CN115353980A - 一种利用微藻同步处理钢铁厂烟气废水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用微藻同步处理钢铁厂烟气废水的方法，所述方法包括：将微藻接种到含有废水的培养基上，同时向反应器中充入烟气进行固碳培养；所述烟气中CO2的浓度为23％‑28％。本发明利用钢铁厂热风炉烟气中高浓度CO2及经冲渣水脱硫后废水进行微藻培养，缩短了废水的运输距离；脱硫后废水中含有微藻生长所必须的营养物质及微量元素，如碳、氮、镁、钙及其他微量元素，且脱硫后废水的温度和pH适宜微藻生长，能够提高微藻生长速率，实现了热风炉烟气的碳减排、提高了CO2利用效率，同时耦合废水的资源化利用，有利于降低微藻工业化培养成本。
Description
技术领域
本发明属于微藻生物技术领域，涉及微藻培养技术，尤其涉及一种利用微藻同步处理钢铁厂烟气废水的方法。
背景技术
随着工业的发展和人口的增加，大气中CO2等温室气体的浓度增加，形成的温室效应受到越来越多的关注。近年来的全球变暖、极地冰川融化、海平面上升等一系列的问题都与CO2的温室效应有关。去年，钢铁行业碳排放量约占总碳排放量的15％，在所有制造业中居首位。钢铁行业各工序碳排放特征显示，钢铁热风炉烟气中CO2含量为钢铁行业排放量最大的工序，占总排放量29-52％。
微藻是具有光合色素的单细胞微生物，可利用阳光、CO2和水进行光合作用合成生物质并进行生长。微藻生长需要大量的CO2，每生产1吨微藻生物质大约需要的1.8吨CO2。微藻的CO2固定能够实现碳元素的完整循环，并且具有光合速率高、繁殖快、环境适应性强、可调控以及易与其他工程技术集成等优点，同时微藻通过光合作用固定CO2后能够生产出许多高附加值产品，具有一定的经济价值。工业排放的烟气中的CO2可以直接供给藻类生长。利用藻类技术处理烟气成本低、能耗少、有效吸收废气中的CO2，具有工程推广应用的巨大潜力。微藻也可以利用来自各种废水来源的生长营养物，从而实现“废物转化为能源”的想法，并最大限度地减少淡水的使用，带来更高的效益。因此，微藻CO2固定技术以其环保、经济、高效、符合自然界循环特点等优势有着高度的工业化潜力，有望成为一种具有相当可行性和经济价值的CO2固定方法。
微藻的培养过程需要消耗大量的水分和营养物，如何控制钢铁自身产出的废水对微藻提供水源及营养物是微藻固碳工业化利用的重点之一。目前，针对钢铁行业，微藻的工业废水利用研究起步较晚，高效稳定的利用废水资源的藻株选育及方法研究不多，迄今为止也只涉及到少数几种工业废水。微藻的废水资源化利用不仅为藻类提供了营养物质，降低了微藻养殖的成本投入，而且防止了营养物质进入水体并造成富营养化并造成富营养化。
因此，针对钢铁行业的碳减排，开发一种利用微藻同步处理烟气固碳耦合废水资源化利用的技术，增强微藻对钢铁热风炉烟气的适应性及固碳率、加强开发微藻的废水处理及资源化利用、降低微藻的培养成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用微藻同步处理钢铁厂烟气废水的方法，利用人工培养微藻固定钢铁厂热风炉烟气中CO2的同时，在微藻培养介质中添加适量热风炉脱硫后废水，为微藻的培养提供能源物质，降低微藻的培养成本。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种利用微藻同步处理钢铁厂烟气废水的方法，所述方法包括：将微藻接种到含有废水的培养基上，同时向反应器中充入烟气进行固碳培养；
所述烟气中CO2的浓度为23％-28％，例如可以是23％、24％、25％、26％、27％或28％等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明利用微藻处理钢铁厂热风炉烟气固碳耦合脱硫后废水的资源化利用，一方面利用微藻进行烟气的生物固碳，另一方面利用脱硫后废水培养微藻降低物料成本，提高微藻生物质积累量，同时解决了钢铁厂热风炉烟气CO2减排和冲渣水脱硫废水的资源化利用。
作为本发明优选的技术方案，所述微藻的接种量为0.01-0.05g/L，例如可以是0.01g/L、0.02g/L、0.03g/L、0.04g/L或0.05g/L等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述微藻包括小球藻。
优选地，所述反应器为管式光发生反应器。
作为本发明优选的技术方案，所述培养基包括改良BG11培养基。
优选地，所述改良BG11培养基为标准BG11培养基去除碳源。
本发明中，所述改良BG11培养基不含碳源，碳源全部来自于烟气中的CO2。
作为本发明优选的技术方案，所述烟气为脱硫后烟气。
