CN111763604A - 耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统及其运行工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统，主要包括猪场发酵尾液营养盐回收模块、CO2预溶解模块、微藻生物膜培养模块。猪场发酵尾液营养盐回收模块包括腔室及其内分布的微孔过滤管束；CO2预溶解模块包含曝气器；微藻生物膜培养模块包括具有表面凸起结构的透明固体导光材料；各模块间通过管道相连通，在泵的驱动下实现各模块间的物质循环。本发明通过微孔过滤管束对猪场发酵尾液进行成分筛选，通过引入表面凸起结构的透明固体导光材料提高微藻生物质的产量，建立猪场发酵尾液处理、微藻高效培养耦合系统，实现物质的连续、循环利用，降低处理成本。

Description

耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统及其运行 工艺
技术领域
本发明涉及一种基于微藻培养的废水处理系统，尤其涉及一种与微藻高效培养相耦合的猪场发酵尾液连续式处理系统。
背景技术
随着人口数量的增加以及经济的快速发展，我国畜禽养殖业呈现快速发展的趋势，为了追求更加高效与高产，多数畜禽养殖场从传统的“农户散养型”转变为“集约规模化”，然而猪场发酵尾液的大量排放对环境造成了极大的不利影响。因此，针对猪场发酵尾液的废水处理技术及系统已成为当前研究的热点。
微藻是一种具有单细胞或者简单多细胞结构的光合微生物，具有培养不受土地与季节的限制、藻细胞生长繁殖快、生产周期短、光合效率高、油脂产率高等优点。通过光合作用，微藻能够高效的将CO2、水以及无机盐转化为自身的各种有机物质，具有良好的应用前景。近年来，基于微藻高效培养的废水处理技术已成为生物法废水处理的主要发展方向之一。一方面，猪场发酵尾液中富含的氮和磷可被微藻光合生长同化吸收利用，降低微藻生物质的培养成本，实现废水的资源化利用。同时，得到的微藻生物质可用于生产可再生的生物燃料、水产养殖饲料、保健品、化妆品等。另一方面，实现废水脱氮除磷、净化水体的目的。
然而，猪场发酵尾液成分十分复杂，含有高浓度的氮磷，对微藻细胞的生长具有明显的抑制作用，还含有大量的固体悬浮物、细菌等对微藻生长不利的组分。现阶段常用的方法是将猪场发酵尾液进行稀释，以降低过高浓度的氮磷和其他污染物对微藻生长的不利影响，稀释后的猪场发酵尾液与微藻细胞进行混合培养。该方法需要消耗大量的水资源，限制了其发展和应用，而且微藻悬浮式培养存在生物质产率低、采收能耗高等瓶颈问题。与微藻悬浮式培养相比，微藻生物膜式培养具有水资源需求量低、易于采收等优点而得到国内外学者的广泛关注，但高效的微藻生物膜反应器的研究相对匮乏，导致其性能较差。
因此，需要构建具有成分筛选能力的猪场发酵尾液处理系统、高效生产微藻生物质的微藻生物膜式培养系统，并将两者耦合，以实现物质的连续、循环利用，降低处理成本。
发明内容
本发明的目的在于提供耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统及其运行工艺，同步实现猪场发酵尾液资源化回收利用以及高密度微藻生物质的生产。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统，主要包括猪场发酵尾液营养盐回收模块、CO2预溶解模块、微藻生物膜培养模块。猪场发酵尾液营养盐回收模块包括腔室及其内分布的微孔过滤管束；CO2预溶解模块包括曝气器；微藻生物膜培养模块包括具有表面凸起结构的透明固体导光材料。各模块间通过管道相连通，在泵的驱动下实现各模块间的物质连续、循环利用。
