申请日2017.05.08
公开(公告)日2017.08.01
IPC分类号B01D53/84; B01D53/56; B01D53/62; C12M1/00; C12M1/04; C12N1/12; C12R1/89
摘要
利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置及其用于烟道气固碳脱硝的方法，涉及烟道气固碳脱硝装置及其用于烟道气固碳脱硝的方法。解决现有单纯的烟气培养微藻缺乏氮磷等营养源的问题。装置由抽气泵、烟气处理系统、光生物反应器、气体走向管、藻液走向管、气体流量控制器及抽液泵组成。方法：一、获得微藻;二、烟气处理步骤;三、循环养藻加烟气处理。本发明用于利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置及其用于烟道气固碳脱硝的方法。
权利要求书
1.利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置，其特征在于：利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置由抽气泵(1)、烟气处理系统(2)、光生物反应器(3)、气体走向管(4)、藻液走向管(5)、气体流量控制器(6)及抽液泵(7)组成;
所述的烟气处理系统(2)由一个烟气处理反应器(2-1)组成;
或所述的烟气处理系统(2)由两个或两个以上烟气处理反应器(2-1)串联组成;
所述的烟气处理反应器(2-1)为气升圆柱形光生物反应器，烟气处理反应器(2-1)的高径比为(10～20):1;且烟气处理反应器(2-1)的下部设有烟气入口，上部设有烟气出口及藻液入口;
所述的光生物反应器(3)为气升圆柱形光生物反应器，光生物反应器(3)的高径比为(10～20):1;且光生物反应器(3)的下部分别设有烟气入口及藻液出口，上部设有烟气出口;
抽气泵(1)的出口通过气体走向管(4)与烟气处理系统(2)的烟气入口相连通，烟气处理系统(2)的烟气出口通过气体走向管(4)与光生物反应器(3)的烟气入口相连通;且抽气泵(1)与烟气处理系统(2)之间设有气体流量控制器(6);
光生物反应器(3)的藻液出口通过藻液走向管(5)与每个烟气处理反应器(2-1)的藻液入口相连通;且光生物反应器(3)与烟气处理系统(2)之间设有抽液泵(7);
每个烟气处理反应器(2-1)及光生物反应器(3)中接种OD687大于1.5的藻液;所述的藻液为微藻接种于培养基中生长得到的，所述的培养基为BG11培养基或经过一级处理后的生活污水;所述的培养基pH=6～9，COD=100mg/L～400mg/L，TN=15mg/L～50mg/L，TP=2mg/L～10mg/L;
所述的微藻为小球藻、微芒藻或栅藻。
2.根据权利要求1所述的利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置，其特征在于：所述的气体走向管(4)及藻液走向管(5)为硅胶管。
3.根据权利要求1所述的利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置，其特征在于：所述的烟气处理反应器(2-1)底部设有曝气装置;所述的光生物反应器(3)底部设有曝气装置。
4.根据权利要求1所述的利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置，其特征在于：所述的烟气处理反应器(2-1)及光生物反应器(3)为有机玻璃气升圆柱形光生物反应器。
5.根据权利要求1所述的利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置，其特征在于：所述的气体流量控制器(6)为防腐性气体流量计。
6.如权利要求1所述的利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置用于烟道气固碳脱硝的方法，其特征在于利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置用于烟道气固碳脱硝的方法是按以下步骤进行的：
一、获得微藻：
首先将微藻接种于培养基中，然后在光照、温度为20℃～30℃和通入CO2的条件下培养，得到OD687大于1.5的藻液;培养过程中CO2的通气速率为0.05vvm～0.3vvm，光照强度为1000lux～3000lux，光照时间为每日8h～12h;
所述的培养基为BG11培养基或经过一级处理后的生活污水;所述的培养基pH=6～9，COD=100mg/L～400mg/L，TN=15mg/L～50mg/L，TP=2mg/L～10mg/L;所述的微藻为小球藻、微芒藻或栅藻;
二、烟气处理步骤：
