CN113481141B - 一种利用污泥提取液耦合co2定向培养富集高价值微藻生物质的方法及定向培养微藻装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微藻培养，特别是涉及一种利用污泥提取液耦合CO2定向培养富集高价值微藻生物质的方法及定向培养微藻装置。本发明提供了一种利用污泥提取液耦合CO2定向培养富集高价值微藻生物质的方法，包括以下步骤：将污泥进行超声破碎，得污泥提取液；将微藻接种于污泥提取液，在接种微藻所得的污泥混合液中添加外源植物激素后进行第一培养；第一培养5～8d后通入CO2进行第二培养，第二培养至微藻稳定期。本发明所述方法利用污泥提取液耦合CO2能够有效提高微藻增值类生物质的产量。
Description
技术领域
本发明涉及微藻培养，特别是涉及一种利用污泥提取液耦合CO2定向培养富集高价值微藻生物质的方法及定向培养微藻装置。
背景技术
CO2长期大量排放会引发温室效应，近年来，世界各国对于CO2的排放控制和污染治理方面愈发重视，中国也不例外。随着“碳中和”目标的提出，我国预争取2060年前实现“碳中和”，不仅需削减CO2源排放，还需增加对CO2的吸收。
随着工业化的发展，我国工业废水年产量也随之增加。有些废水中含有大量毒性大、难降解的成分，增大了废水的处理难度。利用生物多单元组合工艺处理工业废水是一种可行方案，但在生物处理过程中可能会产生大量毒性剩余污泥，毒性剩余污泥属于危险固体废物，处理成本较高，如果未得到有效的处理与处置，将会对环境和人体造成巨大危害。然而，毒性剩余污泥并非毫无用处。
微藻具有光合作用效率高、生长周期短、不需占用农业用地、环境适应能力强等特点。微藻易优化调控提高产量、易粉碎和干燥、且可生产高价值的副产物如蛋白质、色素等。
因此，如何合理且正确利用污泥和CO2提高微藻增值类生物质的微藻培养方法是当前亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用污泥提取液耦合CO2定向培养富集高价值微藻生物质的方法及定向培养微藻装置。本发明所述方法利用污泥提取液耦合CO2能够有效提高微藻增值类生物质的产量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种利用污泥提取液耦合CO2定向培养富集高价值微藻生物质的方法，包括以下步骤：
将污泥进行超声破碎，得污泥提取液；
将微藻接种于污泥提取液，在接种微藻所得的污泥混合液中添加外源植物激素后进行第一培养；
第一培养5～8d后通入CO2进行第二培养，第二培养至微藻稳定期。
优选的，所述超声为间歇超声；所述间歇超声为超声4s，停止4s；所述间歇超声的频率为15～25kHz，间歇超声的时间为20min，间歇超声的温度＜50℃。
优选的，以所述污泥提取液的体积计，所述微藻的初始接种密度为(1～5)×106cell/mL。
优选的，所述外源植物激素包括吲哚-3-乙酸和吲哚丁酸；所述吲哚-3-乙酸和吲哚丁酸的质量比为1:1，以所述污泥混合液的体积计，所述外源植物激素的浓度为0.1～10mg/L。
优选的，所述CO2的体积百分含量为10％～60％；所述CO2的通气量为1vvm，所述CO2的通气方式为间歇曝气；所述间歇曝气为通气4h，停止3h；所述间歇曝气产生的气泡直径为1～10μm。
优选的，所述第一培养和第二培养的温度分别为20～30℃，光照强度分别＞2000Lux，光暗比分别为(0.8～1.5):1。
本发明提供了一种生物肥料，所述生物肥料的有效成分包括上述方法培养得到的微藻。
本发明提供了上述生物肥料的制备方法，包括以下步骤：
将上述方法培养得到的微藻进行浓缩，得生物肥料；
或，
将上述方法培养得到的微藻进行CO2热风干燥处理，得到生物肥料。
本发明提供了一种定向培养富集高价值微藻装置，包括立柱式微藻光照培养单元1；所述立柱式微藻光照培养器1包括CO2气瓶3、微纳米气泡发生器6、污泥提取液-微藻接种均质器9、立柱式微藻光照培养器11；
所述立柱式微藻光照培养器11包括出料口10、灯源12、进料口13和出气孔14；所述CO2气瓶3和微纳米气泡发生器6连通；所述微纳米气泡发生器6与立柱式微藻光照培养器11底部连通；
