CN113856624A - 微藻-生物质炭固载配合体的制备及同步净化沼液沼气的方法 - Google Patents

微藻-生物质炭固载配合体的制备及同步净化沼液沼气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微藻‑生物质炭固载配合体的制备方法，包括以下步骤：首先是以农林废弃物为原料采用微波法制备生物质炭；其次，以制备的生物质炭作为载体，固定包埋微藻，制备微藻‑生物质炭固载配合体。本发明还公开了利用上述方法制备的微藻‑生物质炭固载配合体用于高效同步净化沼液沼气的方法，将固载配合体投放至光生物反应器中，同时，利用泵将厌氧发酵沼液、沼气按照一定流速比通入至反应器中进行净化处理。本发明在实现农林废弃资源再生利用的同时，全面提升了微藻的净化能力，为微藻技术在沼液处理和沼气工程中的研究开辟新思路，并提供必要的理论指导与技术支撑。

Description

微藻-生物质炭固载配合体的制备及同步净化沼液沼气的 方法
技术领域
本发明涉及微藻-生物质炭固载配合体的制备方法及其应用方法，具体涉及微藻-生物质炭固载配合体的制备方法及其用于高效同步净化沼液沼气的方法，适用于污染生态学领域。
背景技术
近年来，我国畜禽养殖业发展迅速，养殖业已成为相对独立的产业。但是，因畜禽养殖业的快速发展，使得大量的畜禽排泄物给水体和土壤带来严重负担。目前，对畜禽排泄物的主要处理方法是厌氧发酵处理(王会.畜禽养殖业环境污染及防治对策分析[J].环保治理,2020,8:19.)。然而，厌氧发酵产生的沼液仍然含有大量的N、P等污染物质，需要对其进一步净化处理后方可排放。
微藻是单细胞浮游自养植物，目前已鉴定出40,000多种不同的物种。20世纪50年代，Oswald最先提出利用藻类技术修复水体。研究发现，利用废水和沼气进行微藻培养不仅可以去除废水中的污染物质，同时可以有效地提高沼气中的甲烷含量，提升沼气能源品位。其优势在于技术成本低廉，能耗低(Zhao,Y.J.,Guo G.Y.,Sun,S.Q.,et al.Co-pelletization of microalgae and fungi for efficient nutrient purification andbiogas upgrading[J].Bioresource Technology,2019,289:121656；Stiles,W.A.V.,Styles,D.,Chapman,S.P.,et al.Using microalgae in the circular economy tovalorise anaerobic digestate:challenges and opportunities[J].BioresourceTechnology,2018,267:732-742)。但是在实际工程应用中，由于藻细胞直径非常小(一般直径约为300μm)，微藻容易流失，导致废水净化效率低下，且微藻的回收率低。因此如何有效地将处理后的水与藻细胞分离是藻类处理废水应用的技术难点。
目前常用的方法是藻类固定化，即：利用载体将藻类以物理、化学方法固定，限定藻细胞在某一特定区域并保持生物活性。微生物细胞经固定化处理后，耐毒性、耐酸碱度等性能均有所提升。生物质炭是以生物质残体(主要是农林废弃物)为原料在高温或微波等条件下使有机物炭化制备的空隙结构丰富的材料。特殊的孔径结构为生物质炭提供巨大的比表面积，对废水中的COD、有机碳、乙酸、丙酸等有机物具有较大吸附性能(王伟.活性炭对水中有机物去除的研究[J].能源技术与管理,2017,42(5):151-152)。同时，生物质炭的孔隙结构还可以为微生物细胞提供较大的生存空间，利于微藻细胞的固定和生长(Ummalyma,S.B.,Gnansounou,E.,Sukumaran,R.K.,et al.Bioflocculation:An alternativestrategy for harvesting of microalgae-An overview[J].Bioresource Technology,2017,242:227-235)。