利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置及方法

2023-08-01 11:30:31 1

專利名稱：利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置及方法
技術領域：
本發明屬於水汙染控制技術領域，特別涉及利用微藻深度處理汙水耦合生產生物
油的裝置及方法。
背景技術：
隨著人類經濟活動的發展，氮磷等營養物質大量排入水體，並產生積累、富集，引起水體富營養化，導致藻類(主要為藍藻、綠藻)異常繁殖，使水質迅速惡化。控制氮磷進入水體，是防止水體富營養化的根本措施。國內外大量研究表明，常規汙水處理工藝雖然能夠去除汙水中大部分有機和無機汙染物，但對氮磷營養物質的去除效果較差。化學法的除磷效果良好，但化學藥劑成本高，產生的汙泥難以處理。近年來利用藻細胞去除汙水中氮磷的研究吸引了越來越多的關注。在藻種篩選的基礎上，構建經濟高效脫氮除磷的微藻光生物反應器系統，對於防止水體富營養化具有重要意義。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置及方法。
利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置，其特徵在於該裝置主體為氣升式柱式光生物反應器，在氣升式柱式光生物反應器內接種含油脂的脫氮除磷優勢藻種，曝氣裝置與氣升式柱式光生物反應器相連接，汙水進水裝置經混合罐與氣升式柱式光生物反應器相連接，氣升式柱式光生物反應器與膜分離裝置相連，通過膜的截留作用獲得處理後的汙水(低氮磷含量的三級處理出水)，濃縮得到的濃藻液分為兩部分， 一部分收穫， 一部分回流，回流濃藻液經混合罐進入氣升式柱式光生物反應器，通過調整回流比控制氣升式柱式光生物反應器內的藻細胞密度，收穫的濃藻液用於製備生物油。 所述氣升式柱式光生物反應器採用LED紅藍光光源、太陽光源，或者太陽光源配合使用LED(Light Emitting Diode)紅藍光光源三者中的任意一種。LED紅藍光光源中，紅光優選波長在590 710nm，藍光優選波長在380 510nm。 一般情況下，LED紅藍光光源用於增加總光照強度，以及用於延長光照培養時間，LED紅藍光光源的使用可提高藻細胞生長速率及氮磷去除速率。 所述曝氣裝置由空氣泵和壓縮(A罐組成，向氣升式柱式光生物反應器提供含5%(體積百分比)C02的空氣。 採用上述的裝置利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的方法，其特徵在於利用汙水二級處理出水培養微藻，向氣升式柱式光生物反應器中接種含油脂的脫氮除磷優勢藻種，在含5% (體積百分比)(A的空氣曝氣以及光照條件下，通過藻細胞的光合作用吸收氮磷，降低汙水中的氮磷濃度，通過膜分離裝置將藻細胞截留，獲得三級處理出水，濃縮得到的濃藻液分為兩部分，一部分收穫，一部分回流，回流的濃藻液進入氣升式柱式光生物反應器，通過調整回流比控制氣升式柱式光生物反應器內的藻細胞密度，收穫的濃藻液通過進一步濃縮、油脂提取及酯交換反應，製備生物油。
所述汙水二級處理出水為汙水二級處理工藝的二沉池出水。 所述光照條件中，總光照強度為1000 14001ux，光暗比為12h : 12h 14h : 10h。 所述光照條件中，採用LED紅藍光光源、太陽光源，或者太陽光源配合使用LED紅 藍光光源三者中的任意一種。
所述紅藍光光源的紅光藍光光照強度之比的範圍為i : l到5 : i。 所述含油脂的脫氮除磷優勢藻種的接種密度為1 X 105 10X 105個 mL—、
所述含油脂的脫氮除磷優勢藻種為淡水柵藻Scenedesmus sp. LX1 (藻種保藏號為 CGMCC 3036)。 利用微藻深度處理汙水耦合生物油生產的方法的具體步驟為 (1)向光生物反應器中接種柵藻藻種，初始接種密度為1X105 10X1S個*mL—1 ; (2)在光照條件(總光照強度為1000 4001ux，光暗比為12h : 12h 14h : 10h，
