CN109868208A - 菌藻一体式生物产能装置 - Google Patents
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Abstract
菌藻一体式生物产能装置，本发明涉及一种菌藻一体式生物产能装置，它要解决现有菌藻耦合产能系统的产能效率低的问题。本发明菌藻一体式生物产能装置包括细菌反应区、滤膜、微藻反应区、光照系统和两个气体流量计，在反应器的底板上设置有滤膜，反应器通过滤膜分隔成细菌反应区和微藻反应区，反应区中分别填充有废水，在细菌反应区中接入细菌，在微藻反应区中接入微藻，在微藻反应区一侧设置光照系统，细菌反应区密封盖上的排气口与细菌反应区气体流量计相连，微藻反应区密封盖上的排气口与微藻反应区气体流量计相连，且细菌反应区的工作体积小于微藻反应区的工作体积。本发明一体式生物产能装置可以显著提高生物产能效率和废水处理效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种菌藻一体式生物产能装置。
背景技术
不可再生能源的消耗引起了严重的能源和环境危机，威胁着人类的生存和可持续发展。发展可再生能源是解决这些危机的重要途径。氢气有着高能量密度、清洁无污染等特性，被认为是一种理想的清洁能源。目前，常规的制氢方法是从化石燃料中提取或通过电解水制取，这些方法并未摆脱对化石能源的依赖，且会污染环境，不能满足可持续发展的需求。生物制氢有着节能环保的特点，且可在产氢的同时达到废水处理的目的，受到了越来越多的关注。
生物制氢可分为暗发酵制氢和光发酵制氢，其中暗发酵制氢的产氢速率快，能够以废水等为发酵底物，易于进行连续生产。然而，暗发酵过程中会产生大量的有机酸等副产物，降低了反应体系的pH，使得产氢量降低。如果这些发酵副产物不被妥善处理，还可能会带来一定的环境污染。微藻可以快速分解对一般细菌具有毒性抑制作用的挥发性有机酸，将其代谢后合成油脂。利用细菌和微藻的优势和互补协同作用，将二者联合起来组成的系统称为菌藻耦合产能系统。
菌藻耦合产能系统包括两步法耦合和混合培养耦合两种方式。两步法产能是细菌在最适条件下发酵产氢，之后将发酵尾液预处理，调节微藻的最适条件后进微藻培养，优点是细菌和微藻可在各自的最适条件下生长，产能效率高。然而，这需要对暗发酵尾液进行添加化学药剂等复杂处理，且在生产过程中需要多个反应器，限制了两步法产能的应用。混合培养产能是将细菌和微藻进行混合后共同培养，细菌可分解大分子物质产氢，其代谢产物小分子有机酸被微藻利用，优点是细菌的代谢产物直接被微藻利用，缓解了代谢产物的抑制作用。然后，混合培养的影响因素较多，且细菌会遮挡微藻对光的利用，微藻培养完成后难以分离。根据细菌和微藻的特点开发一体式生物产能装置，可解决两种耦合方式存在的局限，有利于提高菌藻耦合产能的可应用性。
发明内容
本发明的目的是解决由于细菌和微藻代谢不匹配，导致菌藻耦合产能系统的产能效率低的问题，旨在提高生物产能效率，高效处理废水或废弃物，提供菌藻一体式生物产能装置。
本发明菌藻一体式生物产能装置包括细菌反应区、滤膜、微藻反应区、光照系统和两个气体流量计，在反应器内设置有滤膜，反应器通过滤膜分隔成细菌反应区和微藻反应区，细菌反应区和微藻反应区中分别填充有废水，在细菌反应区中接入细菌，在微藻反应区中接入微藻，在微藻反应区一侧设置光照系统，细菌反应区和微藻反应区的上部分别设置密封盖，细菌反应区密封盖上的排气口与细菌反应区气体流量计的进气口相连，微藻反应区密封盖上的排气口与微藻反应区气体流量计的进气口相连，且细菌反应区的工作体积小于微藻反应区的工作体积。
本发明所述的菌藻一体式生物产能装置通过滤膜分为细菌反应区和微藻反应区，使得细菌的产氢反应和微藻的生长在各自独立的反应区内进行。在细菌反应区内细菌代谢废水产生氢气、二氧化碳和小分子有机酸，这些小分子有机酸通过滤膜扩散至微藻反应区，作为微藻生长的底物。在微藻反应区，微藻在光照条件下利用细菌的末端代谢产物小分子有机酸进行生长和油脂合成。
