申请日2012.04.16
公开(公告)日2012.08.01
IPC分类号C02F3/32; C12N1/12
摘要
本发明涉及一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，包括：粪便污水的前处理、微藻接种活化和驯化培养、微藻扩大培养、微藻脂质含量的积累、微藻的浓缩和微藻的收集。本发明利用粪便资源化处理过程中排出的符合排放标准的液体来培养微藻，节约了微藻培养过程中培养用水和试剂，同时无需灭菌即可使用，缩短生产工艺，降低获取微藻生物柴油的成本，同时液体中的氮磷作为微藻培养时的营养物质，进一步降低污水中各项指标，净化污水水质。另外利用粪便资源化处理过程中产生的沼气作为供热燃料、沼气提纯时分离得到的CO2作为微藻培养碳源，将微藻培养与粪便资源化处理有机耦合，在降低成本的同时促进节能减排。
权利要求书
1.一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，它包括：(1)粪便污水的前处理：固液分离、絮凝脱水、好氧堆肥、厌氧处理、兼氧处理、好氧处理、膜生物反应处理和臭味治理后得到的达标排放液体，该液体不含微生物，悬浮物小于3mg/L，pH6-9,氨氮含量30-35mg/L,总磷含量1-6mg/L, 它直接作为微藻的培养液，处理得到的沼气收集备用;
其中：它还包括以下步骤：
(2)微藻扩种和驯化培养：在无菌室中，将产油微藻的藻种接入5个装有2L F/2培养液的锥形瓶中，摇匀，微藻藻种的初始密度为(200-300)*104个细胞/mL，将微藻藻种接种在F/2培养液的中，微藻与F/2培养液体积比是1：(4-6)，在22-26℃，光照和黑暗的时间周期为14h:10h，光照强度1800-2000 lux的条件下进行扩种培养，每隔6-8小时向每个锥形瓶中通入一次CO2气体，CO2的通气速率2-5 L/min，每次通气时间为3分钟，当锥形瓶中的微藻个数达到(20-100)*104个细胞/mL时，得到了扩种培养后藻液;将上述5个锥形瓶中的扩种培养后藻液转接到装有步骤(1)微藻的培养液的1号光生物反应器中进行驯化培养，扩种培养后藻液与1号光生物反应器内装有的微藻的培养液的体积比为1:1-1:4，1号光生物反应器的体积为50L，驯化培养温度为22-26℃，光照和黑暗的时间周期为14h:10h，在光照强度为1800-2000 lux的条件下进行驯化培养，每隔6-8小时向光生物反应器中通入一次CO2气体，CO2通气速率3-6 L/min，每次通气时间为5分钟;驯化培养1-2天后藻种适应培养液，开始繁殖生长，繁殖生长中的培养液称为藻液,当藻液的吸光度(OD680)达到0.5—0.8时进行步骤(3a);
(3a) 微藻扩大培养：将步骤(2)中的藻液放入2号光生物反应器中，2号光生物反应器的体积为50L，培养温度保持为22-26℃，光照和黑暗的时间周期为12h:12h，光照强度为2500-4000lux，每隔6-8小时向光生物反应器中通入一次CO2气体， CO2通气速率3-6 L/min，每次通气时间为5分钟，培养36-48小时后，当藻液的吸光度(OD680)达到1.8—2时进入步骤(4);
(3b) 微藻扩大培养：将从步骤(4)中返回的藻液放入2号光生物反应器中，同时将步骤(1)中微藻的培养液加入到2号光生物反应器中，加入步骤(1)中微藻的培养液的量为2号光生物反应器的体积为减去将从步骤(4)中返回的藻液体积，2号光生物反应器的体积50L，培养温度保持为22-26℃，光照和黑暗的时间周期为12h:12h，光照强度为2500-4000lux，每隔6-8小时向光生物反应器中通入一次CO2气体， CO2通气速率3-6 L/min，每次通气时间为5分钟，培养36-48小时后，当藻液吸光度(OD680)达到1.8—2时进入步骤(4);
(4)微藻脂质含量的积累：将从步骤(3a)或(3b)中送来的藻液放入3号光生物反应器中，3号光生物反应器的体积为50L，光照和黑暗的时间周期为16h:8h, 光照强度调整为6000-8000lux，CO2通气速率降低为1-3 L/min,3-4小时向光生物反应器内送一次CO2，每次通气时间为5分钟，培养3-5天后，当藻液的吸光度(OD680)达到2.5—3.2时，97.5%-98%的藻液进行步骤(5)的微藻的浓缩;2%-2.5&的藻液返回步骤(3b)进行微藻扩大培养;