採用LED紅藍光光源、太陽光源，或者太陽光源配合使用LED紅藍光光源三者中的任意一
種，LED紅藍光光源中，紅藍光光源的紅光藍光光照強度之比的範圍為1 : l到5 : l，優選
的紅光藍光光照強度之比為5 : 1)下，光生物反應器內的藻細胞生長速率及氮磷去除速率
均得到促進，汙水二級處理出水中的氮磷最大去除率可達97% 98% ; (3)系統通過膜分離裝置及濃藻液回流的方式增大反應器內的藻細胞密度，可提
高氮磷去除速率； (4)通過膜分離裝置將藻細胞截留，從而最終獲得低氮磷含量的三級處理出水；
(5)分離收穫的濃藻液通過進一步濃縮、油脂提取及酯交換反應，製備生物油；
所述利用微藻深度處理汙水耦合生物油生產的方法的處理對象為汙水二級處理 工藝的二沉池出水。 本發明的有益效果為微藻深度處理汙水耦合生產生物油的方法中的柵藻 (Scenedesmus sp. LX1)為脫氮除磷優勢藻種，在曝氣以及光照條件下，通過藻細胞的光合 作用吸收氮磷，降低汙水中的氮磷濃度，採用LED紅藍光光源，可提高藻細胞生長速率及氮 磷去除速率，採用膜分離及濃藻液回流的方式，可提高反應器內的藻細胞密度和氮磷去除 速率，得到低氮磷含量的三級處理出水，從而降低汙水廠出水排放到景觀水體後爆發水華 的風險，可應用於汙水的深度處理。同時分離收穫的濃藻液可通過進一步濃縮、油脂提取及 酯交換反應製備生物油，以汙水為資源生產生物能源。


圖1柵藻LX1在白光及LED紅藍光光照條件下的生長情況對比；
圖2柵藻LX1在白光及LED紅藍光光照條件下的氮磷去除情況對比；
圖3柵藻LX1在實際城市生活汙水二級處理出水中的生長情況；
圖4利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置示意圖； 圖中標號1、汙水進水裝置；2、混合罐；3、氣升式柱式光生物反應器；4、 LED紅藍 光光源；5、曝氣裝置；6、膜分離裝置；7、生物油。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發明做進一步說明
實施例1 向人工配置的培養基(總氮和總磷分別為15mg L—1和1. 5mg L—、其餘組分同稀 釋50%的BG11培養基)中接種柵藻LX1，初始接種密度約為6X 105個*mL—、在白光和LED 不同比例紅藍光(光暗比14h : 10h、光照強度14001ux)的條件下培養。
藻細胞葉綠素主要吸收自然光中的紅光及藍光用於光合作用，因此在同等光照強 度下，以LED紅藍光為光源，柵藻LX1的生長速率可得到明顯促進。從接種後第l天開始，柵 藻LX1的藻細胞密度即明顯高於以白光為光源時的情況，直至藻細胞生長進入穩定期。以 白光為光源，柵藻LX1生長至第14天左右進入穩定期；以LED紅藍光為光源，由於生長速率 得到了促進，柵藻LX1生長至第10天左右即進入穩定期(圖1)。
實施例2 柵藻LX1培養條件及光照條件同實施例1。 由於在LED紅藍光光源下柵藻LX1的生長速率得到了促進(實施例1)，因此藻細 胞去除氮磷的速率也會得到明顯提高。在LED紅藍光光源下，從接種後第l天開始，培養基 中的總氮含量即明顯低於以白光為光源時的情況，直至培養基中的總氮幾乎完全被去除。 以白光為光源，培養至第12天左右總氮去除率可達97%;以LED紅藍光為光源，培養至第9 天左右總氮去除率即可達97% (圖2(a))。 在LED紅藍光光源下柵藻LX1對總磷去除的促進與總氮相似。以白光為光源，培 養6天後總磷的去除率為98% ;以LED紅藍光為光源，培養至第2天總磷的去除率即可達 到98% (圖2(b))。