已有研究表明，以生物质炭为载体固定微藻可以显著提升废水中有机污染物苯酚和重金属镉的去除效果。在此背景下，可以设想制备高效的微藻-生物质炭固载配合体并用于同步净化沼液沼气具有巨大应用前景。但是在现有技术中，尚无制备用于高效同步净化沼液沼气的微藻-生物质炭固载配合体的方法和产品，本申请的技术方案可为微藻-生物质炭固载配合体系在废水处理、沼气工程中的科学应用提供理论指导和数据支持。
发明内容
为解决现有技术中存在的沼液沼气生物净化效果差、藻细胞回收困难等问题，本发明提供了一种微藻-生物质炭固载配合体的制备方法，制得的固载配合体机械强度高、对沼液沼气净化效果优，满足了沼液沼气的高效净化需要。
为实现以上效果，本发明采用了以下技术方案：
一种微藻-生物质炭固载配合体的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)生物质炭的制备：将农林废弃物与磷酸按照一定比例混合均匀，超声条件下活化，然后采用功率为200～800W的微波处理酸活化的农林废弃物5～15min，制得的生物质炭经过水洗、干燥、粉碎处理，用于吸附微藻细胞；
步骤(2)微藻-生物质炭固载配合体制备：将处于生长对数期的微藻细胞洗涤并富集，获得藻细胞；将通过步骤(1)制备的生物质炭和载体加入到超纯水中混匀，混合液经高温高压灭菌后，冷却待用；将藻细胞与混合液混匀后，滴加至冷的交联剂CaCl2溶液中包埋，制得直径为2～3mm的微藻-生物质炭固载配合体。
在以上方法中，所述的农林废弃物为竹屑、玉米浆纤维芯、生物炼制木质素、甘蔗皮中的一种。
在步骤(1)中，所述磷酸的浓度为40％～80％，农林废弃物与磷酸比例为0.1～0.5g农林废弃物/1mL磷酸。
在以上步骤中，所用超声处理条件为：超声功率为100～400W，超声时间为20min～120min。
在以上方法中，所用微藻为小球藻、四尾栅藻、新月藻、衣藻、谷皮菱形藻中的一种，微藻处于对数期，藻密度为106～107cells/mL，使用前经灭菌超纯水洗涤三次并离心富集。
在以上固载配合体的制备中，所述的载体为海藻酸钠、聚乙烯醇中的一种或两种。
在以上方法的步骤(2)中，所述的制备微藻-生物质炭固载配合体的包埋条件为：生物质炭与微藻的初始比例为0.3～1.0g生物质炭/10mL藻细胞，CaCl2浓度按质量分数为1～6％。
本发明还公开了利用上述制备方法制备的微藻-生物质炭固载配合体用于高效同步净化沼液沼气的方法，所述方法包括将根据上述制备方法制备的微藻-生物质炭固载配合体投加至光生物反应器中，在不同光照策略下同步净化已灭菌处理的厌氧发酵沼液中的N、P营养物质和沼气中的CO2。其中，每次净化沼液量与沼气量的比值为1:7～1:1(v/v)，沼液和沼气总体积为8L，净化周期为10天。
在以上净化方法中，微藻-生物质炭固载配合体的投加量为50～200粒/100mL沼液。
在以上所述的沼液沼气净化过程中，光强为100～300μmol·m-2·s-1、光质为红光:蓝光＝(3～7):(7～3)、光暗比为8～16h光照/16～8h黑暗。
有益效果：
1.本发明采用微波法制备的生物质炭，比表面积大，制备方法简单可行；
2.本发明以生物质炭为固载体，制备的微藻-生物质炭固载配合体中微藻生长性能和光合性能良好，藻细胞无流失；
3.以本发明制备的微藻-生物质炭固载配合体同步净化沼液沼气，操作简单，且沼液中污染物质和沼气中CO2去除效果较优。
通过本发明方法制得的固载配合体机械强度高、对沼液沼气净化效果优，满足了沼液沼气的高效净化需要。
具体实施方式