所述微纳米气泡发生器6依次连通污泥提取液-微藻接种均质器9和立柱式微藻光照培养器11的进料口13。
本发明提供了一种基于定向培养富集高价值微藻的生物肥料制备装置，其特征在于，包括上述的定向培养富集高价值微藻装置和肥料制备单元2；所述肥料制备单元2包括CO2废气回收管15、离心器16和热风干燥器17；CO2废气回收管15与热风干燥器17连通。
有益效果：
本发明提供了一种利用污泥提取液耦合CO2定向培养富集高价值微藻生物质的方法，包括以下步骤：将污泥进行超声破碎，得污泥提取液；将微藻接种于污泥提取液，在接种微藻所得的污泥混合液中添加外源植物激素后进行第一培养；第一培养5～8d后通入CO2进行第二培养，第二培养至微藻稳定期。本发明将废泥废气资源化利用的思想与促进高价值微藻生物质生产的目标相结合，通过超声破碎技术可以提取污泥中的营养物质，用作培养微藻的液体培养基，在培养微藻的同时污泥毒性得到了削减，实现毒性剩余污泥“减量化、无害化、资源化”的目的；将CO2工业废气通入立柱式微藻光照培养系统作为微藻生长的碳源，同时投加外源植物激素促进微藻细胞多糖、蛋白质、脂质、光合色素的合成与积累，实现废泥废气资源化、微藻养殖条件优化、高价值生物质生产。
而且利用本发明所述方法培养得到的微藻富集的高价值微藻生物质，作为有机肥，代替化学肥料，应用于土壤改善和农作物产量提升。
另外本发明还提供了一种定向培养富集高价值微藻装置能够满足微藻的生长条件的同时，还能将所得微藻制备得到生物肥料。
附图说明
图1为定向培养富集高价值微藻装置的结构示意图；
图2为肥料制备单元的结构示意图；
图3为基于定向培养富集高价值微藻的生物肥料制备装置的结构示意图；
其中，1为立柱式微藻光照培养单元，2为肥料制备单元，3为CO2气瓶，4为连接软管，5为气体流量计，6为微纳米气泡发生器，7为隔膜泵，8为搅拌器，9为污泥提取液-微藻接种均质器，10为出料口，11为立柱式微藻光照培养器，12为灯源，13为进料口，14为出气孔，15为CO2废气回收管，16为离心器，17为热风干燥器。
具体实施方式
如无特殊要求，本发明所述物质和装置部件均为本领域技术人员常规购买所得即可。
本发明提供了一种利用污泥提取液耦合CO2定向培养富集高价值微藻生物质的方法，包括以下步骤：
将污泥进行超声破碎，得污泥提取液；
将微藻接种于污泥提取液，在接种微藻所得的污泥混合液中添加外源植物激素后进行第一培养；
第一培养5～8d后通入CO2进行第二培养，第二培养至微藻稳定期。
本发明将污泥进行超声破碎，得污泥提取液。在本发明中，所述超声优选为间歇超声；所述间歇超声优选为超声4s，停止4s；所述间歇超声的频率为优选15～25kHz，更优选为20kHz；所述间歇超声的功率优选为300w；所述间歇超声的时间优选为20min；所述间歇超声的温度优选为30～50℃，更优选为35～45℃，能够避免污泥提取液中含有的热不稳定、易水解或氧化特性的有效成分的流失。本发明采用超声破碎的方式对污泥进行破胞处理，释放胞内胞间水和有机质、营养元素等物质。本发明所述超声粉碎优选在超声波破碎仪中进行；本发明对所述超声波破碎仪的来源没有特殊限定，采用本领域技术人员常规购买所得即可；在本发明具体实施例中所述超声波破碎仪优选购自Gene Company Limited，货号优选为Covaris M220。
本发明所述污泥优选为剩余污泥；所述剩余污泥的VSS/TSS＞70％；所述剩余污泥为经重金属预去除后的工业废水二级生化处理后剩余污泥，其重金属达到农用污泥污染物控制标准(GB 4284-2018)；所述污泥提取液的含水率＞97wt.％。
本发明所述超声破碎后，优选还包括对所述超声破碎得到的初级污泥进行离心，得污泥提取液。在本发明中，所述污泥提取液优选为冷冻离心后所得上清液；所述离心的方式优选为冷冻离心机；所述冷冻离心的转速优选为10000～15000rpm，更优选12000rpm；所述冷冻离心的时间优选为5～15min，更优选10min；所述冷冻离心的温度优选为-25～-15℃，更优选为-20℃。本发明通过冷冻离心可以防止污泥中微藻生物质的流失，并且达到良好的固液分离效果。