(5)微藻的浓缩：将从3号光生物反应器中送来的藻液通过输送泵送入膜反应器中，膜反应器内部安装有超滤膜，超滤膜下方装有CO2气体的通气管，藻液中的液体由超滤膜表面的孔径进入，由超滤膜中心汇集成为清水排出，没有排出去的藻液被截留在膜生物反应器外，成为浓缩液，在超滤膜过滤时，从通气管向膜生物反应器中充入CO2气体，用CO2气体清除掉超滤膜表面的粘附物，CO2气体的通入量与超滤膜投影面积的比为100-200Nm3/m2/h,膜生物反应器中浓缩液分成两部分，其中占浓缩液体积比的10%—20%的浓缩液返回步骤(4)的3号光生物反应器中继续进行培养，以提高微藻的吸光度，浓缩液体积比的80—90%的送步骤(6);
(6)微藻的收集：将从步骤(5)中送来的浓缩液送入离心机中，在6000转/分钟的条件下进行离心，液体被抛出离心机，微藻留在离心机中，将留在离心机上的微藻取出收集，并在80-110℃下烘干12小时，得到比重为0.4-0.75 g/L的微藻，微藻的总脂肪含量占微藻总重量的20-30%;
上述CO2气体为CO2和空气的混合气体，其中CO2的体积含量为总混合气体的6-8%(V/V)。
2.如权利要求1所述的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其特征在于：将步骤(2)、步骤(3a)、步骤(3b)、步骤(4)和步骤(5)中排出的、来不及吸收的CO2气体用10%NaOH溶液吸收。
3.如权利要求1所述的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其特征在于：步骤(5)中膜反应器内超滤膜的孔径为0.1um。
4.如权利要求1所述的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其特征在于：所述吸光度(OD680)是在680纳米波长下测定的吸光度。
5.如权利要求1所述的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其特征在于：步骤(2)中的每升F/2培养基中含12000mg 的NaHCO3、20mg 的KH2PO4、100mg 的KNO3、30mg的 NH2CONH2、20mg 的MgSO4·7H2O、1000mg的 NaCl、0.023mg 的ZnSO4·4H2O、0.078mg的 MnCl2·4H2O、0.01mg 的CuSO4·5H2O、0.0039mg 的FeC6H5O7·5H2O、0.0073mg的 Na2MoO4·2H2O、0.012mg的 CoCl2·6H2O、0.00435mg 的Na2EDTA、0.5mg的维生素B12和100mg的维生素B1。
6.如权利要求1所述的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其特征在于：在步骤(1)的沼气中含有20—30%的二氧化碳和60—70%的甲烷，将上述沼气送入分子筛脱水罐进行深度脱水后，送入分离塔进行二氧化碳分离，在分离塔中利用聚乙二醇二甲醚溶液将二氧化碳吸附，释放出甲烷，分离塔的压力为1.5—5.5MPa，温度为1—15℃，吸附了二氧化碳的聚乙二醇二甲醚溶液送入到闪蒸槽中，闪蒸槽的压力为0.08MPa，由于压力骤降，二氧化碳就从聚乙二醇二甲醚溶液闪蒸出来，闪蒸出来的高纯度二氧化碳通过稳压阀装入二氧化碳储罐中，供步骤(2)至步骤(5)中使用，释放出的甲烷送入送入步骤(6)中作为加热烘干微藻的燃料或送入发电系统中进行发电。
7.如权利要求6所述的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其特征在于：所述步骤(2)至步骤(5)中所述的CO2气体中的CO2是从步骤(1)的沼气中分离出来的装入二氧化碳储罐中的高纯度二氧化碳。
8.如权利要求1所述的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其特征在于：所述藻种购自中科院水生生物研究所淡水藻种库。
说明书
一种利用粪便污水培养产油微藻的方法
技术领域
本发明涉及污水处理和环保技术领域，特别涉及一种利用预处理后的粪便污水培养 产油微藻的方法。
背景技术
目前，温室效应和能源紧张已经是全球面临的关键性难题，缓解温室效应和解决能 源危机直接关系到全球经济的可持续发展。生物柴油具有绿色性和可再生性，被认为是 解决全球能源危机的最理想途径之一，然而目前由于制备生物柴油的油料作物大都是粮 食作物，例如：玉米、大豆及菜籽等，这样的生物柴油生产方式必将出现与人争粮和争 地现象，可持续性较差，且生产成本较高，产业发展困难。微藻由于不占据耕地，含油 量高，且在产油的同时具有碳捕捉的作用，日渐被认作是生产生物柴油的潜在原料。大 规模微藻生物质资源获得困难和微藻生物能源产品成本过高是目前微藻生物能源技术 面临的两大瓶颈。以目前的技术进行产业化，存在大规模培养占地面积过大、基础建设 投资过高、加工过程能耗物耗过大的问题。针对以上问题，目前微藻生物柴油的研究趋 势主要集中在提高微藻的产率和降低微藻培养的成本。