为实现更高效的沼液沼气净化，本发明公开了一种微藻-生物质炭固载配合体的制备方法，包括以下步骤：首先是以农林废弃物为原料采用微波法制备生物质炭；其次，以制备的生物质炭作为载体，固定包埋微藻，制备微藻-生物质炭固载配合体。本发明还公开了利用上述方法制备的微藻-生物质炭固载配合体用于高效同步净化沼液沼气的方法，将固载配合体投放至光生物反应器中，同时，利用泵将厌氧发酵沼液、沼气按照一定流速比通入至反应器中进行净化处理。本发明在实现农林废弃资源再生利用的同时，全面提升了微藻的净化能力，为微藻技术在沼液处理和沼气工程中的研究开辟新思路，并提供必要的理论指导与技术支撑。
具体来说，本发明的方法包括以下步骤：
第1步，生物质炭的制备：将农林废弃物与磷酸按照一定比例混合均匀，超声条件活化1h后，采用功率为200～800W的微波处理酸活化的农林废弃物5～15min，制得的生物质炭经过水洗、干燥、粉碎处理，用于吸附微藻细胞。
第2步，微藻-生物质炭固载配合体制备：将10mL处于生长对数期的微藻经灭菌的超纯水三次洗涤、离心，获得藻细胞；将第1步制备的生物质炭(60～100目)和4g载体加入到100mL超纯水中混匀，混合液经高温高压灭菌后，冷却待用；将藻细胞与混合液混匀后，滴加至冷的交联剂CaCl2溶液中包埋，制得直径为2～3mm的微藻-生物质炭固载配合体。
第3步，微藻-生物质炭固载配合体净化沼液沼气：将第2步制备的微藻-生物质炭固载配合体投加至光生物反应器中，在不同光照策略(光强、光质、光暗比)下同步净化已灭菌处理的厌氧发酵沼液中的N、P营养物质、沼气中的CO2。其中，每次净化沼液量与沼气量的比值为1:7～1:1(v/v)，沼液和沼气总体积为8L，净化周期为10天。
在所述的微藻-生物质炭固载配合体的制备方法中，所述的农林废弃物为竹屑、玉米浆纤维芯、生物炼制木质素、甘蔗皮中的一种。
所述的微藻-生物质炭固载配合体的制备方法中所述的磷酸的浓度为40％～80％，农林废弃物与磷酸比例为0.1～0.5g/mL(磷酸)。
所述的超声处理条件为：超声功率为100～400W，超声时间为20min～120min。
所述的微藻为小球藻、四尾栅藻、新月藻、衣藻、谷皮菱形藻中的一种，微藻处于对数期，藻密度为106～107cells/mL，使用前经灭菌超纯水洗涤三次并离心富集。
在所述的微藻-生物质炭固载配合体的制备方法中，所述的载体为海藻酸钠、聚乙烯醇中的一种或两种。
在所述的微藻-生物质炭固载配合体的制备方法中，所述的制备微藻-生物质炭固载配合体的包埋条件为：生物质炭与微藻的初始比例为0.3～1.0g/10mL藻细胞，CaCl2浓度为1～6％。
在所述的微藻-生物质炭固载配合体净化沼液沼气的方法中，微藻-生物质炭固载配合体的投加量为50～200粒/100mL沼液。
在所述的微藻-生物质炭固载配合体净化沼液沼气的方法中，所述的沼液沼气净化过程中，光强、光质、光暗比分别为100～300μmol·m-2·s-1、红光:蓝光＝(3～7):(7～3)、(8～16)h光照/(16～8)h黑暗。
下面将结合具体实施例，进一步阐明本发明的方案和效果，应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在以下实施例中，本发明光生物反应器为实验室自行设计。
实施例1
(1)生物质炭的制备：将玉米浆纤维芯与磷酸(体积分数60％)按比例0.4g(玉米浆纤维芯)/mL(磷酸)混合均匀，超声功率为150W的条件活化1h后，采用功率为400W的微波处理酸活化的玉米浆纤维芯10min，经水洗、干燥、粉碎处理，制得生物质炭。
(2)微藻-生物质炭固载配合体制备：将10mL处于生长对数期的普通小球藻(编号FACHB-8，藻密度为4.8×106cells/mL)经灭菌的超纯水三次洗涤、离心，获得小球藻细胞；将(1)制备的生物质炭(60～100目)和5g海藻酸钠加入到100mL超纯水中混匀，混合液经高温高压灭菌后，冷却待用；生物质炭与小球藻的初始比例为0.5g生物炭/10mL藻细胞，将藻细胞与混合液混匀后，滴加至冷的、浓度为4％的CaCl2溶液中包埋，制得直径为2～3mm的微藻-生物质炭固载配合体。
