CN110407404A - 一种将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于农业废水资源化利用领域，具体涉及一种将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法和系统。本发明提出一种高效、经济、环保的方法和系统用于农业废水的资源回收，设计了预处理池和厌氧发酵系统用以对农业废水前处理进而易于被微藻利用，控制反应条件促进厌氧产酸发酵降低了微藻对光照的需求；利用了微藻和菌群的共生关系，旨在降低系统对CO2的需求，并高效稳定的富集氮磷营养物质；采用了微气泡技术高效快捷的实现藻水分离达到微藻采收进而实现资源回收的目的。

Description

一种将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法和 系统
技术领域
本发明属于农业废水资源化利用领域，具体涉及一种将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法和系统。
背景技术
随着人民生活水平的不断提高，中国的畜禽养殖业发展迅速，并且由小规模、分散化经营转向产业化、规模化集约化经营，畜禽养殖产生的粪尿及其养分量也在不断增加。这些粪尿废物及其中所含的养分，若不经妥善处理，将会造成环境污染、水生生态的恶化；如若对其进行合理化资源利用，又是宝贵资源，将会带来很好的附加价值。另外，我国的高蛋白饲料原料严重缺乏，到2030年我国人口将由13亿增长到16亿, 按人均日消费动物性蛋白质25g的保守数字计算，则需要1460万吨动物性蛋白质, 那么最少需要从种植业或饲料工业提供7300万吨饲用粗蛋白质，通过陆地作物种植生产饲料蛋白需要消耗大量的耕地，而中国的耕地面积有限，远远无法满足种植需求。按21世纪初期我国种植业可提供的饲料蛋白质资源量预测，缺口在一半以上。
农业废弃物可用来厌氧发酵产生可再生能源气体，目前国内各地规模化养殖场大多建立了厌氧发酵产沼气工程，将养殖废水进行厌氧发酵产甲烷（一种可再生能源气体），并对甲烷气体加以利用在一定程度上能回收部分废水资源。厌氧消化的优点主要在于生产沼气等可燃气体，减少温室气体，但发酵废水中仍然含有大量的有机碳、氮和磷等营养物，发酵后废水的处理问题仍旧严峻，直接排放不仅会造成严重的环境污染同时也是对农业废水中氮磷资源的浪费。
利用发酵废水中的营养物质生产藻类生物质用于可再生能源的原料是目前国内外的一个研究热点，但针对利用微藻实现农业废水资源化处理的研究仍然较少，且均以实现废水中污染物的去除为目的，如一种藻-菌共生系统在去除养猪废水中污染物的应用（申请号：CN2018106892320），设计近具刺链带藻与硝化细菌共生体系，在锥形瓶中培养减少了养猪废水中的营养物质；而一种兼性微藻光生物反应器污水净化系统及方法（申请号：CN201910303928Ｘ）提出的微藻净化养殖废水系统，在生物反应器中通过曝气和补光使得微藻增殖从而降低了营养物质并收获了藻渣。
上述系统与方法实质是利用微藻增殖去除养殖废水中的营养物质，但存在光照和曝气的能耗较大、微藻自沉降效率低下等不足，且未考虑废水中资源回收。针对上述问题，本发明提出一种高效、经济、环保的方法和系统用于农业废水的资源回收，设计了预处理池和厌氧发酵系统用以对农业废水前处理进而易于被微藻利用，控制反应条件促进厌氧产酸发酵降低了微藻对光照的需求；利用了微藻和菌群的共生关系，旨在降低系统对CO2的需求，并高效稳定的富集氮磷营养物质；采用了微气泡技术高效快捷的实现藻水分离达到微藻采收进而实现资源回收的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对目前农业废水处理效率低和氮磷资源不回收且粗蛋白原料缺乏的现状，提供一种将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法和系统。
