申请日2019.03.28
公开(公告)日2019.06.21
IPC分类号C10L1/02; C02F3/32; C11B1/04; C11B1/10; C11C1/08; C11C1/10; C11C3/04; C12N1/02; C12N1/12
摘要
本发明涉及一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与栅藻生产生物柴油的方法及系统，实现污水处理系统由处理工艺向生产工艺的转化。污泥浓缩池上清液含有丰富的N、P等营养元素，但是高浓度的N、P会对微藻生长起到一定的抑制作用，所以将污泥浓缩池上清液与城市生活污水按一定的比例混合之后用来培养微藻。采用此混合污水培养混合藻，微藻生物产量达到3.5g/L，培养结束后混合污水中的总氮去除率为99%，总磷去除率为99%，COD去除率为89.9%。
权利要求书
1.一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、污水混合：将城市生活污水与污泥浓缩池上清液按一定比例混合;
B、微藻培养：将混合后污水加入培养池，按一定密度接种小球藻与斜生栅藻的混合藻;
C、藻体收获：采用滤膜法收获藻体，实现藻水分离;
D、油脂提取：对收获的藻体采用超声波破碎微波辅助法提取油脂。
2.根据权利要求1所述的一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，其特征在于，步骤A中城市生活污水是污水处理厂初沉池出水，污泥浓缩池上清液是污水处理厂活性污泥经过重力浓缩后的上清液。
3.根据权利要求1所述的一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，其特征在于，步骤A中城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合后，污水中营养元素比例为C/N/P=160:24:1。
4.根据权利要求1所述的一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，其特征在于，步骤B中小球藻与斜生栅藻细胞个数比例为1:1、1:1.5、1:2中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，其特征在于，步骤B中混合藻的接种体积为10%。
6.根据权利要求1所述的一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，其特征在于，步骤B中的培养池为跑道式培养池。
7.根据权利要求1所述的一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，其特征在于，步骤C中采用孔径为0.5-2.5μm的滤膜收获藻体。
8.根据权利要求7所述的一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，其特征在于，采用滤膜收获藻体时过滤操作压力为0.01-0.1MPa，进料流量为100-800L·h-1，温度为20-40℃，pH值为5-8，过滤时间为1-5h。
9.根据权利要求1所述的一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，其特征在于，对收获的藻体采用超声波破碎微波辅助法提取油脂，在碱性条件下加入甲醇或者乙醇作为催化剂将油脂转化为脂肪酸甲酯，再向反应体系中加入乙醚和盐溶液，待混合后分层，分离出乙醚相后进行真空蒸馏获得生物柴油。
10.根据权利要求9所述的一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，其特征在于，优选采用超声波破碎微波辅助法提取油脂的操作条件为：温度90℃，超声时间15min，氯仿/甲醇比1:2，液料比20:1，提取次数1-5次。
说明书
利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与栅藻生产生物柴油的方法
技术领域