本发明所述污泥提取液的主要水质指标优选如表1所示。
表1污泥提取液主要水质指标
得污泥提取液后，本发明将微藻接种于污泥提取液，在接种微藻所得的污泥混合液中添加外源植物激素后进行第一培养。本发明以所述污泥提取液的体积计，所述微藻的初始接种密度优选为(1～5)×106cell/mL，更优选为(1.5～4)×106cell/mL，最优选为2×106cell/mL；本发明在接种时，优选接种对数生长期的微藻。
本发明所述微藻接种前，优选包括对所述污泥提取液进行高压灭菌；所述高压灭菌的温度优选为121℃；所述高压灭菌的时间优选为60min；所述高压灭菌的压力优选为0.15～0.20MPa。
在本发明中，所述外源植物激素包括吲哚-3-乙酸(IAA)和吲哚丁酸(IBA)；所述吲哚-3-乙酸和吲哚丁酸的质量比优选为1:1；本发明以所述污泥混合液的体积计，所述外源植物激素的浓度优选为0.1～10mg/L，更优选为1mg/L。
本发明第一培养5～8d后通入CO2进行第二培养，第二培养至微藻稳定期。在本发明中，所述CO2可以为CO2废气，所述CO2废气中CO2的体积百分含量优选为10％～60％，更优选为15％～55％，进一步优选为20％～50％，最优选为25％～45％；本发明能够实现高浓度CO2废气的利用，解决了现有技术中高浓度CO2废气难处理的问题。
本发明所述CO2废气中CO2的体积百分含量为本发明能够处理的浓度范围；若CO2废气中S、N体积百分含量不会对培养微藻过程中的pH造成重大影响，即培养微藻过程中pH维持在5.5～7之间，则无需进行经脱硫脱氮处理；若CO2废气中S、N体积百分含量对培养微藻过程中的pH造成重大影响，即培养微藻过程中pH＜5.5，则CO2废气优选为经脱硫脱氮处理的CO2废气；所述经脱硫脱氮处理的CO2废气中CO2的体积百分含量优选为10％～60％，更优选为15％～55％，进一步优选为20％～50％，最优选为25％～45％；所述经脱硫脱氮处理的CO2废气的通气量优选为1vvm；所述CO2的通气方式优选包括间歇曝气；所述间歇曝气优选为通气4h，停止3h。本发明所述通入CO2优选在微纳米气泡发生装置中进行；微纳米气泡发生装置产生的气泡直径优选为1～10μm，更优选为1μm，形成的微小气泡有利于增加CO2的溶解度，提高CO2在微藻培养装置的停留时间，强化微藻培养系统内气液混合传质，提高微藻生长速率以及固碳速率，达到微藻高效固定CO2的目的。本发明对所述微纳米曝气装置的来源没有特殊限定，采用本领域技术人员常规购买所得即可；在本发明具体实施例中，所述微纳米爆气装置优选购自上海益顿机电设备有限公司，货号优选为CQM450。
在本发明中，所述第一培养和第二培养的的温度分别优选为20～30℃，更优选为25℃；进一步的，所述第一培养和第二培养的温度优选为相同的温度；所述第一培养和第二培养的光照强度分别优选＞2000Lux，更优选为3000～4000Lux；进一步的，所述第一培养和第二培养的光照强度优选为相同的温度；所述第一培养和第二培养的光暗比分别优选为(0.8～1.5):1，更优选为1.4:1；进一步的，所述第一培养和第二培养的光暗比优选为相同的温度；在本发明的实施例，光照培养和黑暗培养的周期为(8～15)h:10h，进一步优选为14h:10h；所述第一培养和第二培养的pH均优选为5.5～7，更优选为5.7～6.8，进一步优选为6～6.5；所述第一培养和第二培养均优选在立柱式微藻光照培养器中进行；所述立柱式微藻光照培养器优选为立柱式微藻光照培养箱；所述立柱式微藻光照培养箱优选购自东海县艾尔法石英制品有限公司。
在本发明中，所述微藻优选包括绿藻，更优选为小球藻(Chlorella)、栅藻(Scenedesmus)、绿球藻(Chlorococcum)和衣藻(Chlamydomonas)中的一种或几种；所述栅藻优选包括斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)；所述小球藻优选包括普通小球藻(Chlorella vulgaris)、椭圆小球藻(Chlorella ellipsoidea)蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)。本发明对所述微藻的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员常规购买所得即可；在本发明中，所述微藻优选购自中国科学院淡水藻种库。