将OD687大于1.5的藻液接种至每个烟气处理反应器(2-1)及光生物反应器(3)中，将脱硫塔(8)的烟气出口与抽气泵(1)的入口相连通，打开抽气泵(1)，向烟气处理系统(2)中通入烟气气体，控制烟气气体的通气速率为0.05vvm～0.3vvm，然后在光照和温度为20℃～30℃的条件下进行烟气处理系统(2)的烟气处理及光生物反应器(3)的养藻，光照强度为1000lux～3000lux，光照时间为每日8h～12h，且烟气处理及养藻过程中分别向烟气处理反应器(2-1)及光生物反应器(3)中补入培养基，保证烟气处理反应器(2-1)及光生物反应器(3)藻液中微藻生长，待烟气处理反应器(2-1)中藻液OD687恒定不变时，微藻生长进入稳定期;
所述的培养基为BG11培养基或经过一级处理后的生活污水;所述的培养基pH=6～9，COD=100mg/L～400mg/L，TN=15mg/L～50mg/L，TP=2mg/L～10mg/L;所述的OD687大于1.5的藻液分别占烟气处理反应器(2-1)及光生物反应器(3)体积的2/3;
三、循环养藻加烟气处理：
①、将微藻收集作为生物柴油或者发酵产甲烷的原料，打开抽液泵(7)，向每个烟气处理反应器(2-1)中通入藻液，保证烟气处理反应器(2-1)中藻液OD687大于1.5后，关闭抽液泵(7);
②、待烟气处理反应器(2-1)中藻液OD687恒定不变时，微藻生长进入稳定期，重复步骤三①，即完成利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置用于烟道气固碳脱硝的方法。
7.根据权利要求6所述的利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置用于烟道气固碳脱硝的方法，其特征在于：步骤一中所述的光照为自然光源和人工光源中一种或两种的结合。
8.根据权利要求6所述的利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置用于烟道气固碳脱硝的方法，其特征在于：步骤二中所述的光照为自然光源和人工光源中一种或两种的结合。
9.根据权利要求6所述的利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置用于烟道气固碳脱硝的方法，其特征在于：步骤二中控制烟气气体的通气速率为0.1vvm。
10.根据权利要求6所述的利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置用于烟道气固碳脱硝的方法，其特征在于：步骤二中然后在光照和温度为25℃的条件下进行烟气处理系统(2)的烟气处理及光生物反应器(3)的养藻，光照强度为1000lux～3000lux，光照时间为每日10h。
说明书
利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置及其用于烟道气固碳脱硝的方法
技术领域
本发明涉及烟道气固碳脱硝装置及其用于烟道气固碳脱硝的方法。
背景技术
近年来，由于全球温室效应及能源危机，微藻受到了广泛关注。微藻是一类可以利用二氧化碳进行光合作用并将其固定转化为自身生物质如油脂的生物，具有生长速率快，能量转换效率高的优势。二十世纪九十年代，日本研究者报道发现许多微藻藻株不但可以利用烟气中的二氧化碳作为碳源，而且可以利用一氧化氮作为氮源合成自身的蛋白质。这一发现促进了微藻用于烟气脱硝这一技术的研究发展。但是，烟气具有二氧化碳浓度高、酸度高、成分复杂的特点，大多数藻种不能耐受，即使可以耐受的藻种也需要达到一定的细胞浓度。而微藻的培养过程需要大量的水源、氮磷营养源等。微藻培养过程的水源消耗和营养物消耗，提高了整个微藻烟气处理技术的生产成本，限制了微藻用于烟气脱硝的工业化应用。
如今，水资源匮乏是制约二十一世纪人类发展的主要瓶颈问题，利用饮用水进行微藻培养必然会引发更多的水资源问题。现阶段利用生活污水或者工业烟气培养微藻的研究屡见不鲜，但是将两者耦合利用生活污水培养微藻并且利用烟气中的二氧化碳作为碳源用于烟气脱硝的研究却未有报道。
发明内容
本发明是要解决现有单纯的烟气培养微藻缺乏氮磷等营养源的问题，从而提供了利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置及其用于烟道气固碳脱硝的方法。
利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置由抽气泵、烟气处理系统、光生物反应器、气体走向管、藻液走向管、气体流量控制器及抽液泵组成;
所述的烟气处理系统由一个烟气处理反应器组成;
或所述的烟气处理系统由两个或两个以上烟气处理反应器串联组成;
所述的烟气处理反应器为气升圆柱形光生物反应器，烟气处理反应器的高径比为(10～20):1;且烟气处理反应器的下部设有烟气入口，上部设有烟气出口及藻液入口;
所述的光生物反应器为气升圆柱形光生物反应器，光生物反应器的高径比为(10～20):1;且光生物反应器的下部分别设有烟气入口及藻液出口，上部设有烟气出口;
抽气泵的出口通过气体走向管与烟气处理系统的烟气入口相连通，烟气处理系统的烟气出口通过气体走向管与光生物反应器的烟气入口相连通;且抽气泵与烟气处理系统之间设有气体流量控制器;