优选地，所述脱硫后烟气中CO2的浓度为23％-28％，例如可以是23％、24％、25％、26％、27％或28％等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，所述方法可以固定烟气中高浓度的CO2，解决了钢铁厂烟气中高浓度CO2排放的难题。
优选地，所述脱硫后烟气中NOx的浓度≤63mg/m3，例如可以是40mg/m3、45mg/m3、50mg/m3、55mg/m3、60mg/m3或63mg/m3等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述脱硫后烟气中SO2的浓度≤6mg/m3，例如可以是1mg/m3、2mg/m3、3mg/m3、4mg/m3、5mg/m3或6mg/m3等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述废水为使用冲渣水脱硫后废水。
本发明中，所述废水为钢铁厂热风炉使用冲渣水脱硫后废水。
优选地，所述脱硫后废水与培养基的体积比为(1-3):8，例如可以是1:8、1.5:8、2:8、2.5:8或3:8等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述脱硫后废水的成分包括亚硫酸钙盐和/或亚硫酸镁盐。
作为本发明优选的技术方案，所述脱硫后废水的温度为26-36℃，例如可以是26℃、28℃、30℃、32℃、34℃或36℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，所述脱硫后废水的温度为26-36℃，满足微藻固碳培养时的温度要求，无需对培养基再进行加热，降低了能耗。
优选地，所述脱硫后废水的pH为6-7，例如可以是6、6.2、6.4、6.6、6.8或7等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为6-6.5。
本发明中，钢铁厂未脱硫前冲渣水废水的pH高达11，无法应用于微藻的培养，经过脱硫后冲渣水脱硫废水的pH为6-7，适宜微藻培养，无需再调节废水的pH，简化了操作。
作为本发明优选的技术方案，所述脱硫后烟气的充入量为7.5-25mL/min，例如可以是7.5mL/min、10mL/min、15mL/min、20mL/min或25mL/min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述固碳培养使用N2作为载气。
优选地，所述N2的充入量为22.5-75mL/min，例如可以是22.5mL/min、25mL/min、30mL/min、40mL/min、50mL/min、60mL/min、70mL/min或75mL/min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述固碳培养还包括：光照的强度为5000-15000Lux，光暗比为(12-24)h:(8-12)h，培养10-15天后，离心得到藻细胞。
本发明中，向接种有微藻藻种的培养基添加脱硫后废水并通入烟气组分，在光照的条件下培养驯化，培养至微藻的藻细胞耐受烟气组分且藻细胞浓度不再增加，进入生长稳定期。
本发明中，所述光照的强度为5000-15000Lux，例如可以是5000Lux、7000Lux、9000Lux、10000Lux、12000Lux、14000Lux或15000Lux等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，所述光暗比为(12-24)h:(8-12)h，例如可以是12h:8h、14h:9h、16h:10h、18h:11h、20h:11h或24h:12h等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述光照为LED光照。
优选地，所述离心的转速为9000-11000rpm，例如可以是9000rpm、9200rpm、9400rpm、9600rpm、9800rpm、10000rpm、10200rpm、10400rpm、10600rpm、10800rpm或11000rpm等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述离心的时间为10-20min，例如可以是10min、12min、14min、16min、18min或20min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括：将接种量为0.01-0.05g/L微藻接种到含有废水的改良BG11培养基上，同时向管式光发生反应器中充入烟气进行固碳培养；
所述烟气为脱硫后烟气；所述脱硫后烟气中CO2的浓度为23％-28％，NOx的浓度≤63mg/m3，SO2的浓度≤6mg/m3；
