CN113201439A - 一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置及其培养方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置，包括曝气系统、容器件、橡皮管，曝气系统包括依次管道连接的通气泵、控气阀、无菌滤器、加湿器，容器件包括容器体以及设置于容器体内并位于其下部的气体分散器，加湿器通过橡皮管与容器体的底部连通，容器体的顶部设有取样口，外周面上设有通气口，通气口和取样口均有打开和闭合两种状态。并公开了其培养方法。本发明可明显促进小球藻的生长，获得大量的小球藻生物质，非常有利于实现耦合缫丝废水处理的小球藻产业化培养。具有操作简便、实用性强等特点，不仅可以节约大量的水资源和营养盐，还可大大降低微藻规模化培养的生产成本，有利于大规模推广应用。

Description

一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置及其培养方法
技术领域
本发明涉及微藻生物技术领域，尤其是涉及一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置及其培养方法。
背景技术
自20世纪40年代末第一个密闭式微藻培养装置被报道以来，在过去的几十年里，许多不同类型的密闭式微藻培养装置被发明和生产用于微藻培养，其中一些已经实现了大规模的商业化生产。到目前为止，人们普遍认为密闭式微藻培养装置的发展限制了微藻的规模化培养和商业化应用，因此，密闭式微藻培养装置的设计和工程仍然是藻类培养领域的热点问题。而由于废水组成成分比较复杂，且不同藻类菌株的生长条件不同，因此微藻培养与废水处理相结合的密闭式微藻培养装置需要重新设计和改进。
在现有密闭式微藻培养装置的基础上，目前已有几种类型的密闭式微藻培养装置，用于微藻培养耦合废水处理。如Tan等设计了一种气升式循环密闭式微藻培养装置耦合厌氧消化淀粉废水培养微藻，并达到了化学需氧量去除率为65.99％，总氮去除率为83.06％，总磷去除率为96.97％的效果。Wu等通过设计一种特殊的膜组件阵列，开发了一种高效微藻膜式培养装置，并报道了生长在生物膜中的微藻可实现猪粪废水的深度净化，其化学需氧量、总氮和总磷的去除率分别为95.67％、69.55％和64.40％，但都存在装置成本过高的问题。目前，在密闭式微藻培养装置中培养微藻并耦合废水处理被认为是最有前景的、且经济可行和环境友好的方式，是生产藻类生物质的途径之一。因此，应设计和实施更多的新型、低成本的密闭式微藻培养装置，进而实现微藻培养与废水处理的耦合。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置，并提供了其培养方法，大大降低小球藻培养过程中的设备成本，并实现缫丝废水的净化处理，获得大量小球藻生物质。
技术方案：一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置，包括曝气系统、容器件、橡皮管，曝气系统包括依次管道连接的通气泵、控气阀、无菌滤器、加湿器，容器件包括容器体以及设置于容器体内并位于其下部的气体分散器，加湿器通过橡皮管与容器体的底部连通，容器体的顶部设有取样口，外周面上设有通气口，通气口和取样口均有打开和闭合两种状态。
进一步的，容器体为上部为圆柱体下部为圆锥体的桶装结构，气体分散器设置于圆锥体中，其中圆柱体的高H与圆锥体的高h的比值为2.3～2.5:1，圆柱体与圆锥体的容积比大约为6.5～7.5:1。
最佳的，气体分散器为芯构成的滤膜，气体分散器与容器体下部为圆锥体构成砂芯漏斗结构，圆柱体的半径R与圆锥体的气体分散器的半径r的比值为6.7～7:1。
进一步的，通气泵为电动小型通气泵，通气量为60～70L/min，控气阀为可调节金属氧气调节阀。
进一步的，无菌滤器直径为30～33mm，滤径为0.2～0.22μm。
进一步的，通气口为L型通气管，其一端与容器体外周面的上部连通。
通气口在培养小球藻时为开起状态，其他时间为闭合状态。取样口为可开合的塑料盖，多为闭合状态，只在采样时，其为开启状态。
一种使用上述的耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置进行小球藻培养的培养方法，包括以下步骤：
步骤一：打开曝气系统，通过通气泵吸取空气，调节控气阀和加湿器，空气经控气阀、无菌滤器、加湿器后通过橡皮管进入容器件中；
步骤二：打开取样口，将缫丝废水倒入容器体中，然后通过取样口将小球藻藻种接种到缫丝废水中，关闭取样口，空气经气体分散器与容器体中液体接触；
步骤三：将培养液培养7～10天，培养过程中检测缫丝废水的水质特征和小球藻的生长情况。
进一步的，在步骤二中，缫丝废水与小球藻藻种的接种密度为0.8～1.2g/L。
进一步的，在步骤一中，曝气系统的通气速度为3.0～3.5L air/L culture/min(vvm)。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本发明所提供的一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置及其培养方法，可有效降低小球藻培养过程中的设备成本，使其易于实现产业化应用。