在降低微藻培养成本方面，研究主要集中于建立和发展利用废水和燃厂废气CO2进行微藻生态养殖的技术，降低微藻培养过程中的物能消耗，缓解微藻培养的地域性限 制，以从根本上解决培养占地、耗水的成本瓶颈。有研究希望通过利用工业废水和工业 生产中产生的二氧化碳的资源培养微藻，制备生物柴油。但是往往由于工业废水的组成 成分复杂含有较高浓度的污染物而抑制微藻生长。也有方法(CN 101955846A)基于生 活污水低碳排放资源化进行微藻油脂生产，但是为了避免微藻培养过程中发生污染，需 要进行灭菌，耗费能源。
发明内容
本发明针对以上技术背景，提供了一种粪便污水培养产油微藻的方法。该方法是利 用粪便污水处理过程中通过膜生物反应器过滤出水培养微藻作为生产生物柴油的原料， 同时进一步去除水中的氮、磷，可实现降低培养微藻的成本及废水处理的双重效果。
本发明采用连续培养方式，通过粪便污水处理、微藻接种及预培养、扩大培养并积 累微藻脂质含量后收集获得总脂肪含量高的微藻作为生产生物柴油的原料，本发明的技 术方案是通过以下步骤实现的：
本发明的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，它包括：
(1)粪便污水的前处理：固液分离、絮凝脱水、好氧堆肥、厌氧处理、兼氧处理、 好氧处理、膜生物反应处理和臭味治理后得到的达标排放液体，该液体不含微生物，悬 浮物小于3mg/L，pH6-9，氨氮含量30-35mg/L，总磷含量1-6mg/L，它直接作为微藻的 培养液，处理得到的沼气收集备用;
其中：它还包括以下步骤：
(2)微藻扩种和驯化培养：在无菌室中，将产油微藻的藻种接入5个装有2L F/2 培养液的锥形瓶中，摇匀，微藻藻种的初始密度为(200-300)*104个细胞/mL，将微藻藻 种接种在F/2培养液的中，微藻与F/2培养液体积比是1∶(4-6)，在22-26℃，光照和 黑暗的时间周期为14h∶10h，光照强度1800-2000lux的条件下进行扩种培养，每隔6-8 小时向每个锥形瓶中通入一次CO2气体，CO2的通气速率2-5L/min，每次通气时间为3 分钟，当锥形瓶中的微藻个数达到(20-100)*104个细胞/mL时，得到了扩种培养后藻液; 将上述5个锥形瓶中的扩种培养后藻液转接到装有步骤(1)微藻的培养液的1号光生 物反应器中进行驯化培养，扩种培养后藻液与1号光生物反应器内装有的微藻的培养液 的体积比为1∶1-1∶4，1号光生物反应器的体积为50L，驯化培养温度为22-26℃，光照 和黑暗的时间周期为14h∶10h，在光照强度为1800-2000lux的条件下进行驯化培养， 每隔6-8小时向光生物反应器中通入一次CO2气体，CO2通气速率3-6L/min，每次通气 时间为5分钟;驯化培养1-2天后藻种适应培养液，开始繁殖生长，繁殖生长中的培养 液称为藻液，当藻液的吸光度(OD680)达到0.5-0.8时进行步骤(3a);
(3a)微藻扩大培养：将步骤(2)中的藻液放入2号光生物反应器中，2号光生 物反应器的体积为50L，培养温度保持为22-26℃，光照和黑暗的时间周期为12h∶12h， 光照强度为2500-4000lux，每隔6-8小时向光生物反应器中通入一次CO2气体，CO2通 气速率3-6L/min，每次通气时间为5分钟，培养36-48小时后，当藻液的吸光度(OD680) 达到1.8-2时进入步骤(4);
(3b)微藻扩大培养：将从步骤(4)中返回的藻液放入2号光生物反应器中， 同时将步骤(1)中微藻的培养液加入到2号光生物反应器中，加入步骤(1)中微藻的 培养液的量为2号光生物反应器的体积为减去将从步骤(4)中返回的藻液体积，2号光 生物反应器的体积50L，培养温度保持为22-26℃，光照和黑暗的时间周期为12h∶12h， 光照强度为2500-4000lux，每隔6-8小时向光生物反应器中通入一次CO2气体，CO2通 气速率3-6L/min，每次通气时间为5分钟，培养36-48小时后，当藻液吸光度(OD680) 达到1.8-2时进入步骤(4);
(4)微藻脂质含量的积累：将从步骤(3a)或(3b)中送来的藻液放入3号光生 物反应器中，3号光生物反应器的体积为50L，光照和黑暗的时间周期为16h∶8h，光照 强度调整为6000-8000lux，CO2通气速率降低为1-3L/min，3-4小时向光生物反应器内 送一次CO2，每次通气时间为5分钟，培养3-5天后，当藻液的吸光度(OD680)达到2.5 -3.2时，97.5%-98%的藻液进行步骤(5)的微藻的浓缩;2%-2.5%的藻液返回步骤(3b) 进行微藻扩大培养;