本发明将废泥废气资源化利用的思想与促进高价值微藻生物质生产的目标相结合，通过超声破碎对污泥进行破胞处理制备污泥提取液，利用污泥提取液中的有机质、营养元素进行微藻养殖，利用微纳米曝气装置将已进行脱硫脱氮处理的高浓度CO2工业废气作为微藻生长的碳源，同时投加外源植物激素促进微藻细胞多糖、蛋白质、脂质、光和色素的合成与积累，实现废泥废气资源化、微藻养殖条件优化、高价值生物质生产、微藻生物质制作有机肥的综合利用。
本发明提供了一种生物肥料，所述生物肥料的有效成分优选包括上法培养得到的微藻。利用本发明所述方法制备得到的微藻富集的高价值微藻生物质，可制作为有机肥，代替化学肥料，应用于土壤改善和农作物产量提升。
本发明提供了上述生物肥料的制备方法，包括以下步骤：
将上述方法培养得到的微藻进行浓缩，得生物肥料；
或，
将上方法培养得到的微藻进行CO2热风干燥处理，得到生物肥料。
本发明将上述方法培养得到的微藻进行浓缩，得生物肥料，即液体肥料。
所述浓缩后，本发明优选对浓缩后所得浓缩微藻液进行低温保存。本发明对所述浓缩和低温保存的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的方式即可。
本发明将上方法培养得到的微藻进行CO2热风干燥处理，得到生物肥料，即固体肥料(藻粉)。在本发明中，所述CO2热风干燥处理的温度优选控制在40～60℃，更优选为45～55℃，最优选50℃；所述CO2热风干燥处理的时间优选为2～5h，更优选为2.5～4.5h，最优选为3h。
所述CO2热风干燥处理前，本发明优选包括对微藻进行离心。在本发明所述所述离心的转速优选为5000rpm，所述离心的时间优选为10min，能达到固液分离的目的。
本发明优选对离心后所得沉淀物进行CO2热风干燥处理，得到生物肥料。在本发明中，所述生物肥料的用量优选为25～75g/m2，更优选为30～70g/m2，最优选为50g/m2。
本发明通过CO2热风干燥处理使得肥料中生物质有效含量得到进一步纯化和富集；尤其利用CO2热风干燥处理得到的微藻中细胞密度优选高达5×107cell/mL，干重优选高达1g/L，多糖含量优选高达300mg/L、蛋白质含量优选高达400mg/L、脂质含量优选高达200mg/L、类胡萝卜素优选高达5mg/L。本发明采用CO2热风干燥，与普通的空气热风干燥相比能够减少微藻生物质被空气中的氧气氧化而流失，有利于微藻细胞多糖、蛋白质、脂质、类胡萝卜素的纯化与富集，同时还能避免CO2废气再次排入大气造成二次污染。
在本发明中，所述微藻的制备优选在定向培养富集高价值微藻装置中进行。
本发明提供了一种定向培养富集高价值微藻装置，所述定向培养富集高价值微藻装置的结构如图1所示，包括立柱式微藻光照培养单元1；所述立柱式微藻光照培养单元1包括CO2气瓶3、微纳米气泡发生器6、污泥提取液-微藻接种均质器9、立柱式微藻光照培养器11。
如下结合附图1对本发明提供的定向培养富集高价值微藻装置进行详细说明。本发明提供的定向培养富集高价值微藻装置中所述立柱式微藻光照培养器11包括出料口10、光源12、进料口13和出气孔14；所述光源12优选为日光灯。
在本发明中，所述出料口10优选位于立柱式微藻光照培养器11的下部；所述灯源12优选位于立柱式微藻光照培养器11的内部；所述灯源12优选为日光灯；所述立柱式微藻光照培养器11优选为立柱式微藻培养箱；所述进料口13优选位于立柱式微藻光照培养器11的上部；所述出气孔14优选位于立柱式微藻光照培养器11的顶部。
