理含磷废水方法，微藻生长周期缩短为原来的2/3-1/4，最大生物量达到5.5g/L，增加了1-2倍，微藻生长速率增加2-3倍，磷的去除速率提高1-3倍。

附图说明

图1为本发明实施例提供的封闭式光合自养培养系统的结构示意图；

其中：1、气体流量调节阀，2、气体流量计，3、气体混合装置，4、气体除菌净化器，5、气体分散器，6、搅拌转子，7、搅拌及温控装置，8、光照装置，9、光照调节控制系统，10、进料口，11、自动补料装置，12、pH探头，13、pH在线监测及调节系统，14、取样口，15、反应器主体，16、排气管，17、尾气吸收装置。

具体实施实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

一、利用微藻处理含磷废水的方法

对照实施例1：

将小球藻Chlorella regularis作为实验藻种，在250mL锥形瓶培养体系，温度28℃，转速160rpm，光照强度为2,000Lux的条件下进行自养培养。培养基为含磷废水的BG11培养基，其中氮浓度为50mg/L，磷浓度为5.4mg/L。

在30-40天的培养周期内，微藻的最大生物量为1.8g/L，最大生长速率为0.23g/(L·d)，磷的去除率达到100％，去除速率为0.38mg/(L·d)。藻细胞油脂含量为23.5％，并且不饱和脂肪酸比例在70％以上。

对照实施例2：

将小球藻Chlorella regularis作为实验藻种，在250mL锥形瓶培养体系，温度28℃，转速160rpm，光照强度为2,000Lux的条件下进行自养培养。培养基为含磷废水的BG11培养基，其中氮浓度为50mg/L，磷浓度为45mg/L。

在30-40天的培养周期内，微藻的最大生物量为3.5g/L与对照实施例1相比增加了93％，最大生长速率增加近2倍，磷的去除率达到100％，去除速率增加了4倍。藻细胞油脂含量为35％，与对照组1相比增加了49％，并且不饱和脂肪酸比例在70％以上。

对照实施例3：

将小球藻Chlorella regularis作为实验藻种，在250mL锥形瓶培养体系，温度28℃，转速160rpm，光照强度为2,000Lux的条件下进行自养培养。培养基为含磷废水的BG11培养基，其中氮浓度为50mg/L，磷浓度为200mg/L。

在30-40天的培养周期内，微藻的最大生物量(1.1g/L)与对照实施例1相比降低了40％，最大生长速率降低了37.5％，油脂含量降低16％，磷的去除率为65％，去除速率与实验组1接近。藻细胞呈现变大、质壁分离、细胞壁破损等中毒症状。

实施例1：

将小球藻Chlorella regularis作为实验藻种，在250mL锥形瓶培养体系，温度28℃，转速160rpm，光照强度为2,000Lux的条件下进行自养培养。培养基为含磷废水的BG11培养基，其中氮浓度为50mg/L。在30-40天的培养周期内，分2次(初始、中间)添加含磷废水，每次添加后磷浓度均为100mg/L。

微藻的最大生物量为2.1g/L与对照实施例1相比增加了14％，最大生长速率增加了15％，磷的去除率为84％，去除速率与对照实施例3相比增加了29％，说明高浓度的磷采用分批投加的方式可缓解其生物毒性。藻细胞油脂含量为36.5％，与对照实施例2相比增加了4％，不饱和脂肪酸比例在70％以上。

实施例2：

将小球藻Chlorella regularis作为实验藻种，在250mL锥形瓶培养体系，温度28℃，转速160rpm，光照强度为2,000Lux的条件下进行自养培养。培养基为含磷废水的BG11培养基，其中氮浓度为50mg/L。在30-40天的培养周期内，分4次(0、1/4，1/2，3/4周期)添加含磷废水，每次添加后磷浓度均为50mg/L。

微藻的最大生物量为3.6g/L与对照实施例2相比增加了3％，磷的去除率为80-90％，与实施例1接近。藻细胞油脂含量为38.5％，与对照实施例2相比增加了10％，不饱和脂肪酸比例明显降低，饱和脂肪酸比例增加至50％以上。

实施例3：(实验组5，实施例4,8次投加)

将小球藻Chlorella regularis作为实验藻种，在250mL锥形瓶培养体系，温度28℃，转速160rpm，光照强度为2,000Lux的条件下进行自养培养。培养基为含磷废水的BG11培养基，其中氮浓度为50mg/L。在30-40天的培养周期内，分8次(0、1/8，1/4，3/8，1/2，5/8，3/4，7/8周期)添加含磷废水，每次添加后磷浓度均为25mg/L。