所述废水为使用冲渣水脱硫后废水；所述脱硫后废水与改良BG11培养基的体积比为(1-3):8；所述脱硫后废水的温度为26-36℃，pH为6-7；
所述固碳培养的条件为：脱硫后烟气的充入量为7.5-25mL/min，N2的充入量为22.5-75mL/min，光照的强度为5000-15000Lux，光暗比为(12-24)h:(8-12)h，培养10-15天后，离心得到藻细胞。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用钢铁厂热风炉烟气中高浓度CO2及使用冲渣水脱硫后废水进行微藻培养，缩短了废水的运输距离；脱硫后废水中含有微藻生长所必须的营养物质及微量元素，如碳、氮、镁、钙及其他微量元素，且脱硫后废水的温度和pH适宜微藻生长，提高微藻生长速率，实现了热风炉烟气的碳减排、提高了CO2利用效率，同时耦合废水的资源化利用，有利于降低微藻工业化培养成本。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例根据某钢铁厂热风炉烟气模拟了烟气配比，热风炉烟气在脱硫前的组分为CO2 25％、SO2 72mg/m3、NOx 64mg/m3、颗粒物3mg/m3，脱硫后烟气组分为CO2 25％、SO26mg/m3、NOx 63mg/m3、颗粒物3mg/m3。
本实施例中的废水来自某钢铁厂，经使用冲渣水脱硫后废水主要成分为亚硫酸的钙、镁盐，脱硫后废水的温度为35℃，pH为6.5，脱硫后废水经沉淀过滤后使用。
本实施例提供了一种利用微藻同步处理钢铁厂烟气废水的方法，所述方法包括：
将接种量为0.02g/L小球藻接种到含有脱硫后废水和改良BG11培养基上，同时向300mL管式光发生反应器以25ml/min充入脱硫后烟气进行固碳培养；所述改良BG11培养基为标准BG11培养基去除碳源；所述脱硫后废水与改良BG11培养基的体积比为2:8，所述固碳培养的条件为：LED光照的强度为7500Lux，光暗比为12h:12h，培养10天后，根据0.02g/L的藻细胞量预留，其余以10000rpm转速、15min离心得到藻细胞，再以2:8的比例将脱硫后废水和改良BG11培养基加入管式光反应发生器中继续培养。
实施例2
本实施例根据某钢铁厂热风炉烟气模拟了烟气配比，热风炉烟气在脱硫前的组分为CO2 28％、SO2 70mg/m3、NOx 65mg/m3、颗粒物3mg/m3，脱硫后烟气组分为CO2 28％、SO25mg/m3、NOx 61mg/m3、颗粒物3mg/m3。
本实施例中的废水来自某钢铁厂，经使用冲渣水脱硫后废水主要成分为亚硫酸的钙、镁盐，脱硫后废水的温度为30℃，pH为6，脱硫后废水经沉淀过滤后使用。
本实施例利用烟气和废水进行小球藻固碳培养的方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于，除所述脱硫后废水的pH为8外，其他条件均与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别仅在于，除所述脱硫后废水的pH为5外，其他条件均与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1的区别仅在于，除所述脱硫后废水的温度为20℃外，其他条件均与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例1的区别仅在于，除所述脱硫后废水与改良BG11培养基的体积比为5:5外，其他条件均与实施例1相同。
实施例7
本实施例与实施例1的区别仅在于，除所述LED光照的强度为4000Lux外，其他条件均与实施例1相同。
实施例8
本实施例与实施例1的区别仅在于，除所述LED光照的强度为17000Lux外，其他条件均与实施例1相同。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于，除所述人工模拟烟气组分CO2为20％外，其他条件均与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别仅在于，除所述人工模拟烟气组分CO2为32％外，其他条件均与实施例1相同。
将上述实施例和对比例反应器中微藻的固碳率、生物质浓度以及碳水化合物含量进行测定，测试结果如表1所示。
表1
| 固碳率(g/L·d) | 生物质浓度(g/L) | 碳水化合物含量(％) | |
| 实施例1 | 1.2 | 2.7 | 68.4 |
| 实施例2 | 1.2 | 2.6 | 65.8 |
| 实施例3 | 0.5 | 1.3 | 32.4 |
| 实施例4 | 0.4 | 1.1 | 26.7 |
| 实施例5 | 0.9 | 2.4 | 53.8 |
| 实施例6 | 0.8 | 2.2 | 50.2 |