在本发明中，所述CO2气瓶3与微纳米气泡发生器6相连通，优选为管道连通；进一步的，所述CO2气瓶3与微纳米气泡发生器6之间优选连通气体流量计5；所述微纳米气泡发生器6和立柱式微藻光照培养器11的底部连通；进一步的，所述CO2气瓶3优选通过连接软管4依次连通气体流量计5、微纳米气泡发生器6和立柱式微藻光照培养器11的底部；本发明将溶解在接种微藻后的污泥提取液中的CO2通入立柱式微藻光照培养器11，提供给微藻生长的碳源。在本发明中，所述微纳米气泡发生器6与污泥提取液-微藻接种均质器9连通，优选为管道连通；进一步的，所述微纳米气泡发生器6优选通过隔膜泵7连通污泥提取液-微藻接种均质器9；所述污泥提取液-微藻接种均质器9优选为污泥提取液-微藻接种均质箱。在本发明中，所述微纳米气泡发生器6通过隔膜泵7连接污泥提取液-微藻接种均质箱9，污泥提取液-微藻接种均质箱9中少量接种微藻后的污泥提取液进入微纳米气泡发生装置6，保证微纳米气泡发生装置6产生的CO2微纳米气泡溶解在污泥提取液中被微藻吸收利用；所述污泥提取液-微藻接种均质箱9中的污泥提取液和微藻在搅拌器7搅拌作用下能够达到充分的混合，有利于微藻的生长。
在本发明中，所述污泥提取液-微藻接种均质器9与立柱式微藻光照培养器11连通，优选为管道连通，进一步的，所述所述污泥提取液-微藻接种均质箱8优选通过隔膜泵7与立柱式微藻光照培养器11的进料口13连通。本发明利用隔膜泵7能够将污泥提取液-微藻接种均质箱9中的微藻接种液泵入立柱式微藻光照培养器11中。
本发明还提供了一种基于定向培养富集高价值微藻的生物肥料制备装置，包括前述技术方案所述的定向培养富集高价值微藻装置和肥料制造单元2；所述肥料制备单元2包括CO2废气回收管15、离心器16和热风干燥器17；所述离心器16优选为离心机；所述热风干燥器17优选为热风干燥箱；CO2废气回收管15与热风干燥器17连通。
如下结合附图2和图3对本发明提供的基于定向培养富集高价值微藻的生物肥料制备装置进行详细说明。在本发明中，所述定向培养富集高价值微藻装置已经在前文进行了详细的介绍，在此不做赘述。
在本发明中，所述定向培养富集高价值微藻装置的立柱式微藻光照培养器11与CO2废气回收管15连通，优选通过出气口14连通，CO2废气回收管15与热风干燥器17连通，优选通过CO2废气回收管15连通，将未被利用的CO2废气通入热风干燥器17；本发明通过CO2废气回收管15将未被利用的CO2废气通入热风干燥器17能够充分利用CO2，避免CO2的浪费，而且热风干燥器17还可以利用未被利用的CO2废气进行CO2热风干燥处理，利于微藻细胞多糖、蛋白质、脂质、类胡萝卜素的纯化与富集，同时还能避免CO2废气再次排入大气。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种利用污泥提取液耦合CO2定向培养富集高价值微藻生物质的方法及定向培养微藻装置进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
取上海白龙港污水处理厂A2O单元剩余污泥，其中，剩余污泥的VSS/TSS＞70％；所述剩余污泥为经重金属预去除后的工业废水二级生化处理后剩余污泥，其重金属达到农用污泥污染物控制标准(GB 4284-2018)，对其进行超声破碎处理，使用频率为20kHz、功率为300w的超声波破碎仪，超声探头(直径0.8cm，长度12.9cm)放置于污泥中间，浸没深度为8cm，超声4s，暂停4s，冰水浴控制污泥混合液温度为30～50℃，处理20min，对超声后获得的泥水混合液进行4℃、12000rpm冷冻离心10min，保留上清液成为污泥提取液，污泥提取液中常规指标如表1所示。
实施例2
参考图1中的结构图：
将实施例1中所得污泥提取液经过121℃、0.17MPa(压力)高压灭菌处理60min，流入立柱式微藻光培养箱，接种对数生长期的普通小球藻，初始接种密度为2×106cell/mL，投加外源植物激素(吲哚-3-乙酸和吲哚丁酸的质量比为1:1)，用量为1mg/L，空白组用BG11培养基代替污泥提取液进行上述操作，在温度25±1℃，光照强度4000Lux，光暗比1.4:1的环境下混合培养，第5d时开始用微纳米气泡发生装置通入10％的CO2废气，其中，CO2废气经脱硫脱氮处理，CO2废气的通气量为1vvm；通气4h，停止3h，微纳米气泡发生装置产生的气泡直径为1μm，在立柱式微藻光培养箱中培养，温度25±1℃，光照强度4000Lux，光暗比1.4:1的环境下，pH为7.02，培养20d后测定细胞密度和干重，实验结果见表2。