微孔过滤管束用于阻挡猪场发酵尾液中的细菌，使之不能穿过微孔过滤管壁面进入微孔过滤管内的液体培养基中，进而避免了细菌随液体培养基进入微藻生物膜培养模块，便于实现微藻纯种培养。同时，猪场发酵尾液中含有的高浓度氮磷等无机营养盐在浓度差的驱动下，可通过溶质扩散经由微孔过滤管壁面的微孔进入微孔过滤管内的液体培养基，并随液体培养基的流动进入微藻生物膜培养模块，为微藻细胞的光合生化转化提供必要的氮磷等无机营养盐。曝气器使CO2以气泡的形式进入液体培养基并溶解至液体培养基中，进而为微藻生物膜培养模块内微藻细胞的光合生长提供无机碳。具有表面凸起结构的透明固体导光材料作为微藻生物膜的吸附载体，表面凸起结构的作用表现在两个方面：一方面，增大微藻生物膜吸附载体的比表面积，为微藻生物膜提供更大的吸附生长面积；另一方面，表面凸起结构可破坏固体导光载体表面全反射条件，使更多的光照从表面凸起部分出射，为生物膜内微藻细胞的生长提供更多的光照。
优选地，所述微孔过滤管束的壁面微孔平均孔径小于微藻细胞和猪场发酵尾液中细菌的直径。
优选地，所述透明固体导光材料是有机玻璃板、石英板或玻璃板，表面凸起结构是长方体、正方体、圆柱体或圆锥体。
优选地，所述固体导光载体的顶部上方布置线性菲涅尔透镜，用于将太阳光汇聚成高光强的线性光，并经由固体导光载体顶端面入射至固体导光载体内部，并在固体导光载体表面凸起的作用下出射，以太阳光为生物膜内藻细胞的光合生长提供光照，进一步降低微藻培养过程的能耗。
如上所述的耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统的运行工艺，包括猪场发酵尾液进入猪场发酵尾液营养盐回收装置，在微孔过滤管束外自上而下流动；液体培养基在微孔过滤管内自下而上流动，无机营养盐在浓度梯度的作用下由猪场发酵尾液扩散进入微孔过滤管内的液体培养基中；含有无机营养盐的液体培养基在泵的驱动下进入CO2预溶解模块，含CO2的气体经由CO2进气管、曝气器溶解至液体培养基内；溶解CO2的液体培养基在蠕动泵的驱动下，经由液体培养基输送管道输送至具有表面凸起形貌的透明固体导光材料的顶部，并在重力的作用下自上而下流过固体导光载体左右表面附着的微藻生物膜表面和内部，微藻细胞吸收利用液体培养基中的无机营养盐；含低浓度或不含无机营养盐的液体培养基从具有表面凸起形貌的固体导光载体的底端流出，经槽式液体培养基回收口汇入液体培养基回收容器；液体培养基在泵的驱动下经液体培养基输送管道流回猪场发酵尾液营养盐回收装置内的微孔过滤管，进入下一个循环。
附图说明
图1为本发明所涉及的耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统示意图；
图2为本发明所涉及的猪场发酵尾液营养盐回收模块局部放大示意图；
图3为本发明所涉及的微藻生物膜吸附载体表面结构示意图；
图4为本发明所涉及的微藻生物膜培养模块局部放大示意图；
附图中，1—猪场发酵尾液入口流动方向，2—猪场发酵尾液出口流动方向，3—曝气器，4—泵，5—气体出口，6—CO2进气管，7—液体培养基流动方向，8—猪场发酵尾液营养盐回收装置，9—猪场发酵尾液，10—微孔过滤管，11—液体培养基，12—液体培养基输送管道，13—液体培养基回收容器，14—太阳光，15—线性菲涅尔透镜，16—具有表面凸起形貌的固体导光载体，17—凸起结构，18—微藻生物膜，19—槽式液体培养基回收口，20—猪场发酵尾液中氮磷等无机盐传输方向，21—凸起结构出射的太阳光。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于此：
如图1~4所示，耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统，主要包括猪场发酵尾液营养盐回收模块、CO2预溶解模块、微藻生物膜培养模块。猪场发酵尾液营养盐回收模块包括猪场发酵尾液营养盐回收装置8和微孔过滤管束10，猪场发酵尾液营养盐回收装置8具有圆柱体或立方体腔室结构形式，腔室内布置有大量具有微孔壁面结构的微孔过滤管束10，微孔孔径可选用0.22 μm、0.45 μm、0.8 μm；CO2预溶解模块包括曝气器3；微藻生物膜培养模块包括具有表面凸起结构的透明固体导光材料16，透明固体导光材料16竖直放置，左右两个表面均具有表面凸起结构17供微藻生物膜18附着微；透明固体导光材料16的顶部上方布置线性菲涅尔透镜15。各模块间通过管道相连通，在泵的驱动下实现各模块间的物质循环。在各个装置的协同配合下，实现该系统的长期连续稳定高效运行。