(3)微藻-生物质炭固载配合体净化沼液沼气：将(2)制备的微藻-生物质炭固载配合体投加至光生物反应器中，净化已灭菌处理的厌氧发酵沼液中的N、P营养物质、沼气中的CO2。其中，沼液为4L，沼气为4L，固载配合体的投加量为120粒/100mL沼液，光强、光质、光暗比分别为200μmol·m-2·s-1、红光:蓝光＝5:5、12h光照/12h黑暗，净化周期为10天。
沼液沼气的净化效果见附表1。
实施例2：
(1)生物质炭的制备：将竹屑与磷酸(体积分数60％)按比例0.2g(竹屑)/mL(磷酸)混合均匀，超声功率为200W的超声条件活化40min后，采用功率为300W的微波处理酸活化的竹屑10min，经水洗、干燥、粉碎处理，制得生物质炭。
(2)微藻-生物质炭固载配合体制备：将10mL处于生长对数期的四尾栅藻(编号FACHB-44，藻密度为1.5×106cells/mL)经灭菌的超纯水三次洗涤、离心，获得藻细胞；将(1)制备的生物质炭(60～100目)和4g海藻酸钠加入到100mL超纯水中混匀，混合液经高温高压灭菌后，冷却待用；生物质炭与四尾栅藻的初始比例为0.3g生物炭/10mL藻细胞，将藻细胞与混合液混匀后，滴加至冷的、浓度为3％的CaCl2溶液中包埋，制得直径为2～3mm的微藻-生物质炭固载配合体。
(3)微藻-生物质炭固载配合体净化沼液沼气：将(2)制备的微藻-生物质炭固载配合体投加至光生物反应器中，净化已灭菌处理的厌氧发酵沼液中的N、P营养物质、沼气中的CO2。其中，沼液为6L，沼气为2L，固载配合体的投加量为60粒/100mL沼液，光强、光质、光暗比分别为100μmol·m-2·s-1、红光:蓝光＝3:7、8h光照/16h黑暗，净化周期为10天。
沼液沼气的净化效果见附表1。
实施例3
(1)生物质炭的制备：将甘蔗皮与磷酸(体积分数60％)按比例0.3g(甘蔗皮)/mL(磷酸)混合均匀，超声功率为250W的条件活化30min后，采用功率为500W的微波处理酸活化的甘蔗皮10min，经水洗、干燥、粉碎处理，制得生物质炭。
(2)微藻-生物质炭固载配合体制备：将10mL处于生长对数期的新月藻(编号FACHB-61，藻密度为6.2×106cells/mL)经灭菌的超纯水三次洗涤、离心，获得藻细胞；将(1)制备的生物质炭(60～100目)和2g海藻酸钠、1g聚乙烯醇加入到100mL超纯水中混匀，混合液经高温高压灭菌后，冷却待用；生物质炭与新月藻的初始比例为0.7g生物炭/10mL藻细胞，将藻细胞与混合液混匀后，滴加至冷的、浓度为4％的CaCl2溶液中包埋，制得直径为2～3mm的微藻-生物质炭固载配合体。
(3)微藻-生物质炭固载配合体净化沼液沼气：将(2)制备的微藻-生物质炭固载配合体投加至光生物反应器中，净化已灭菌处理的厌氧发酵沼液中的N、P营养物质、沼气中的CO2。其中，沼液为5L，沼气为3L，固载配合体的投加量为80粒/100mL沼液，光强、光质、光暗比分别为300μmol·m-2·s-1、红光:蓝光＝7:3、16h光照/8h黑暗，净化周期为10天。
所述的微藻-生物质炭固载配合体净化沼液沼气的方法，其特征在于，微藻-生物质炭固载配合体的投加量为50～200粒/100mL沼液。
沼液沼气的净化效果见附表1。
对比例1：单一微藻同步净化沼液沼气
将处于生长对数期的普通小球藻(编号FACHB-8，藻密度为4.8×106cells/mL)经灭菌的超纯水三次洗涤、离心，取与实施例1相同生物量的藻细胞同步净化沼液沼气。
其他沼液沼气净化条件与实施例1相同，沼液沼气的净化效果见附表1。
对比例2：单一生物质炭同步净化沼液沼气
取与实施例1相同种类、相同质量的生物质炭净化沼液沼气。其他沼液沼气净化条件与实施例1相同，沼液沼气的净化效果见附表1。
表1厌氧发酵沼液沼气同步净化效果
Figure BDA0003271033420000061
Figure BDA0003271033420000071