表2普通小球藻第20d的生长情况
| BG11 | 污泥提取液 | |
| 细胞密度(106cell/mL) | 48.5±1.8 | 52.6±2.3 |
| 干重(g/L) | 0.94±0.02 | 1.23±0.04 |
由表2记载的可知，采用污泥提取液培养普通小球藻所获得的细胞密度和干重均大于采用BG11培养基培养普通小球藻。
实施例3
将实施例1中所得污泥提取液经过121℃、0.17MPa(压力)高压灭菌处理60min，流入立柱式微藻光培养箱，接种对数生长期的普通小球藻，初始接种密度为2×106cell/mL，投加外源植物激素(吲哚-3-乙酸和吲哚丁酸的质量比为1:1)，用量为1mg/L，第5d时开始利用微纳米气泡发生装置分别通入空气(CO2浓度为0.05％)和浓度为10％、20％、30％、40％、50％的CO2废气(CO2废气为经脱硫脱氮处理的CO2废气)，其中，CO2废气经脱硫脱氮处理，以CO2废气计，CO2废气的通气量为1vvm；通气4h，停止3h，微纳米气泡发生装置产生的气泡直径为1μm，在立柱式微藻光培养箱中培养，温度25±1℃，光照强度4000Lux，光暗比1.4:1(14h:10h)的环境下，pH为7.02，混合培养20d，即在上面这些参数和要求下进行培养，实验结果见表3。
表3普通小球藻第20d的生长情况
由表3记载的可知，普通小球藻经过2d的适应期后，在30％CO2浓度下生长的最好，细胞密度达到9.03×107cell/mL，干重为1.88g/L，通入CO2培养优于空气中培养普通小球藻。
实施例4
将实施例1中所得污泥提取液经过121℃、0.17MPa(压力)高压灭菌处理60min，流入立柱式微藻光培养箱，接种对数生长期的斜生栅藻，初始接种密度为2×106cell/mL，投加外源植物激素(吲哚-3-乙酸和吲哚丁酸的质量比为1:1)，用量为1mg/L，第5d时开始利用微纳米气泡发生装置通入含30％CO2的工业废气(即CO2废气)，其中，CO2废气经脱硫脱氮处理，以CO2废气计，CO2废气的通气量为1vvm；通气4h，停止3h，微纳米气泡发生装置产生的气泡直径为1μm，在温度25±1℃，光照强度4000Lux，光暗比1.4:1的环境下，混合培养20d，实验结果见表4。
表4 30％CO2下污泥提取液培养斜生栅藻各类物质含量
由表4记载的可知，斜生栅藻细胞密度达到8.1×107cell/mL，干重为1.78g/L，其藻细胞内部多糖、蛋白质和脂质等增值类物质的含量菌随着培养时间的增长而增加。
实施例5
将实施例1中所得污泥提取液经过121℃、0.17MPa(压力)高压灭菌处理60min，流入立柱式微藻光培养箱，接种对数生长期的斜生栅藻，初始接种密度为2×106cell/mL，投加外源植物激素(吲哚-3-乙酸和吲哚丁酸的质量比为1:1)，用量为1mg/L，第5d时开始利用微纳米气泡发生装置通入CO2浓度为30％的工业废气(即CO2废气)，其中，CO2废气经脱硫脱氮处理，以CO2废气计，CO2废气的通气量为1vvm；通气4h，停止3h，微纳米气泡发生装置产生的气泡直径为1μm，在温度25±1℃，光照强度4000Lux，光暗比1.4:1的环境下，混合培养20d，探究斜生栅藻对其中有机物去除和毒性削除作用，实验结果见表5。
表5 TOC及毒性抑制率变化
由表5记载的可知，微藻在利用污泥提取液中物质进行生命活动的同时也会去除污泥有机毒性，TOC从初始的333.7±12.4mg/L，在第15d降低至97.3±3.3mg/L，降低了70.8％，第15d到第20d，TOC含量反而上升，推测是因为微藻生长后期会代谢分泌大量多糖、蛋白质类物质进入液相，增加了液相中TOC含量。用青海弧菌发光强度表征液相的毒性，发现污泥提取液被微藻利用后，有机毒性从89.9±1.5％降低至29.3±0.9％，综上所述，我们获得微藻生物质的同时，微藻也降解了污泥提取液中的难降解有机物，削除了其有机毒性。
实施例6
