CN110819661A - 一种利用水华蓝藻生产挥发性短链脂肪酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水华蓝藻生产挥发性短链脂肪酸的方法，属于藻类资源化处理与处置领域。本发明过氧化钙预处理技术为主，辅以快速搅拌，最后进行厌氧发酵生产挥发性短链脂肪酸，不仅促进水华蓝藻胞外聚合物及细胞壁的破裂和胞内有机物的释放，提高了其发酵过程中的碳氮比，从而在较短的时间周期内大幅度提高了蓝藻厌氧发酵过程中挥发性短链脂肪酸的产量，同时，避免藻毒素的产生和积累，实现了水华蓝藻减量化、无害化及资源化处理与处置。

Description

一种利用水华蓝藻生产挥发性短链脂肪酸的方法
技术领域
本发明涉及到藻类资源化处理与处置领域，具体指一种利用水华蓝藻生产挥发性短链脂肪酸的方法。
背景技术
随着城市化进程的进一步加快，大量氮、磷等营养盐进入湖泊，导致湖水富营养化日趋严重，湖内蓝藻大量繁殖，水华现象大规模爆发，我国许多著名淡水湖泊如滇池、太湖、巢湖等都面临此难题。为了解决此难题，研究者研发了诸多防控措施，如打捞、絮凝除藻和生物控藻，这些防控措施有效的抑制了水华的进一步爆发。然而，打捞或杀灭的水华蓝藻如果不经过科学有效的处理与处置，定然会对湖泊水体或周边环境造成二次污染，需要对其进行无害化、减量化处理。同时，由于水华蓝藻中本身含有大量蛋白质和糖类等有机质，因此使之变害为利、变废为宝将对解决当前面临的环境、能源等问题从而达到综合治理目的具有十分重要的现实意义。
目前国内外对于水华蓝藻资源化利用的研究主要有将其加工为高效氨基酸肥料、焚烧和提取蛋白质等，但在其产业化开发过程中，蓝藻脱水和脱毒已逐渐成为蓝藻资源化利用的瓶颈。而将蓝藻作为生物质原料进行厌氧发酵既可以大规模产业化处理，又无需对其进行脱水，并且发酵过程中藻毒素也会得到一定程度的降解，从而实现水华藻类的减量化、无害化和资源化。藻类中富含的蛋白质、糖等可以被厌氧微生物作为底物来生产短链脂肪酸、氢气以及甲烷等。其中，挥发性短链脂肪酸既可以作为污水处理厂脱氮除磷过程的一种经济适用的碳源，也可以作为生物塑料回收利用，它的生产已成为近几年的研究热点。但是，由于蓝藻含氮量高，碳氮比低，且其胞外物和细胞壁限制了其胞内有机物在厌氧发酵过程中的释放和水解，导致未经处理的蓝藻厌氧发酵生产挥发性短链脂肪酸效果很差。然而，到目前为止，针对此问题的研究很少，限制了蓝藻资源化利用的发展。
因此，如何经济有效的提高水华蓝藻碳氮比、促进其胞外聚合物及细胞壁的破裂和胞内有机物的释放，从而提升其厌氧发酵生产挥发性短链脂肪酸，同时克服蓝藻脱水难题，避免藻毒素的产生和积累是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，克服上述现有技术的不足，提供一种水华蓝藻生产挥发性短链脂肪酸的方法。该方法以过氧化钙预处理技术为主，辅以快速搅拌，最后进行厌氧发酵生产挥发性短链脂肪酸，以解决蓝藻厌氧发酵生产挥发性短链脂肪酸效果差的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方法包括以下步骤：
(1)浓缩沉淀：将打捞和收集的水华蓝藻浓缩沉淀，控制总固体含量为10000～20000mg/L；
(2)预处理：将浓缩后的水华蓝藻转移至预处理反应池中；之后添加过氧化钙，添加量为蓝藻总固体含量的5％～20％(w/w)；投加后立即进行搅拌，搅拌速率在150～250rpm，预处理时间为0.5～2.0天；
(3)厌氧发酵：将预处理后的蓝藻混合液作为发酵底物转移至厌氧发酵罐，氮气吹脱3～10min；之后接种挥发性固体含量为10000～30000mg/L的厌氧发酵污泥，接种量为蓝藻混合液的8％～15％(v/v)；之后对发酵罐进行密封，搅拌条件下进行厌氧发酵生产挥发性短链脂肪酸。
其中，步骤(1)中所述的水华蓝藻浓缩沉淀在浓缩沉淀池中进行，沉淀时间为3～10天；步骤(2)中所述过氧化钙为粉末态，所述预处理反应池为混凝土池，所述搅拌由铁制折叶式涡轮搅拌器进行；步骤(3)中所述的蓝藻混合液pH在9.0～11.0之间，所述的氮气吹脱所用氮气纯度在99.5％以上，所述厌氧发酵污泥为污水处理厂中储泥池底部剩余污泥，所述密封后发酵罐温度控制在25～55℃，搅拌强度设为100～150rpm，发酵时间为4～8天。
本发明中浓缩沉淀的目的是降低蓝藻的水分，采用的是静置沉淀，这样避免了机械脱水耗能问题同时简易的获得总固体含量为10000～20000mg/L的蓝藻。过氧化钙预处理的目的是促进水华蓝藻胞外聚合物及细胞壁的破裂和胞内有机物的释放，提高其发酵过程碳氮比，降低藻毒素的累积；预处理过程中的快速搅拌一方面是为了让过氧化钙与蓝藻充分接触，另一方面是为了对蓝藻进一步粉碎降低其大小。接种厌氧发酵污泥的目的是为预处理后的蓝藻混合液提供发酵微生物，提高挥发性短链脂肪酸的产量同时降低发酵时间。
本发明的有益效果：
(1)本发明实现了水华蓝藻高效厌氧发酵生产挥发性短链脂肪酸处理。采用的是静置沉淀，这样避免了机械脱水耗能问题。过氧化钙预处理的目的是促进水华蓝藻胞外聚合物及细胞壁的破裂和胞内有机物的释放，提高其发酵过程碳氮比；接种厌氧发酵污泥提高蓝藻挥发性短链脂肪酸的产量，同时降低发酵时间。
(2)本发明实现了水华蓝藻无害化处理。过氧化钙预处理极大的提高了蓝藻中藻毒素的降解，同时为后续厌氧发酵过程中降解藻毒素的水解酸化微生物提供了充足的营养物质，避免藻毒素的产生和积累。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制。任何熟悉该领域的技术人员根据上述本发明内容对本发明所做的一些非本质的改进和调整，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1：
一种水华蓝藻生产挥发性短链脂肪酸的方法，按以下步骤进行：将打捞和收集的水华蓝藻浓缩沉淀至总固体含量为15000±600mg/L；之后转移至预处理反应池中，添加过氧化钙为蓝藻总固体含量的10％(w/w)，同时进行200rpm的快速搅拌1天；之后转移至厌氧发酵罐，氮气吹脱5min；之后接种挥发性固体含量为20000±900mg/L的厌氧发酵污泥，接种量为蓝藻混合液的15％(v/v)；之后对发酵罐进行密封，发酵温度控制在35±1℃，搅拌强度设为120rpm。
上述处理过程中，蓝藻溶出性蛋白质和糖相对于未处理分别提高了4.1倍和5.8倍左右；厌氧发酵第5天挥发性短链脂肪酸达到最大产量，高达4600±200mg COD/L，其中，乙酸占比高达63％。同时，发酵处理后的蓝藻中，藻毒素浓度低至0.5μg/L。