微藻的最大生物量为3.6g/L与对照实施例2相比增加了3％，磷的去除率为80-90％，与实施例1接近。藻细胞油脂含量为40.5％，与对照实施例2相比增加了16％，不饱和脂肪酸比例明显降低，饱和脂肪酸比例增加至50％以上，说明磷分批投加的培养方式有利于提高生物油含量，并且提高其稳定性和品质。

以上实施例的实验结果对比得出如下结论：

磷过量(45mg/L)显著促进微藻生长93％，油脂积累增加49％，但是磷浓度过高(200mg/L)反而对微藻产生细胞毒性，抑制生长40％，油脂含量降低16％。磷分批补给的方式不仅可以显著缓解高浓度磷的毒性，并且可以通过调节分批次数进一步提高微藻的生物量(3-14％)和油脂含量的(4-16％)，并且随着分批次数的增加，微藻更倾向于合成饱和脂肪酸，其比例逐渐增加至50％以上，从而提高生物油的稳定性和品质。在上述优选的条件下，磷的去除率可达到80-90％，去除速率为4-6mg/(L·d)，30-40天，去除磷160-180mg/L。

二、基于封闭式光合自养培养系统的利用微藻处理含磷废水处理方法

对照实施例4：

以小球藻Chlorella regularis为实验藻种，将其接种至封闭式光合自养培养系统。其中，所用培养基为添加含磷废水的BG11培养基，pH为6.5-7.5，其中氮浓度为50mg/L；初始藻密度为0.5×10⁶-1×10⁷cells/mL；采用双方向采光，平均光照强度为2,000-20,000Lux，光暗周期为10-24h:14-0h；温度控制在20-32℃；溶液的搅拌速度为200-500rpm。设定自动补料装置的补料体积和时间，经过进料口向反应器主体内添加含磷废水，在10-20天的培养周期内，分8次(0、1/8，1/4，3/8，1/2，5/8，3/4，7/8周期)添加含磷废水，每次添加后磷浓度均为25mg/L。

该封闭式光合自养培养系统在上述条件下运行，微藻的最大生物量为3.9g/L，最大生长速率为0.65g/(L·d)。磷的去除率为80-90％，去除速率为8-18mg/(L·d)，并且油脂含量及组分与实施例3类似。

对照实施例5：

以小球藻Chlorella regularis为实验藻种，将其接种至封闭式光合自养培养系统。其中，所用培养基为添加含磷废水的BG11培养基，pH为6.5-7.5，其中氮浓度为50mg/L；初始藻密度为0.5×10⁶-1×10⁷cells/mL；采用双方向采光，平均光照强度为2,000-20,000Lux，光暗周期为10-24h:14-0h；温度控制在20-32℃；采用CO₂和空气的混合气进行曝气，两者的体积比为1-20％，每升培养基的通气量为0.05-1L/min。设定自动补料装置的补料体积和时间，经过进料口向反应器主体内添加含磷废水，在10-20天的培养周期内，分8次(0、1/8，1/4，3/8，1/2，5/8，3/4，7/8周期)添加含磷废水，每次添加后磷浓度均为25mg/L。

该封闭式光合自养培养系统在上述条件下运行，微藻的最大生物量为5.2g/L，最大生长速率为0.87g/(L·d)。磷的去除率为85-95％，去除速率为8.5-19mg/(L·d)，并且油脂含量及组分与实施例3类似。

实施例4：

以小球藻Chlorella regularis为实验藻种，将其接种至封闭式光合自养培养系统。其中，初始藻密度为0.5×10⁶-1×10⁷cells/mL；所用培养基为添加含磷废水的BG11培养基，pH为7，其中氮浓度为50mg/L；采用双方向采光，平均光照强度为2,000-20,000Lux，光暗周期为10-24h:14-0h；温度控制在20-32℃；采用CO₂和空气的混合气进行曝气，两者的体积比为3％，每升培养基的通气量为0.05-1L/min；溶液的搅拌速度为200-500rpm。设定自动补料装置的补料体积和时间，经过进料口向反应器主体内添加含磷废水，在10-20天的培养周期内，分8次(0、1/8，1/4，3/8，1/2，5/8，3/4，7/8周期)添加含磷废水，每次添加后磷浓度均为25mg/L。