将实施例1中所得污泥提取液经过121℃、0.17MPa(压力)高压灭菌处理60min，流入立柱式微藻光培养箱，接种对数生长期的蛋白核小球藻，初始接种密度为2×106cell/mL，投加外源植物激素(吲哚-3-乙酸和吲哚丁酸的质量比为1:1)，用量为1mg/L，第5d时开始利用微纳米气泡发生装置分别通入空气(CO2浓度为0.05％)和浓度为20％、30％的CO2废气，其中，CO2废气经脱硫脱氮处理，以CO2废气计，CO2的通气量为1vvm；通气4h，停止3h，微纳米气泡发生装置产生的气泡直径为1μm，在温度25±1℃，光照强度4000Lux，光暗比1.4:1的环境下，混合培养20d，探究已经过脱硫脱氮处理后的CO2废气中残留气体对微藻培养过程中pH的影响。实验结果见表6。
表6培养过程中培养体系的pH变化
由表6记载的可知，微藻适宜在中性和弱碱性的环境中生长，原始污泥提取液呈中性，但液相pH随着通入气体CO2浓度的增加而减小，溶液逐渐酸化，已经过脱硫脱氮处理后的废气中残留的气体SO2、NO2等对溶液pH影响不大。随着微藻培养的天数增加，液相中pH渐渐回升，表明随着蛋白核小球藻对酸性环境的适应，蛋白核小球藻在此pH范围下仍能保持良好生长。
实施例7
参考图2中的结构图：
取100mL实施例3中所得藻液(普通小球藻细胞密度为9.03×107cell/mL)，离心(5000rpm，10min)后除去上清液，加入去离子水摇匀，再次离心得到藻泥，向藻泥中加入80％乙醇制成悬浊液，放入超声波破碎仪(20kHz、300w)，冰浴破碎10min(超声4s，间隔4s)。摇动破碎液后再次离心(5000rpm，10min)，离心后的上清液为提取物浓缩液，减压蒸馏除去乙醇，得到提取液母液。
实施例8
选择白菜和生菜种子各100粒，用75％乙醇及0.2％KMnO4消毒，然后用蒸馏水(无菌水)冲洗三次，再用滤纸将种子表面水分吸干。试验设蒸馏水空白(空白组)、实施例7中所得小球藻提取液(实验组)共2个处理，3次重复。取1g土壤，装入内径15cm的培养皿内，空白组加入10mL蒸馏水，实验组加入10mL实施例7中所得小球藻提取液，摇匀，溶液表面覆盖l层大小适中的滤纸，使其润湿，每个培养皿内分别覆上3片滤纸，并放置浸泡过的100粒种子，覆盖保鲜膜保湿，于室温(23～25℃)下培养，每隔24h观察记录种子发芽数，发芽以芽长达到种子长度的1/2为标准，并计算发芽率，平均发芽率取整数。结果如表7所示。
表7普通小球藻提取液对种子发芽率的影响(％)
由表7记载的可知，实验组(普通小球藻提取液)处理的白菜和生菜种子的发芽情况较空白组好。
实施例9
取250mL实施例3中所得藻液(普通小球藻细胞密度为9.03×107cell/mL)，离心(5000rpm，10min)后除去上清液，加入去离子水摇匀，再次离心得到藻泥，将藻泥放入热风干燥箱中，用CO2热风干燥在温度为40℃的条件下干燥3h，干燥后得到普通小球藻藻粉。
实施例10
设置盆栽实验，土样取自农田10～20cm的耕作层，受试种子选择黄瓜和甜瓜，两类种子均设置实验组和空白组，实验组施加实施例9中得到的普通小球藻藻粉，施入时间分别为种子播种前5d，播种后到开花前每7d撒施一次，开花后每5d撒施一次，共撒施15次，每次的用量为50g/m2，空白组不施加任何肥料。每盆土壤中播种5粒种子，均匀置于花盆中，种子种植深度约为1～2cm，每天记录长势。结果如表8所示。
表8普通小球藻藻粉对黄瓜和甜瓜生长(第30d)的影响
由表8记载的可知，实验组(普通小球藻藻粉)处理的黄瓜和甜瓜在第30d的长势较空白组好，在株高、茎直径、叶片数和最大叶片宽这四个指标上面均有具体体现。
由上述实施例记载的可知，本发明将废泥废气资源化利用的思想与促进高价值微藻生物质生产的目标相结合，通过超声破碎技术可以提取污泥中的营养物质，用作培养微藻的液体培养基，在培养微藻的同时污泥毒性得到了削减，实现毒性剩余污泥“减量化、无害化、资源化”的目的；将CO2工业废气通入立柱式微藻光照培养系统作为微藻生长的碳源，同时投加外源植物激素促进微藻细胞多糖、蛋白质、脂质、光合色素的合成与积累，实现废泥废气资源化、微藻养殖条件优化、高价值生物质生产。
而且利用本发明所述方法培养得到的微藻富集的高价值微藻生物质，作为有机肥，代替化学肥料，应用于土壤改善和农作物产量提升。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (8)