本发明提出的一种将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法，主要是指运用藻菌共生体系将厌氧发酵后的农业废水中的营养物质富集回收来实现资源化利用，具体步骤如下：
（１）农业废水通过进水管进入预处理池中，通过预处理去除农业废水中不易发酵的无机物质；
（２）将步骤（１）预处理后的农业废水在厌氧产酸发酵罐中进行中温或高温条件的发酵产酸，使农业废水中致病菌得以灭活，并产生富含小分子有机酸的发酵液；发酵温度控制在中温为25-40℃或高温50-70℃下运行，pH值控制在4.0-6.0，水力停留时间为1-7天；
（３）在滤袋分离装置中对步骤（２）得到的发酵液进行固液分离，所得固体部分进一步用于产沼气，液体部分为发酵液；
（４）步骤（３）得到的液体部分发酵液进入光生物反应器中，所述光生物反应器内加入接种微藻和接种菌群，通过培养使发酵液中的营养物质富集到微藻中；
（５）将步骤（４）得到的藻液在藻水分离回收系统中进行藻水分离，其中液体部分的发酵液得到净化后排放，固体部分产出的藻渣即为粗蛋白原料。
本发明中，所述预处理池1 的运行方式可选用气浮、沉降、过滤或稀释中的一种或两种组合去除农业废水中的无机物质，并控制农业废水进入厌氧发酵的营养负荷，沉降时间为24-96h，稀释率为0%-90%。
本发明中，光生物反应器４内搅拌装置10的搅拌速度为50-300转/分钟，光补偿装置８的光照强度为6000-15000lx。
本发明中，光生物反应器４的运行方式采用半连续或序批式中的一种，水力停留时间为2-6天，排水比为10-80%，每个周期的时间可为4-96小时/天，光照采用自然光照和人工光源补偿的方式运行。
本发明中，光生物反应器４中接种微藻可选用小球藻、蓝藻或从废水中纯化分离而得的微藻中的一种或多种组合，接种菌群可选用活性污泥、硝化细菌或氨氧化细菌中的一种或多种组合，接种微藻与接种菌群的生物量比例（单位以mg/L计）可选用藻：菌为5:1、2:1、1:1、1:2、1:5中任一种。
本发明提出的一种将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法使用的系统，由厌氧发酵产酸兼灭菌系统、高效光生物反应系统和藻水分离回收系统组成，其中：
厌氧发酵产酸兼灭菌系统包括预处理池1、厌氧产酸发酵罐2、pH控制器6、温度控制装置7和滤袋分离装置3，预处理池1出水管通过管道与厌氧产酸发酵罐2顶部进水管相连，厌氧产酸发酵罐2底部出水管通过管道与滤袋分离装置3进水管相连，pH控制器6安装于厌氧产酸发酵罐2上，用以监测和控制厌氧产酸发酵罐2厌氧发酵的pH条件，温度控制装置7一端插入厌氧产酸发酵罐2内，用于监测和控制厌氧产酸发酵罐2的温度；
高效光生物反应系统由光生物反应器4、光补偿装置8、微电脑控制器9和搅拌装置10组成，光生物反应器4顶部进水管通过管道与滤袋分离装置3底部出水口相连，光补偿装置8与微电脑控制器9相连，并布置于光生物反应器4外侧，搅拌装置10一端与微电脑控制器9相连，另一端插入光生物反应器4内部；
藻水分离回收系统包括排水箱5和气浮采藻装置11，排水箱5顶部进水管通过管道与光生物反应器4出水口相连，气浮采藻装置11安装于排水箱5内下部。
本发明中，厌氧产酸发酵罐2材质可选用有机玻璃、不锈钢或混凝土中的一种，发酵过程采用半连续、间歇式或序批式中的一种模式进行。
本发明中，滤袋分离装置3中的过滤层由无纺布、纱布或半透膜中的一种或多种组合，尺寸为长1-2m、宽1-2m、高2-3m，孔径为10-300μm，过滤方式可选择抽滤、压滤或气举过滤中的一种或多种组合。
本发明中，光生物反应器４的材质可为透明有机玻璃、玻璃或树脂中的一种，构型可采用箱型、管装或柱形中的一种，直径为10-50 cm，光补偿装置８的光源可采用LED灯管、自然光源或冷光灯中的一种。
本发明中，排水箱5的体积为光生物反应器４工作容积的1.5-3倍，排水箱５的高可为宽的3-4倍，排水方式可采用连续式、半连续式或间歇式中的一种。