如表1所示：这3个实施例和对比例1可以看出微藻-生物质炭固载配合体对沼液沼气的净化效果比微藻单一培养的模式净化效果好；实施例1和对比例2可以看出微藻-生物质炭固载配合体对沼液的净化效果比生物质炭的净化效果好，而且生物质炭不能去除沼气中的CO2。
上述沼液中化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)分别按照国家环境保护标准HJ 828-2017重铬酸盐法、HJ 636-2012(碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法)、GB11893-89(钼酸铵分光光度法)、HJ535-2009(纳氏试剂分光光度法)进行测试；沼气中CO2含量采用气相色谱进行测试；高温高压灭菌条件为121℃、15分钟。
上面结合具体实施例对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种微藻-生物质炭固载配合体的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)生物质炭的制备：将农林废弃物与磷酸按照一定比例混合均匀，超声条件下活化，然后采用功率为200～800W的微波处理酸活化的农林废弃物5～15min，制得的生物质炭经过水洗、干燥、粉碎处理，用于吸附微藻细胞；
步骤(2)微藻-生物质炭固载配合体制备：将处于生长对数期的微藻藻细胞洗涤并富集，获得藻细胞；将通过步骤(1)制备的生物质炭和载体加入到超纯水中混匀，混合液经高温高压灭菌后，冷却待用；将藻细胞与混合液混匀后，滴加至冷的交联剂CaCl2溶液中包埋，制得直径为2～3mm的微藻-生物质炭固载配合体。
2.根据权利要求1所述的微藻-生物质炭固载配合体的制备方法，其特征在于，所述的农林废弃物为竹屑、玉米浆纤维芯、生物炼制木质素、甘蔗皮中的一种。
3.根据权利要求1所述的微藻-生物质炭固载配合体的制备方法，其特征在于，所述磷酸的浓度为40％～80％，农林废弃物与磷酸比例为0.1～0.5g农林废弃物/1mL磷酸。
4.根据权利要求1所述的微藻-生物质炭固载配合体的制备方法，其特征在于，所用超声处理条件为：超声功率为100～400W，超声时间为20min～120min。
5.根据权利要求1所述的微藻-生物质炭固载配合体的制备方法，其特征在于，所用所用微藻为小球藻、四尾栅藻、新月藻、衣藻、谷皮菱形藻中的一种，微藻处于对数期，藻密度为106～107cells/mL，使用前经灭菌超纯水洗涤三次并离心富集。
6.根据权利要求1所述的微藻-生物质炭固载配合体的制备方法，其特征在于，所述的载体为海藻酸钠、聚乙烯醇中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的微藻-生物质炭固载配合体的制备方法，其特征在于，所述的制备微藻-生物质炭固载配合体的包埋条件为：生物质炭与小球藻的初始比例为0.3～1.0g生物质炭/10mL藻细胞，CaCl2浓度按质量分数为1～6％。
8.一种同步净化沼液沼气的方法，其特征在于，所述方法包括将根据权利要求1至7中任一权利要求的制备方法制备的微藻-生物质炭固载配合体投加至光生物反应器中，在不同光照策略下同步净化已灭菌处理的厌氧发酵沼液中的N、P营养物质、沼气中的CO2，其中，每次净化沼液量与沼气量的比值为1:7～1:1(v/v)，沼液和沼气总体积为8L，净化周期为10天。
9.根据权利要求8所述的同步净化沼液沼气的方法，其特征在于，微藻-生物质炭固载配合体的投加量为50～200粒/100mL沼液。
10.根据权利要求8所述的同步净化沼液沼气的方法，其特征在于，所述的沼液沼气净化过程中，光强为100～300μmol·m-2·s-1、光质为红光:蓝光＝3～7:7～3、光暗比为8～16h光照/16～8h黑暗。
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