| 实施例7 | 0.7 | 1.5 | 45.3 |
| 实施例8 | 1.0 | 2.4 | 58.3 |
| 对比例1 | 0.8 | 2.1 | 50.7 |
| 对比例2 | 1.1 | 2.6 | 63.5 |
由表1可知：本发明提供的方法能实现微藻同步处理钢铁厂烟气废水，缩短了运输距离，同时降低了微藻工业化培养成本；当脱硫后废水的pH过碱或过酸时，影响藻细胞的生长，甚至引起藻细胞的凋亡，导致微藻生长过慢，从而引起固碳率、生物质浓度及碳水化合物含量的降低；当脱硫后废水的温度过低时，低温条件下藻细胞生长速率变慢，导致固碳效率降低；当加入脱硫后废水的量过多时，供给微藻生长的必要营养元素缺乏，导致藻细胞缺乏营养，生长变慢；在固碳培养过程中，LED光照的强度过弱时，由于光强不足，从而形成了光抑制作用，光抑制现象严重阻碍了微藻的生长及生物质的积累；当光照强度过强时，高光强下小球藻的生长也同时遭到了抑制，导致更高/低光强下，固碳率、生物质浓度及碳水化合物含量都降低；
由实施例1和对比例1-2对比可知，当脱硫后烟气中CO2浓度过低时，培养液中碳的溶解量降低，导致碳源的少量缺乏而引起效率的降低；当脱硫后烟气中CO2浓度过高时，培养液中碳的溶解量达到饱和，多余的CO2从培养液中溢出，对固碳率、生物质浓度及碳水化合物含量没有太大影响。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种利用微藻同步处理钢铁厂烟气废水的方法，其特征在于，所述方法包括：将微藻接种到含有废水的培养基上，同时向反应器中充入烟气进行固碳培养；
所述烟气中CO2的浓度为23％-28％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微藻的接种量为0.01-0.05g/L；
优选地，所述微藻包括小球藻；
优选地，所述反应器为管式光发生反应器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述培养基包括改良BG11培养基；
优选地，所述改良BG11培养基为标准BG11培养基去除碳源。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述烟气为脱硫后烟气；
优选地，所述脱硫后烟气中CO2的浓度为23％-28％；
优选地，所述脱硫后烟气中NOx的浓度≤63mg/m3；
优选地，所述脱硫后烟气中SO2的浓度≤6mg/m3。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述废水为使用冲渣水脱硫后废水；
优选地，所述脱硫后废水与培养基的体积比为(1-3):8；
优选地，所述脱硫后废水的成分包括亚硫酸钙盐和/或亚硫酸镁盐。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述脱硫后废水的温度为26-36℃；
优选地，所述脱硫后废水的pH为6-7，优选为6-6.5。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述脱硫后烟气的充入量为7.5-25mL/min；
优选地，所述固碳培养使用N2作为载气；
优选地，所述N2的充入量为22.5-75mL/min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述固碳培养还包括：光照的强度为5000-15000Lux，光暗比为(12-24)h:(8-12)h，培养10-15天后，离心得到藻细胞。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光照为LED光照；
优选地，所述离心的转速为9000-11000rpm；
优选地，所述离心的时间为10-20min。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：将接种量为0.01-0.05g/L微藻接种到含有废水的改良BG11培养基上，同时向管式光发生反应器中充入烟气进行固碳培养；
所述烟气为脱硫后烟气；所述脱硫后烟气中CO2的浓度为23％-28％，NOx的浓度≤63mg/m3，SO2的浓度≤6mg/m3；
所述废水为使用冲渣水脱硫后废水；所述脱硫后废水与改良BG11培养基的体积比为(1-3):8；所述脱硫后废水的温度为26-36℃，pH为6-7；
所述固碳培养的条件为：脱硫后烟气的充入量为7.5-25mL/min，N2的充入量为22.5-75mL/min，光照的强度为5000-15000Lux，光暗比为(12-24)h:(8-12)h，培养10-15天后，离心得到藻细胞。
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