本发明涉及一种微藻生物柴油培养方法，尤其涉及一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与栅藻生产生物柴油的方法。
背景技术
能源危机关系到人类未来的发展，因此新能源的开发引起了人们越来越多的重视。与能源危机并行的另一大危机是水资源与水质危机。淡水资源短缺是制约我国未来发展的主要瓶颈之一。污水再生利用是解决这一问题的重要途径，而水体富营养化控制是再生水回用于景观水体时需要解决的首要问题。污泥脱水液为典型的高氨氮、低碳氮比、低碱度废水，所含氨氮约占城市污水厂总氮负荷的25%。通常直接将其回流到调节池与未处理污水混合后再进行处理，这将加大污水处理厂脱氮除磷的难度，这也是污水处理厂脱氮除磷效率低的主要原因之一，最终会影响出水水质;如果将污水处理厂污泥脱水液单独处理，又会大大增加成本。但是污泥浓缩池上清液中氮磷含量高影响微藻生长，所以将污泥浓缩池上清液与城市生活污水按一定的比例混合之后用来培养微藻。利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养高油脂微藻生产生物柴油，具有能源生产力高，占地面积相小和不向大气中净排放CO2等优势。
目前，国内也有一些研究机构在从事微藻生物质能源的相关研究，以污水处理厂二级出水为培养基培养微藻，营养物质浓度低导致微藻生长量低。或者以初沉池出水与传统培养基BG11等混合培养微藻，成本高难以实现产业化。
例如，CN103113932A公开了一种利用城市生活污水培养微藻生产生物柴油的方法及系统，实现污水处理系统由处理工艺向生产工艺的转化，城市生活污水里的有机物、氮磷等营养物质含量较高有利于微藻大量繁殖，实现了污水由污染物向微藻生长原料的转化;菌藻共生系统的建立将CO2循环和O2循环紧密联系起来，使得微藻生长不再依靠外界提供碳源，同时曝气池中曝气系统的减少使得生产成本相对较低;促进光合作用组件使得曝气池中光照充分有利于微藻的光合作用;高效降解菌株的使用使得后续污泥量少。城市生活污水的营养元素虽然能够维持藻类的生长，但它的营养元素C/N/P比例并不是最适合微藻生长的营养元素比例，所以存在一定的缺陷。它需要研究一下微藻最适营养生长比例，这样可以使藻类尽快生长。
CN102618446A公开了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。粪便污水需要预处理这样会增加经济负担，很难实现工业化。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明构建了一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法及系统，不需要外加曝气，不需要外加光照，节约能源;同时，对微藻进行大规模培养，最终使生物柴油产业化。
本发明的技术方案是：一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与斜生栅藻生产生物柴油的方法，包括如下步骤：
A、污水混合：将城市生活污水与污泥浓缩池上清液按一定比例混合;
B、微藻培养：将混合后污水加入培养池，按一定密度接种小球藻与斜生栅藻的混合藻;
C、藻体收获：采用滤膜法收获藻体，实现藻水分离;
D、油脂提取：对收获的藻体采用超声波破碎微波辅助法提取油脂。
前述方案通过大量实验研究优选得到，通过前述方法，所述步骤A根据微藻生长所需的营养元素C/N/P来调配城市生活污水与污泥浓缩池上清液的混合比例;按一定密度接种小球藻与斜生栅藻的混合藻，使微藻在混合污水中生长状况最好。
步骤B将混合后污水加入培养池，接种混合藻，微藻利用混合污水中的碳氮磷等营养物质，合成藻体自身细胞物质。另外一方面，混合污水中的碳氮磷等营养物质被微藻吸收利用，水质得到净化。
本发明的进一步技术方案是：步骤A中城市生活污水是污水处理厂初沉池出水，污泥浓缩池上清液是污水处理厂活性污泥经过重力浓缩后的上清液。
初沉池出水经过沉淀污水浑浊度低，对微藻生长影响低，另外初沉池出水的污水总氮总磷浓度比污泥浓缩池(高氮高磷)低，这样容易调配成微藻最适 C/N/P比例。
本发明的进一步技术方案是：步骤A中城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合后，污水中营养元素比例为C/N/P=160:24:1，我们把营养元素调到此比例最适合微藻生长，会加快微藻的生长。