(2)本发明所提供的一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置及其培养方法，可显著降低缫丝废水中化学需氧量、氮、磷等指标，从而起到净化废水的作用，这不仅有利于实现缫丝废水的资源化利用，还有利于改善农村生态环境，实现农村生态环境的良性循环。
(3)本发明所提供的一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置及其培养方法，可明显促进小球藻的生长，获得大量的小球藻生物质，非常有利于实现耦合缫丝废水处理的小球藻产业化培养。
(4)本发明所提供的一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置及其培养方法，该方法具有操作简便、实用性强等特点，不仅可以节约大量的水资源和营养盐，还可大大降低微藻规模化培养的生产成本，有利于大规模推广应用。
附图说明
图1为培养装置的结构示意图；
图2为小球藻在耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置中的生长曲线图；
图3为在耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置中废水化学需氧量的变化趋势图；
图4为在耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置中废水总氮含量的变化趋势图；
图5为在耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置中废水总磷含量的变化趋势图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，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。
一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置，如图1所示，包括曝气系统、容器件、橡皮管5，曝气系统包括依次管道连接的通气泵1、控气阀2、无菌滤器3、加湿器4，容器件包括容器体7以及设置于容器体7内并位于其下部的气体分散器6，加湿器4通过橡皮管5与容器体7的底部连通，容器体7的顶部设有取样口9，外周面上设有通气口8，通气口8为L型通气管，其一端与容器体7外周面的上部连通，通气口8和取样口9均有打开和闭合两种状态。
通气口8在培养小球藻时为开起状态，其他时间为闭合状态。取样口9为可开合的塑料盖，多为闭合状态，只在采样时，其为开启状态。
容器体7为上部为圆柱体下部为圆锥体的桶装结构，气体分散器6设置于圆锥体中，其中圆柱体的高H与圆锥体的高h的比值为2.3～2.5:1，圆柱体与圆锥体的容积比大约为6.5～7.5:1。气体分散器6为芯构成的滤膜，气体分散器6与容器体7下部为圆锥体构成砂芯漏斗结构，圆柱体的半径R与圆锥体的气体分散器6的半径r的比值为6.7～7:1。
容器体7的主要材料为聚氯乙烯塑料，通气泵1为电动小型通气泵，通气量为60～70L/min，控气阀2为可调节金属氧气调节阀，无菌滤器3为实验室用无菌滤器，无菌滤器3直径为30～33mm，滤径为0.2～0.22μm，加湿器4为气体加湿器。可选医用氧气加湿器，橡皮管5使用透明硅胶管。
上述的耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置进行小球藻培养的培养方法，包括以下步骤：
步骤一：打开曝气系统，通过通气泵吸取空气，调节控气阀和加湿器，曝气系统的通气速度为3.0～3.5L air/L culture/min(vvm)，空气经控气阀、无菌滤器、加湿器后通过橡皮管进入容器件中；
步骤二：打开取样口，将缫丝废水倒入容器体中，然后通过取样口将小球藻藻种接种到缫丝废水中，缫丝废水与小球藻藻种的接种密度为0.8～1.2g/L关闭取样口，空气经气体分散器与容器体中液体接触；
步骤三：将培养液培养7～10天，培养过程中检测缫丝废水的水质特征和小球藻的生长情况。
其中所述的缫丝废水水质特征，主要包括化学需氧量、总氮和总磷，其检测方法分别为GB 11914-89水质化学需氧量的测定(重铬酸盐法)、GB 11894-89水质总氮的测定(碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法)和GB 11893-89水质总磷的测定(钼酸铵分光光度法)。而小球藻的生长状况，以小球藻的干重为指标，其测定方法为GB 21805-2008化学品藻类生长抑制试验。此部分用于确定小球藻生长情况以及水质特征方便确定藻种后期回收时间。
充气泵接通电源，通过本培养装置的充气泵吸入空气，再通过控气阀调节气流大小，使通气速度维持在3.0～3.5L air/L culture/min(vvm)，吸入的空气再经无菌滤器和加湿器，使空气净化后并带有一定湿度后通过橡皮管进入容器件中，再由气体分散器进入容器体中与培养液混合。