1.一种利用污泥提取液耦合CO2定向培养富集高价值微藻生物质的方法，其特征在于，由以下步骤组成：
将污泥进行超声破碎，得污泥提取液，将污泥提取液导入立柱式微藻光照培养器(11)；在所述超声破碎后还进行离心；所述离心方式为冷冻离心；
将微藻接种于污泥提取液，在接种微藻所得的污泥混合液中添加外源植物激素后进行第一培养；所述外源植物激素为吲哚-3-乙酸和吲哚丁酸；所述吲哚-3-乙酸和吲哚丁酸的质量比为1:1，以所述污泥混合液的体积计，所述外源植物激素的浓度为0.1~10mg/L；
第一培养5~8d后使用微纳米气泡发生器(6)通入CO2进行第二培养，第二培养至微藻稳定期；
所述CO2的体积百分含量为10％~60％；所述CO2的通气量为1vvm，所述CO2的通气方式为间歇曝气；所述间歇曝气为通气4h，停止3h；所述间歇曝气产生的气泡直径为1~10μm；
所述微藻为绿藻；
所述第一培养和第二培养的温度分别为20~30℃，光照强度分别为2000~4000Lux，光暗比分别为(0.8~1.5):1；
所述定向培养富集高价值微藻生物质的方法基于定向培养富集高价值微藻装置进行，所述定向培养富集高价值微藻装置包括立柱式微藻光照培养单元(1)；所述立柱式微藻光照培养单元(1)包括CO2气瓶(3)、微纳米气泡发生器(6)、污泥提取液-微藻接种均质器(9)、立柱式微藻光照培养器(11)；
所述立柱式微藻光照培养器(11)包括出料口(10)、灯源(12)、进料口(13)和出气孔(14)；所述CO2气瓶(3)和微纳米气泡发生器(6)连通；所述微纳米气泡发生器(6)与立柱式微藻光照培养器(11)底部连通；
所述微纳米气泡发生器(6)依次连通污泥提取液-微藻接种均质器(9)和立柱式微藻光照培养器(11)的进料口(13)。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述超声为间歇超声；所述间歇超声为超声4s，停止4s；所述间歇超声的频率为15~25kHz，间歇超声的时间为20min，间歇超声的温度＜50℃。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，以所述污泥提取液的体积计，所述微藻的初始接种密度为(1~5)×106 cell/mL。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述第一培养和第二培养的温度为25±1℃，光照强度为4000Lux，光暗比为14:1。
5.一种生物肥料，其特征在于，所述生物肥料的有效成分包括权利要求1~4任一项所述方法培养得到的微藻。
6.权利要求5所述生物肥料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求1~4任一项所述方法培养得到的微藻进行浓缩，得生物肥料；
或，
将权利要求1~4任一项所述方法培养得到的微藻进行CO2热风干燥处理，得到生物肥料。
7.一种定向培养富集高价值微藻装置，其特征在于，包括立柱式微藻光照培养单元(1)；所述立柱式微藻光照培养单元(1)包括CO2气瓶(3)、微纳米气泡发生器(6)、污泥提取液-微藻接种均质器(9)、立柱式微藻光照培养器(11)；
所述立柱式微藻光照培养器(11)包括出料口(10)、灯源(12)、进料口(13)和出气孔(14)；所述CO2气瓶(3)和微纳米气泡发生器(6)连通；所述微纳米气泡发生器(6)与立柱式微藻光照培养器(11)底部连通；
所述微纳米气泡发生器(6)依次连通污泥提取液-微藻接种均质器(9)和立柱式微藻光照培养器(11)的进料口(13)；
所述微纳米气泡发生器(6)产生的气泡直径为1~10μm。
8.一种基于定向培养富集高价值微藻的生物肥料制备装置，其特征在于，包括权利要求7所述的定向培养富集高价值微藻装置和肥料制备单元(2)；所述肥料制备单元(2)包括CO2废气回收管(15)、离心器(16)和热风干燥器(17)；CO2废气回收管(15)与热风干燥器(17)连通。
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