光生物反应器的藻液出口通过藻液走向管与每个烟气处理反应器的藻液入口相连通;且光生物反应器与烟气处理系统之间设有抽液泵;
每个烟气处理反应器及光生物反应器中接种OD687大于1.5的藻液;所述的藻液为微藻接种于培养基中生长得到的，所述的培养基为BG11培养基或经过一级处理后的生活污水;所述的培养基pH=6～9，COD=100mg/L～400mg/L，TN=15mg/L～50mg/L，TP=2mg/L～10mg/L;
所述的微藻为小球藻、微芒藻或栅藻。
利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置用于烟道气固碳脱硝的方法是按以下步骤进行的：
一、获得微藻：
首先将微藻接种于培养基中，然后在光照、温度为20℃～30℃和通入CO2的条件下培养，得到OD687大于1.5的藻液;培养过程中CO2的通气速率为0.05vvm～0.3vvm，光照强度为1000lux～3000lux，光照时间为每日8h～12h;
所述的培养基为BG11培养基或经过一级处理后的生活污水;所述的培养基pH=6～9，COD=100mg/L～400mg/L，TN=15mg/L～50mg/L，TP=2mg/L～10mg/L;所述的微藻为小球藻、微芒藻或栅藻;
二、烟气处理步骤：
将OD687大于1.5的藻液接种至每个烟气处理反应器及光生物反应器中，将脱硫塔的烟气出口与抽气泵的入口相连通，打开抽气泵，向烟气处理系统中通入烟气气体，控制烟气气体的通气速率为0.05vvm～0.3vvm，然后在光照和温度为20℃～30℃的条件下进行烟气处理系统的烟气处理及光生物反应器的养藻，光照强度为1000lux～3000lux，光照时间为每日8h～12h，且烟气处理及养藻过程中分别向烟气处理反应器及光生物反应器中补入培养基，保证烟气处理反应器及光生物反应器藻液中微藻生长，待烟气处理反应器中藻液OD687恒定不变时，微藻生长进入稳定期;
所述的培养基为BG11培养基或经过一级处理后的生活污水;所述的培养基pH=6～9，COD=100mg/L～400mg/L，TN=15mg/L～50mg/L，TP=2mg/L～10mg/L;所述的OD687大于1.5的藻液分别占烟气处理反应器及光生物反应器体积的2/3;
三、循环养藻加烟气处理：
①、将微藻收集作为生物柴油或者发酵产甲烷的原料，打开抽液泵，向每个烟气处理反应器中通入藻液，保证烟气处理反应器中藻液OD687大于1.5后，关闭抽液泵;
②、待烟气处理反应器中藻液OD687恒定不变时，微藻生长进入稳定期，重复步骤三①，即完成利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置用于烟道气固碳脱硝的方法。
本发明的优点：本发明涉及一种利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置，利用烟气中的CO2作为碳源，实现烟道气脱硝的新方法及系统。主要包括以下步骤：将经过一级处理的生活污水为培养液，加入藻种，在光照和通CO2的条件下培养，直到微藻达到一定的浓度;然后将其接种至烟气处理反应器及光生物反应器中，之后将其作为藻种用于烟气处理，将脱硫塔出口烟气从烟气处理反应器底部引入，微藻可以利用烟气中的CO2作为碳源生长同时可以以NOX作为氮源利用，实现烟气的固碳脱硝;烟气处理反应器出口的烟气再接入光生物反应器用于微藻的养殖，此时光生物反应器中的培养液仍然是经过一级处理的生活污水;待烟气处理反应器中的微藻生长达到稳定期之后收集生物质用于生物柴油的提取，然后再利用光生物反应器为烟气处理反应器提供充足的藻种，如此循环。
利用前期获得的几株可以耐受实际污水和实际烟气的小球藻、微芒藻或栅藻，将本发明装置应用于实际污水和模拟烟气，利用自然光源和人工光源，经过七天培养，细胞浓度可以达到2.0g/L～3.0g/L，CO2的固定效率可以达到5%～20%，NOX的去除率可以达到20%～40%，收获微藻生物质的油脂含量为15%～25%，污水中的氮磷也基本被用完，去除率都在90%以上。
将本发明装置用于实际污水和实际烟气的现场实验，经过七天的实验，微藻细胞浓度可以达到1.5g/L～2.5g/L，单个烟气处理反应器对CO2的固定率在5%～15%，NOX的去除率在20%～40%，串联两个烟气处理反应器对CO2的固定率可以达到10%～30%，NOX的去除率可以达到30%～80%，最终收集藻细胞的油脂含量在20%左右。
由此，整个系统对烟气中NOX的脱除效率可以达到25%～80%，CO2的固定效率可达到5%～30%，污水中的氮磷去除也可以达到90%以上。在系统入口烟气中NOX浓度低于100mg/m3的情况下，出口浓度低于50mg/m3，可以实现烟气中NOX的超低排放，同时使废水中的氮磷浓度达标排放。该装置不仅克服了微藻烟气脱硝过程中微藻培养水源的难题，而且降低了微藻系统用于烟气脱硝的投资成本，并且最终可以收获大量的微藻生物质可以为微藻生物柴油提供原料，有利于微藻用于烟气固碳脱硝的工业化应用。