本发明的菌藻一体式生物产能装置包含以下有益效果：
1、细菌反应区的代谢产物通过滤膜扩散到微藻反应区供微藻利用，这些代谢产物的利用有助于解除末端产物对细菌生长和产氢的抑制。
2、通过细菌反应区和微藻反应区工作体积的匹配，解决了细菌和微藻生长代谢速率不均衡的问题，使得体系运行更加稳定。
3、实现了细菌和微藻空间生态位的分离，避免混合培养中细菌对微藻的遮光效应，且培养完成后无需进行细菌和微藻的分离，更易进行后续处理。
4、与单独的细菌产氢相比，一体式生物产能装置可以显著提高生物产能效率和废水处理效率，具有良好的经济和环境效益。
附图说明
图1为本发明菌藻一体式生物产能装置的结构示意图；
图2为应用实施例中产氢量图；
图3为应用实施例中微藻生物量和油脂产量图，其中■代表微藻生物量，●代表油脂产量；
图4为应用实施例中化学需氧量，总氮和总磷去除率测试图，图中从左至右的柱状图依次代表化学需氧量，总氮和总磷。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式菌藻一体式生物产能装置包括细菌反应区1、滤膜2、微藻反应区3、光照系统7和两个气体流量计，在反应器内设置有滤膜2，反应器通过滤膜2分隔成细菌反应区1和微藻反应区3，细菌反应区1和微藻反应区3中分别填充有废水6，在细菌反应区1中接入细菌4，在微藻反应区3中接入微藻5，在微藻反应区3一侧设置光照系统7，细菌反应区1和微藻反应区3的上部分别设置密封盖，细菌反应区1密封盖上的排气口与细菌反应区气体流量计8的进气口相连，微藻反应区3密封盖上的排气口与微藻反应区气体流量计9的进气口相连，且细菌反应区1的工作体积小于微藻反应区3的工作体积。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是细菌反应区1细菌来源于污泥接种物，污泥接种物为剩余污泥、消化污泥、厌氧颗粒污泥、下水道污泥、土壤中的一种或多种混合物。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是微藻反应区3中接入的微藻5为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻、金藻中的一种或多种混合物。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是滤膜2为醋酸纤维滤膜。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是微藻反应区3的工作体积是细菌反应区1的工作体积的2～6倍。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是细菌反应区1和微藻反应区3中的废水6均为淀粉废水、蛋白质废水或油脂废水。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是废水6的pH为3～11。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是光照系统7为日光灯或LED灯。
本实施方式光照系统7也可直接采用太阳光。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是细菌反应区1和微藻反应区3的上部分别设置密封盖，排出空气后形成厌氧环境。
本实施方式细菌产氢需在厌氧条件下进行，而微藻可以在有氧条件或厌氧条件下生长，微藻的有氧培养可以有光照或无光照，微藻的厌氧培养需有光照条件。