(5)微藻的浓缩：将从3号光生物反应器中送来的藻液通过 输送泵送入膜反应器中，膜反应器内部安装有超滤膜，超滤膜下方装有CO2气体的通气 管，藻液中的液体由超滤膜表面的孔径进入，由超滤膜中心汇集成为清水排出，没有排 出去的藻液被截留在膜生物反应器外，成为浓缩液，在超滤膜过滤时，从通气管向膜生 物反应器中充入CO2气体，用CO2气体清除掉超滤膜表面的粘附物，CO2气体的通入量与 超滤膜投影面积的比为100-200Nm3/m2/h，膜生物反应器中浓缩液分成两部分，其中占浓 缩液体积比的10%-20%的浓缩液返回步骤(4)的3号光生物反应器中继续进行培养， 以提高微藻的吸光度，浓缩液体积比的80-90%的送步骤(6);
(6)微藻的收集：将从步骤(5)中送来的浓缩液送入离心机中，在6000转/分钟 的条件下进行离心，液体被抛出离心机，微藻留在离心机中，将留在离心机上的微藻 取出收集，并在80-110℃下烘干12小时，得到比重为0.4-0.75g/L的微藻，微藻的 总脂肪含量占微藻总重量的20-30%，
上述CO2气体为CO2和空气的混合气体，其中CO2的体积含量为总混合气体的 6-8%(V/V);
本发明的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其中：将步骤(2)、步骤(3a)、 步骤(3b)、步骤(4)和步骤(5)中排出的、来不及吸收的CO2气体用10%NaOH溶液 吸收;
本发明的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其中：步骤(5)中膜反应器内 超滤膜的孔径为0.1um;
本发明的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其中：所述吸光度(OD680)是在 680纳米波长下测定的吸光度;
本发明的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其中：步骤(2)中的每升F/2 培养基中含12000mg的NaHCO3、20mg的KH2PO4、100mg的KNO3、30mg的NH2CONH2、20mg 的MgSO4·7H2O、1000mg的NaCl、0.023mg的ZnSO4·4H2O、0.078mg的MnCl2·4H2O、 0.01mg的CuSO4·5H2O、0.0039mg的FeC6H5O7·5H2O、0.0073mg的Na2MoO4·2H2O、0.012mg 的CoCl2·6H2O、0.00435mg的Na2EDTA、0.5mg的维生素B12和100mg的维生素B1;
本发明的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其中：在步骤(1)的沼气中含 有20-30%的二氧化碳和60-70%的甲烷，将上述沼气送入分子筛脱水罐进行深度脱水 后，送入分离塔进行二氧化碳分离，在分离塔中利用聚乙二醇二甲醚溶液将二氧化碳吸 附，释放出甲烷，分离塔的压力为1.5-5.5MPa，温度为1-15℃，吸附了二氧化碳的 聚乙二醇二甲醚溶液送入到闪蒸槽中，闪蒸槽的压力为0.08MPa，由于压力骤降，二氧 化碳就从聚乙二醇二甲醚溶液闪蒸出来，闪蒸出来的高纯度二氧化碳通过稳压阀装入二 氧化碳储罐中，供步骤(2)至步骤(5)中使用，释放出的甲烷送入送入步骤(6)中 作为加热烘干微藻的燃料或送入发电系统中进行发电。
本发明的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其中：步骤(2)、步骤(3a)、 步骤(3b)、步骤(4)和步骤(5)中所述的CO2气体中的CO2是从步骤(1)的沼气中 分离出来的装入二氧化碳储罐中的高纯度二氧化碳;
本发明的一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，其中：所述藻种购自中科院水生 生物研究所淡水藻种库。
本发明的有益效果体现在：
1.利用粪便资源化处理过程中的膜生物反应出水培养微藻，节约了微藻培养过程中 培养用水和试剂。同时无需灭菌即可使用，缩短生产工艺，降低获取微藻生物柴油的成 本。
2.微藻利用膜生物反应出水中的氮磷作为微藻培养时的营养物质，进一步降低污水 中各项指标，净化污水水质。
3.利用粪便资源化处理过程中产生的沼气作为供热燃料、沼气提纯时分离得到的 CO2作为微藻培养碳源，将微藻培养与粪便资源化处理有机耦合，降低成本的同时促进 节能减排。