以材质为聚氯乙烯塑料的废弃矿泉水瓶(体积4.5L)作为容器体，在其上部开设取样口，上侧部开设通气口，同时按图1所示，连接好通气泵、控气阀、无菌滤器、加湿器及气体分散器等部件，组成该培养装置的曝气系统。
连接好曝气系统后，打开充气泵和控气阀，使空气进入耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置的容器体中，然后，倒入3L缫丝废水，同时将小球藻藻种通过接种口接入缫丝废水中，使其初始浓度为0.8g/L；最后，维持3.34L air/L culture/min(vvm)的通气速度开始培养，在培养过程中每天或每两天检测一次缫丝废水的水质特征和小球藻的生长情况。
经过7天培养后，如图2所示，小球藻的生物量从0.8g/L增加到3.43g/L，如图3～5所示，小球藻对缫丝废水中化学需氧量、总氮和总磷的去除率分别达到66.88％、78.50％和97.31％。
通过同样的方式，只对小球藻藻种的接种密度以及曝气系统的通气速度进行调整，以小球藻藻种的初始浓度为1.2g/L、通气速度维持在3.5L air/L culture/min(vvm)开始培养，在培养过程中每天或每两天检测一次缫丝废水的水质特征和小球藻的生长情况，经过7天培养后，小球藻的生物量从1.2g/L增加到3.96g/L，小球藻对缫丝废水中化学需氧量、总氮和总磷的去除率分别达到69.08％、80.79％和93.08％。
以小球藻藻种的初始浓度为1.0g/L、通气速度维持3.0L air/L culture/min(vvm)开始培养，在培养过程中每天或每两天检测一次缫丝废水的水质特征和小球藻的生长情况，经过7天培养后，小球藻的生物量从1.0g/L增加到3.68g/L，小球藻对缫丝废水中化学需氧量、总氮和总磷的去除率分别达到70.21％、83.26％和95.83％。

Claims (9)

1.一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置，其特征在于：包括曝气系统、容器件、橡皮管(5)，曝气系统包括依次管道连接的通气泵(1)、控气阀(2)、无菌滤器(3)、加湿器(4)，容器件包括容器体(7)以及设置于容器体(7)内并位于其下部的气体分散器(6)，加湿器(4)通过橡皮管(5)与容器体(7)的底部连通，容器体(7)的顶部设有取样口(9)，外周面上设有通气口(8)，通气口(8)和取样口(9)均有打开和闭合两种状态。
2.根据权利要求1所述的一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置，其特征在于：容器体(7)为上部为圆柱体下部为圆锥体的桶装结构，气体分散器(6)设置于圆锥体中，其中圆柱体的高H与圆锥体的高h的比值为2.3～2.5:1，圆柱体与圆锥体的容积比大约为6.5～7.5:1。
3.根据权利要求2所述的一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置，其特征在于：气体分散器(6)为芯构成的滤膜，气体分散器(6)与容器体(7)下部为圆锥体构成砂芯漏斗结构，圆柱体的半径R与圆锥体的气体分散器(6)的半径r的比值为6.7～7:1。
4.根据权利要求1所述的一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置，其特征在于：通气泵(1)为电动小型通气泵，通气量为60～70L/min，控气阀(2)为可调节金属氧气调节阀。
5.根据权利要求1所述的一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置，其特征在于：无菌滤器(3)直径为30～33mm，滤径为0.2～0.22μm。
6.根据权利要求1所述的一种耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置，其特征在于：通气口(8)为L型通气管，其一端与容器体(7)外周面的上部连通。
7.一种使用权利要求1～6任一所述的耦合缫丝废水处理的小球藻培养装置进行小球藻培养的培养方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：打开曝气系统，通过通气泵吸取空气，调节控气阀和加湿器，空气经控气阀、无菌滤器、加湿器后通过橡皮管进入容器件中；
步骤二：打开取样口，将缫丝废水倒入容器体中，然后通过取样口将小球藻藻种接种到缫丝废水中，关闭取样口，空气经气体分散器与容器体中液体接触；
步骤三：将培养液培养7～10天，培养过程中检测缫丝废水的水质特征和小球藻的生长情况。
8.根据权利要求7所述的一种小球藻培养的培养方法，其特征在于包括：在步骤二中，缫丝废水与小球藻藻种的接种密度为0.8～1.2g/L。
9.根据权利要求7所述的一种小球藻培养的培养方法，其特征在于包括：在步骤一中，曝气系统的通气速度为3.0～3.5L air/L culture/min(vvm)。
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