该封闭式光合自养培养系统在上述条件下运行，微藻的最大生物量为5.5g/L，最大生长速率为0.92g/(L·d)。磷的去除率为85-100％，去除速率为8.5-20mg/(L·d)，并且油脂含量及组分与实施例3类似。与对照实施例4相比，生物量和生长速率提高了40％，磷的去除速率增加了6-10％；与对照实施例5相比，生物量和生长速率提高了5％。

以上利用封闭式光合自养培养系统实施例的实验结果对比表明，微藻的生长代谢过程显著得到促进，将生长周期缩短至原来的2/3-1/4，最大生物量增加了1-2倍，生长速率增加2-3倍，磷的去除速率增加1-3倍。

实施例5：

以小球藻Chlorella regularis为实验藻种，将其接种至封闭式光合自养培养系统。其中，初始藻密度为0.5×10⁶-1×10⁷cells/mL；所用培养基为添加含磷废水的BG11培养基，pH为6.5，其中氮浓度为50mg/L；采用双方向采光，平均光照强度为2,000-20,000Lux，光暗周期为10-24h:14-0h；温度控制在20-32℃；采用CO₂和空气的混合气进行曝气，两者的体积比为20％，每升培养基的通气量为0.05-1L/min；溶液的搅拌速度为200-500rpm。设定自动补料装置的补料体积和时间，经过进料口向反应器主体内添加含磷废水，在10-20天的培养周期内，分8次(0、1/8，1/4，3/8，1/2，5/8，3/4，7/8周期)添加含磷废水，每次添加后磷浓度均为25mg/L。该封闭式光合自养培养系统在上述条件下运行，微藻的最大生物量为2.8g/L，最大生长速率为0.47g/(L·d)。磷的去除率为40-50％，去除速率为8-18mg/(L·d)，并且油脂含量及组分与实施例3类似。

实施例6：

以小球藻Chlorella regularis为实验藻种，将其接种至封闭式光合自养培养系统。其中，初始藻密度为0.5×10⁶-1×10⁷cells/mL；所用培养基为添加含磷废水的BG11培养基，pH为7.5，其中氮浓度为50mg/L；采用双方向采光，平均光照强度为2,000-20,000Lux，光暗周期为10-24h:14-0h；温度控制在20-32℃；采用CO₂和空气的混合气进行曝气，两者的体积比为1％，每升培养基的通气量为0.05-1L/min；溶液的搅拌速度为200-500rpm。设定自动补料装置的补料体积和时间，经过进料口向反应器主体内添加含磷废水，在10-20天的培养周期内，分8次(0、1/8，1/4，3/8，1/2，5/8，3/4，7/8周期)添加含磷废水，每次添加后磷浓度均为25mg/L。该封闭式光合自养培养系统在上述条件下运行，微藻的最大生物量为4.5g/L，最大生长速率为0.75g/(L·d)。磷的去除率为80-90％，去除速率为8-18mg/(L·d)，并且油脂含量及组分与实施例3类似。

上述实施例表明，利用光生物细胞去除含磷废水的方法具有可行性，并且将封闭式光合自养系统应用于该方法，可进一步提高微藻生长速率和除磷效果。采用多次分批补给的方式，可明显降低高浓度磷的细胞毒性，并且促进微藻生长(3-14％)和油脂累积(4-16％)，处理的废水中磷浓度为≤300mg/L，磷的去除率可达90％-100％。本发明中的所有实施例中所用微藻未经过驯化处理，根据已有文献报道，通过藻种驯化、提高接种浓度、培养条件优化等手段能够进一步提高磷的去除效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，需要指出的是，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，而且，在阅读了本发明的内容之后，本领域相关技术人员可以对本发明做出各种改动或修改，这些等价形式同样落入本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种利用微藻处理含磷废水的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、选取处于对数生长期的微藻作为种源，将其接种至自养培养体系，控制初始细胞密度>0.5×10⁶cells/mL；

步骤二、在温度20-32℃，光照2,000-20,000Lux，光暗周期10-24h:14-0h的条件下进行微藻的自养培养；

步骤三、培养基为含磷废水的BG11培养基，其中氮浓度为50mg/L；在30-40天的培养周期内，分4次在0、1/4，1/2，3/4周期时添加含磷废水，每次添加后磷浓度均为50mg/L；或分8次在0、1/8，1/4，3/8，1/2，5/8，3/4，7/8周期时添加含磷废水，每次添加后磷浓度均为25mg/L；

步骤四、监测磷浓度变化及其去除情况，含磷废水浓度达标排放，同时回收微藻。