Claims (4)

1.一种利用水华蓝藻生产挥发性短链脂肪酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)浓缩沉淀：将打捞和收集的水华蓝藻浓缩沉淀，控制总固体含量为10000～20000mg/L；
(2)预处理：将浓缩后的水华蓝藻转移至预处理反应池中；之后添加过氧化钙，添加量为蓝藻总固体含量的5％～20％(w/w)；添加后立即进行搅拌，搅拌速率在150～250rpm，预处理时间为0.5～2.0天；
(3)厌氧发酵：将预处理后的蓝藻混合液作为发酵底物转移至厌氧发酵罐，氮气吹脱3～10min；之后接种挥发性固体含量为10000～30000mg/L的厌氧发酵污泥，接种量为蓝藻混合液的8％～15％(v/v)；之后对发酵罐进行密封，搅拌条件下进行厌氧发酵生产挥发性短链脂肪酸。
2.根据权利要求1所述的一种利用水华蓝藻生产短链挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的水华蓝藻浓缩沉淀在浓缩沉淀池中进行，沉淀时间为3～10天。
3.根据权利要求1所述的一种利用水华蓝藻生产短链挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(2)中所述过氧化钙为粉末态，所述预处理反应池为混凝土池，所述搅拌由铁制折叶式涡轮搅拌器进行。
4.根据权利要求1所述的一种利用水华蓝藻生产短链挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的蓝藻混合液pH在9.0～11.0之间，所述的氮气吹脱所用氮气纯度在99.5％以上，所述厌氧发酵污泥为污水处理厂中储泥池底部剩余污泥，所述密封后发酵罐温度控制在25～55℃，搅拌强度设为100～150rpm，发酵时间为4～8天。
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