可通过改变微藻生物膜培养模块内固体导光载体尺寸、数量等方式实现该系统的放大化应用。CO2来源可以是电厂、化工厂等烟气，实现烟气CO2的减排。
实施例1
微藻生物膜18选用生长速率快、油脂含量高的斜生栅藻作为藻种，微孔过滤管10选用内径为5 mm、壁面平均孔径为0.22 μm的PTFE管。曝气器3选用平均孔径为1 mm、直径为50mm的砂芯曝气器，CO2气体的体积百分浓度为15%，CO2进气管6选用内径6 mm的PVC管，液体培养基11选用去除氮、磷的BG11培养基，液体培养基输送管道12选用内径4 mm的硅胶管，具有表面凸起形貌的固体导光载体16选用透明有机玻璃板，凸起结构17为正方体结构，正方体长宽高均为5 mm，凸起结构17均匀分布在具有表面凸起形貌的固体导光载体16的左右表面，泵4选用流量型蠕动泵。

Claims (6)

1.耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统，其特征在于，包括猪场发酵尾液营养盐回收模块、CO2预溶解模块、微藻生物膜培养模块，猪场发酵尾液营养盐回收模块包括腔室及其内分布的微孔过滤管束；CO2预溶解模块包括曝气器；微藻生物膜培养模块包括具有表面凸起结构的透明固体导光材料；各模块间通过管道相连通，在泵的驱动下实现各模块间的物质循环。
2.如权利要求1所述的耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统，其特征在于，所述微孔过滤管束的壁面微孔平均孔径小于微藻细胞和猪场发酵尾液中细菌的直径。
3.如权利要求1所述的耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统，其特征在于，所述透明固体导光材料是有机玻璃板、石英板或玻璃板，其表面凸起结构是长方体、正方体、圆柱体或圆锥体。
4.如权利要求1所述的耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统，其特征在于，所述透明固体导光材料的顶部的上方布置线性菲涅尔透镜。
5.如权利要求1所述的耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统，其特征在于，所述微藻生物膜培养模块中微藻生物膜的藻种为斜生栅藻藻种。
6.如权利要求1所述的耦合微藻高效培养的猪场发酵尾液连续式处理系统的运行工艺，其特征在于，猪场发酵尾液进入猪场发酵尾液营养盐回收装置，在微孔过滤管束外自上而下流动；液体培养基在微孔过滤管内自下而上流动，无机营养盐在浓度梯度的作用下由猪场发酵尾液扩散进入微孔过滤管内的液体培养基中；含有无机营养盐的液体培养基在泵的驱动下进入CO2预溶解模块，含CO2的气体经由CO2进气管、曝气器溶解至液体培养基内；溶解CO2的液体培养基在蠕动泵的驱动下，经由液体培养基输送管道输送至具有表面凸起形貌的透明固体导光材料的顶部，并在重力的作用下自上而下流过固体导光载体左右表面附着的微藻生物膜表面和内部，微藻细胞吸收利用液体培养基中的无机营养盐；含低浓度或不含无机营养盐的液体培养基从具有表面凸起形貌的固体导光载体的底端流出，经槽式液体培养基回收口汇入液体培养基回收容器；液体培养基在泵的驱动下经液体培养基输送管道流回猪场发酵尾液营养盐回收装置内的微孔过滤管，进入下一个循环。
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