本发明中，气浮采藻装置11由气液混合泵12、压力表13和流量计14依次连接而成。控制气液混合泵12的流量为0.3-2.0 m3/h，可采用日本Nikuni泵功德国Edur泵中的一种，压力控制在0.2-1.0 A/MPa，气液比为2-10 %，减压阀的高度为5-200 cm，释气管的直径为10-60 mm，材质可选用PVC、UPVC、不锈钢、PP或PE中的一种或多种组合。
本发明的有益效果如下：（1）设计厌氧产酸灭菌发酵过程可实现对致病菌的灭活，产出的小分子有机酸易被微藻利用，可有效降低微藻的光供应需求并促进微藻增殖；（2）采用藻菌共生体系构建光生物反应系统，无需人工补充CO2并减小了传统微藻养殖中受pH和溶解氧的抑制作用，进一步促进了微藻的增殖和营养物质的富集；（3）藻水分离回收系统采用微气泡技术实现微藻的高效回收，有利于保留微藻的营养价值；（4）该系统实现了农业废水的净化及氮磷资源的回收，有效降低了农业废水处理的能耗并提高了资源化处理效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图２为本发明实施例１的流程图。
图中标号：1预处理池，2厌氧产酸发酵罐，3滤袋分离装置，4光生物反应器，5排水箱，6 pH控制装置，7 温度控制装置，8 光补偿装置，9 微电脑控制器，10 搅拌装置，11 气浮采藻装置，12 气液混合泵，13 压力表，14 流量计。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，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。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例１：如图１所示，一种将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法使用的系统包括厌氧发酵产酸兼灭菌系统、高效光生物反应系统、藻水分离回收系统；厌氧发酵产酸兼灭菌系统包括预处理池1、厌氧产酸发酵罐2、pH控制器6、温度控制装置7、滤袋分离装置3，预处理池1出水管与厌氧产酸发酵罐2进水管相连，厌氧产酸发酵罐2出水管与滤袋分离装置3进水管相连，pH控制器6安装在厌氧产酸发酵罐2上用以监测和控制厌氧发酵的pH条件，温度控制装置7一端插入厌氧产酸发酵罐2内，用于监测和控制厌氧产酸发酵罐2的温度。高效光生物反应系统包括光生物反应器4、光补偿装置8、微电脑控制器9、搅拌装置10，光生物反应器4进水管与滤袋分离装置3出水口相连，光补偿装置8与微电脑控制器9相连并布于光生物反应器4外侧，搅拌装置10与微电脑控制器9相连安装于光生物反应器4内部。藻水分离回收系统包括排水箱5、气浮采藻装置11，排水箱5进水管与光生物反应器4出水口相连，气浮采藻装置11安装在排水箱5内部。气浮采藻装置包括气液混合泵12、压力表13、流量计14等，气液混合泵12的流量为0.3-2.0 m3/h，可采用日本Nikuni泵或德国Edur泵中的一种，压力控制在0.2-1.0 A/MPa，气液比为2-10 %，减压阀的高度为5-200 cm，释气管的直径为10-60 mm，材质选用PVC、UPVC、不锈钢、PP或PE中的一种或多种组合。
具体步骤如下：
养猪废水在预处理池1中通过气浮去除猪毛、沙砾等难降解的物质后，通过蠕动泵泵入25 L的厌氧产酸发酵罐2，在中温37 ℃，pH值为6.5，稀释率为30 %的条件下，进行半连续的发酵，发酵6天之后，发酵液进入滤袋分离装置3进行固液分离，固体部分可进一步用于产沼气，液体部分进入25L的光生物反应器4中用于培养微藻，光生物反应器４中接种0.2 g/L的小球藻和0.04 g/L的活性污泥，在12 h/d的光暗循环条件下进行半连续的生物反应，水力停留时间设置为3天，设置80%的排水比，将浓度为1 g/L的藻液通过重力排入排水箱５内，在气浮采藻装置11的作用下，约90 %微藻得到回收，每升养猪废水经反应器运行可产出0.72g的藻渣，COD、氨氮、TP等营养物质去除效率分别为91.33%、60.27%、73.36%。