本发明的进一步技术方案是：步骤B中小球藻与斜生栅藻细胞个数比例为 1:1、1:1.5、1:2中的一种。
通过大量的实验研究发现，采用前述混合藻种，小球藻比表面积大，具有较高光合效率，并且分布广泛，环境适应性强，对污水净化效果好，含有多糖、蛋白质、细胞色素、不饱和脂肪酸和生长因子等多种丰富的营养物质;斜生栅生物质产量高，抗逆能力强。将小球藻与斜生栅藻按适当比例混合培养，可以增强系统的稳定性，获得最大生物量，同时污水得到最大限度净化。
本发明的进一步技术方案是：步骤B混合藻的接种体积为10%。
接种体积过低使藻类在污水中不易存活或者生长缓慢，接种体积过高会导致营养物质过快的被消耗掉，使藻类后期会出现营养物质不足限制，影响藻类油脂积累。
本发明的进一步技术方案是：步骤B微藻在培养池中培养，培养池为开放式跑道式培养池。开放式跑道池优点：建造成本低;易于建造;容量大;易于实现微藻规模化培养。
本发明的进一步技术方案是：步骤C中采用孔径为0.5-2.5μm的滤膜收获藻体。
过滤法收获藻体的优势在于：回收率和脱水率高，用真空或者压力过滤器通常可达到80%以上，且微藻生物质浓度可以达到180g/L左右。
具体地，采用滤膜收获藻体时过滤操作压力为0.01-0.1MPa，进料流量为100-800L·h-1，温度为20-40℃，pH值为5-8。经过1-5h的过滤，藻液中的藻密度可达1×108个·mL-1，对微藻的截留率达到99.9%以上，达到藻水分离的目的。考虑经济效益，在此条件下，微藻收获效率最高。
本发明的进一步技术方案是：步骤D中对收获的藻体采用超声波破碎微波辅助法提取油脂，在碱性条件下加入甲醇或者乙醇作为催化剂将油脂转化为脂肪酸甲酯，再向反应体系中加入乙醚和盐溶液，待混合后分层，分离出乙醚相后进行真空蒸馏即可获得生物柴油。
其中，优选采用超声波破碎微波辅助法提取油脂的操作条件为：温度90℃下，超声时间15min，氯仿/甲醇比1:2，液料比20:1，提取次数1-5次。
通过大量的实验研究发现，不同超声温度对微藻油脂提取率具有一定影响，随着温度升高，提取速率增大，油脂得率提高，当温度达到一定时，油脂提取率最高，而后开始下降。因为温度过高，当接近或达到沸点时，溶剂挥发加快，浸出过程难以稳定，从而造成油脂提取率降低，因此90℃为最佳提取温度。
并且，随着超声时间的延长，藻类油脂提取率不断提高，当达到15min后，提取率趋于稳定。这是由于溶液中油脂浓度增大，溶液体系的渗透压达到平衡，时间延长对油脂提取率影响不显著。
还有，不同料液比对超声提取率的影响较大，溶剂用量越大，油脂提取率越高。当液料比达到20:1时，油脂提取率趋于稳定。这是因为当原料量一定时，溶剂用量越大，体系渗透压越大，油脂越容易被提取出来。当溶剂用量增大到一定程度后，油脂含量逐渐减小，渗透压的改变对油脂提取不再有明显作用，再增加溶剂用量，油脂提取率基本保持不变。从经济角度考虑，20：1为最佳料液比。
本发明的技术方案和原理主要是：构建一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液混合培养小球藻与栅藻生产生物柴油的系统，包括：污水混合、微藻培养、藻体收获和油脂提取。调配出最适合微藻生长的城市生活原污水与污泥浓缩池上清液的混合比例，同时按一定密度接种小球藻与斜生栅藻的混合藻;让微藻在混合污水中培养，微藻利用污水中的碳氮磷等营养物质，合成藻体自身细胞物质，污水碳氮磷等营养元素被微藻利用后，水质得到了净化;采用滤膜法收获藻体，实现藻水分离;对收获的藻体采用超声波破碎微波辅助法提取油脂，在碱性条件下加入甲醇或者乙醇作为催化剂将油脂转化为脂肪酸甲酯，再向反应体系中加入乙醚和盐溶液混合后分层，分离出乙醚相后再进行真空蒸馏获得生物柴油。
本发明相对于现有技术的有益效果包括：
本发明构建一种利用城市生活污水与污泥浓缩池上清液培养小球藻与栅藻生产生物柴油的方法及系统，实现污水处理系统由处理工艺向生产工艺的转化，混合后的污水中含有大量的有机物、氮磷等营养物质，有利于微藻大量繁殖，实现了污水中有机物、氮磷等营养物质的资源化利用，同时污水得到了净化。