实施例：本实施例菌藻一体式生物产能装置包括细菌反应区1、滤膜2、微藻反应区3、光照系统7和两个气体流量计，在反应器内设置有滤膜2，反应器通过滤膜2分隔成细菌反应区1和微藻反应区3，细菌反应区1和微藻反应区3中分别填充有废水6，在细菌反应区1中接入细菌4，在微藻反应区3中接入微藻5，在微藻反应区3一侧设置光照系统7，细菌反应区1和微藻反应区3的上部分别设置密封盖形成厌氧环境，细菌反应区1密封盖上的排气口与细菌反应区气体流量计8的进气口相连，微藻反应区3密封盖上的排气口与微藻反应区气体流量计9的进气口相连。
本实施例微藻反应区的外壳为透光材质。
应用实施例：应用菌藻一体式生物产能装置进行耦合产能的方法按以下步骤实现：
一、向细菌反应区和微藻反应区分别加入淀粉废水，使滤膜两侧废水液面持平，然后用惰性气体(如氩气、氮气或氦气)分别向细菌反应区和微藻反应区内曝气以排除反应器中的空气，再加盖密封保持厌氧环境；
二、向细菌反应区的废水中接入热处理后的污泥接种物；
三、向微藻反应区接入微藻；
四、将菌藻一体式生物产能装置放置于恒温环境中，检测产氢量，连续运行实现产氢和微藻培养，培养条件为细菌与微藻的工作体积比1：4，温度35℃，光照强度100μmol/m2/s，培养时间144小时。
本实施例中栅藻(Scenedesmus sp.)采用已公开中国发明专利《一种富油微藻的高通量筛选方法》(申请号：CN201310096030.2)中的方法筛选获得。
本实施例通过图2产氢量图可知，产氢量为1520.7ml H2/L工作体积。
本实施例通过图3微藻生物量和油脂产量图可知，微藻生物量为1310mg/L工作体积，油脂产量为462.4mg/L工作体积。
本实施例通过图4废水处理效率图可知，化学需氧量去除率为81.3％，总氮去除率为89.3％，总磷去除率为83.4％。
Claims (9)
1.菌藻一体式生物产能装置，其特征在于该菌藻一体式生物产能装置包括细菌反应区(1)、滤膜(2)、微藻反应区(3)、光照系统(7)和两个气体流量计，在反应器内设置有滤膜(2)，反应器通过滤膜(2)分隔成细菌反应区(1)和微藻反应区(3)，细菌反应区(1)和微藻反应区(3)中分别填充有废水(6)，在细菌反应区(1)中接入细菌(4)，在微藻反应区(3)中接入微藻(5)，在微藻反应区(3)一侧设置光照系统(7)，细菌反应区(1)和微藻反应区(3)的上部分别设置密封盖，细菌反应区(1)密封盖上的排气口与细菌反应区气体流量计(8)的进气口相连，微藻反应区(3)密封盖上的排气口与微藻反应区气体流量计(9)的进气口相连，且细菌反应区(1)的工作体积小于微藻反应区(3)的工作体积。
2.根据权利要求1所述的菌藻一体式生物产能装置，其特征在于细菌反应区(1)细菌来源于污泥接种物，污泥接种物为剩余污泥、消化污泥、厌氧颗粒污泥、下水道污泥、土壤中的一种或多种混合物。
3.根据权利要求1所述的菌藻一体式生物产能装置，其特征在于微藻反应区(3)中接入的微藻(5)为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻、金藻中的一种或多种混合物。
4.根据权利要求1所述的菌藻一体式生物产能装置，其特征在于是滤膜(2)为醋酸纤维滤膜。
5.根据权利要求1所述的菌藻一体式生物产能装置，其特征在于微藻反应区(3)的工作体积是细菌反应区(1)的工作体积的2～6倍。
6.根据权利要求1所述的菌藻一体式生物产能装置，其特征在于细菌反应区(1)和微藻反应区(3)中的废水(6)均为淀粉废水、蛋白质废水或油脂废水。
7.根据权利要求6所述的菌藻一体式生物产能装置，其特征在于废水(6)的pH为3～11。
8.根据权利要求1所述的菌藻一体式生物产能装置，其特征在于光照系统(7)为日光灯或LED灯。
9.根据权利要求1所述的菌藻一体式生物产能装置，其特征在于细菌反应区(1)和微藻反应区(3)的上部分别设置密封盖，排出空气后形成厌氧环境。
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