实施例2：如图１所示，一种将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法使用的系统包括厌氧发酵产酸兼灭菌系统、高效光生物反应系统、藻水分离回收系统；厌氧发酵产酸兼灭菌系统包括预处理池1、厌氧产酸发酵罐2、pH控制器6、温度控制装置7、滤袋分离装置3，预处理池1出水管与厌氧产酸发酵罐2进水管相连，厌氧产酸发酵罐2出水管与滤袋分离装置3进水管相连，pH控制器6安装在厌氧产酸发酵罐2上用以监测和控制厌氧发酵的pH条件，温度控制装置7一端插入厌氧产酸发酵罐2内，用于监测和控制厌氧产酸发酵罐2的温度。高效光生物反应系统包括光生物反应器4、光补偿装置8、微电脑控制器9、搅拌装置10，光生物反应器4进水管与滤袋分离装置3出水口相连，光补偿装置8与微电脑控制器9相连并布于光生物反应器4外侧，搅拌装置10与微电脑控制器9相连安装于光生物反应器4内部。藻水分离回收系统包括排水箱5、气浮采藻装置11，排水箱5进水管与光生物反应器4出水口相连，气浮采藻装置11安装在排水箱5内部。气浮采藻装置包括气液混合泵12、压力表13、流量计14等，气液混合泵12的流量为0.3-2.0 m3/h，可采用日本Nikuni泵或德国Edur泵中的一种，压力控制在0.2-1.0 A/MPa，气液比为2-10 %，减压阀的高度为5-200 cm，释气管的直径为10-60 mm，材质选用PVC、UPVC、不锈钢、PP或PE中的一种或多种组合。
具体步骤如下：
水产养殖废水在预处理池1中通过沉降去除无机物质后，通过蠕动泵泵入25 L的厌氧产酸发酵罐2，在中温30 ℃，pH值为7.0，稀释率为0 %的条件下，进行半连续的发酵酸化，发酵24h之后，发酵液进入滤袋分离装置3进行固液分离，液体部分进入25L的光生物反应器4中用于培养微藻，光生物反应器４中接种0.05 g/L的小球藻和0.05 g/L的活性污泥，在自然光照条件下进行序批式的生物反应，水力停留时间设置为1天，设置80%的排水比，将浓度为0.8 g/L的藻液通过重力排入排水箱５内，在气浮采藻装置11的作用下，约90 %微藻得到回收，每升水产养殖废水经反应器运行可产出0.6 g的藻渣，COD、氨氮、TP等营养物质去除效率分别为97.03%、95.96%、81.67%。

Claims (10)

1.一种将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法，其特征在于主要是指运用藻菌共生体系将厌氧发酵后的农业废水中的营养物质富集回收来实现资源化利用，其特征在于具体步骤如下：
（1）农业废水通过进水管进入预处理池中，通过预处理去除农业废水中不易发酵的无机物质；
（２）将步骤（1）预处理后的农业废水在厌氧产酸发酵罐中进行中温或高温条件的发酵产酸，使农业废水中致病菌得以灭活，并产生富含小分子有机酸的发酵液；发酵温度控制在中温为25-40℃或高温50-70℃下运行，pH值控制在4.0-6.0，水力停留时间为1-7天；
（３）在滤袋分离装置中对步骤（２）得到的发酵液进行固液分离，所得固体部分进一步用于产沼气，液体部分为发酵液；
（４）步骤（３）得到的液体部分发酵液进入光生物反应器中，所述光生物反应器内加入接种微藻和接种菌群，通过培养使发酵液中的营养物质富集到微藻中；
（５）将步骤（４）得到的藻液在藻水分离回收系统中进行藻水分离，其中液体部分的发酵液得到净化后排放，固体部分产出的藻渣即为粗蛋白原料。
2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于所述预处理池1 的运行方式选用气浮、沉降、过滤或稀释中的一种或两种组合去除农业废水中的无机物质，并控制农业废水进入厌氧发酵的营养负荷，沉降时间为24-96h，稀释率为0%-90%。
3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于光生物反应器４内搅拌装置的搅拌速度为50-300转/分钟，光补偿装置的光照强度为6000-15000lx。
4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于光生物反应器４的运行方式采用半连续或序批式中的一种，水力停留时间为2-6天，排水比为10-80%，每个周期的时间可为4-96小时/天，光照采用自然光照和人工光源补偿的方式运行。
5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于光生物反应器４中接种微藻可选用小球藻、蓝藻或从废水中纯化分离而得的微藻中的一种或多种组合；接种菌群可选用活性污泥、硝化细菌或氨氧化细菌中的一种或多种组合，接种微藻与接种菌群的生物量比例（单位以mg/L计）可选用藻：菌为5:1、2:1、1:1、1:2、1:5中任一种。
6.一种如权利要求1所述的将农业废水中营养物转化为粗蛋白原料的生产方法使用的系统，其特征在于由厌氧发酵产酸兼灭菌系统、高效光生物反应系统和藻水分离回收系统组成，其中：
厌氧发酵产酸兼灭菌系统包括预处理池(1)、厌氧产酸发酵罐(2)、pH控制器(6)、温度控制装置(7)和滤袋分离装置(3)，预处理池(1)出水管通过管道与厌氧产酸发酵罐(2)顶部进水管相连，厌氧产酸发酵罐(2)底部出水管通过管道与滤袋分离装置(3)进水管相连，pH控制器(6)安装于厌氧产酸发酵罐(2)上，用以监测和控制厌氧产酸发酵罐(2)厌氧发酵的pH条件，温度控制装置(7)一端插入厌氧产酸发酵罐(2)内，用于监测和控制厌氧产酸发酵罐(2)的温度；
高效光生物反应系统由光生物反应器(4)、光补偿装置(8)、微电脑控制器(9)和搅拌装置(10)组成，光生物反应器(4)顶部进水管通过管道与滤袋分离装置(3)底部出水口相连，光补偿装置(8)与微电脑控制器(9)相连，并布置于光生物反应器(4)外侧，搅拌装置(10)一端与微电脑控制器(9)相连，另一端插入光生物反应器(4)内部；
藻水分离回收系统包括排水箱(5)和气浮采藻装置(11)，排水箱(5)顶部进水管通过管道与光生物反应器(4)出水口相连，气浮采藻装置(11)安装于排水箱(5)内下部。
7.根据权利要求６所述的系统，其特征在于厌氧产酸发酵罐(2)材质选用有机玻璃、不锈钢或混凝土中的一种，发酵过程采用半连续、间歇式或序批式中的一种模式进行，滤袋分离装置(3)中的过滤层由无纺布、纱布或半透膜中的一种或多种组合，尺寸为长1-2m、宽1-2m、高2-3m，孔径为10-300μm，过滤方式选择抽滤、压滤或气举过滤中的一种或多种组合。
8.根据权利要求６所述的系统，其特征在于光生物反应器(4)的材质为透明有机玻璃、玻璃或树脂中的一种，构型采用箱型、管装或柱形中的一种，直径为10-50 cm，光补偿装置(8)的光源采用LED灯管、自然光源或冷光灯中的一种。
9.根据权利要求６所述的系统，其特征在于排水箱(5)的体积为光生物反应器(4)工作容积的1.5-3倍，排水箱(5)的高为宽的3-4倍，排水方式采用连续式、半连续式或间歇式中的一种。
10.根据权利要求６所述的系统，其特征在于气浮采藻装置(11)由气液混合泵(12)、压力表(13)和流量计(14)依次连接而成，控制气液混合泵(12)的流量为0.3-2.0 m3/h，采用日本Nikuni泵功德国Edur泵中的一种，压力控制在0.2-1.0 A/MPa，气液比为2-10 %，减压阀的高度为5-200 cm，释气管的直径为10-60 mm，材质选用PVC、UPVC、不锈钢、PP或PE中的一种或多种组合。
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