實施例3 以某城市生活汙水處理廠的二沉池出水為培養基，直接(二級處理出水不過濾、不滅 菌)培養柵藻LX1， 二級處理出水的水質條件如表1所示，培養條件為白光光照強度14001ux、 光暗比14h : 10h、溫度25t:、相對溼度75X。柵藻LX1的初始接種密度為5Xl(f個'mL—、表l水質指標指標值總氮(mg L-022. 2±0. 2氨氮(mg L-0未檢出總磷(mg L—00. 48±0. 02CODCr (mg L—015. 6±3. 2懸浮物(mg L-06. 2±0. 8pH7. 04濁度(NTU)1. 08 柵藻LX1的生長在整個培養過程沒有受到雜菌或雜藻的汙染，培養至第8天左右 柵藻LX1的生長進入穩定期，最大藻細胞密度約為2 X 108個 mL—1 (圖3)。
5
培養10天後，柵藻LX1對總氮和總磷的去除率分別為41. 4% (磷源相對不足導致 總氮去除率較低)和99 % ，藻細胞生物量為0. 26g L—1 (乾重)，油脂產量為85mg L—1 (幹 重)，單位藻細胞油脂百分含量為33 % 。
實施例4 利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置，該裝置示意圖如圖4所示，該裝 置主體為氣升式柱式光生物反應器3，在氣升式柱式光生物反應器3內接種含油脂的脫氮 除磷優勢藻種，曝氣裝置5與氣升式柱式光生物反應器3相連接，汙水進水裝置1經混合罐 2與氣升式柱式光生物反應器3相連接，氣升式柱式光生物反應器3與膜分離裝置6相連， 通過膜的截留作用獲得處理後的汙水，濃縮得到的濃藻液分為兩部分， 一部分收穫， 一部分 回流，回流濃藻液經混合罐2進入氣升式柱式光生物反應器3，通過調整回流比控制氣升式 柱式光生物反應器3內的藻細胞密度，收穫的濃藻液用於製備生物油7。
所述氣升式柱式光生物反應器3採用LED紅藍光光源4、太陽光源，或者太陽光源 配合使用LED紅藍光光源4三者中的任意一種。 所述曝氣裝置5由空氣泵和壓縮C02罐組成，向氣升式柱式光生物反應器3提供 含5% (體積百分比)(A的空氣。 上述利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置處理對象為汙水二級處理工
藝的二沉池出水。 實施例5 利用實施例4所述的微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置處理汙水二級
處理工藝的二沉池出水，利用汙水二沉池出水培養微藻，向氣升式柱式光生物反應器中
接種含油脂的脫氮除磷優勢藻種，含油脂的脫氮除磷優勢藻種為淡水柵藻Scenedesmus
sp丄Xl(藻種保藏號為CGMCC 3036)，在含5% (體積百分比)C02的空氣曝氣以及太陽光源
照射配合使用LED (Light Emitting Diode)紅藍光光源的條件下，通過藻細胞的光合作用
吸收氮磷，降低汙水中的氮磷濃度，通過膜分離裝置將藻細胞截留，獲得低氮磷含量的三級
處理出水，濃縮得到的濃藻液分為兩部分， 一部分收穫， 一部分回流，回流的濃藻液進入氣
升式柱式光生物反應器，通過調整回流比控制氣升式柱式光生物反應器內的藻細胞密度，
收穫的濃藻液通過進一步濃縮、油脂提取及酯交換反應，製備生物油。 利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置中的主要設備說明如下 ①汙水進水裝置，進水流量2L min—1 ; ②混合灌，用於進水與回流藻液的混合，內徑D = 400mm，高度H = 350mm，水力停 留時間HRT = 10min ; ③氣升式柱式光生物反應器，總容積V = 700L，單個柱式反應器的內徑D = 300mm，高度H = 2200mm，水力停留時間HRT = 10h ; ④光照條件為太陽光源配合使用LED紅藍光光源4，總光照強度14001ux，光暗比 14h : 10h，LED紅藍光光源的紅光藍光光照強度之比為5 : 1; ⑤曝氣(含5% C02的空氣)裝置，根據反應器內的藻細胞密度調節曝氣量；
⑥膜分離裝置，總容積V二210L，內徑D二 500mm，高度H二 1400mm，水力停留時間 HRT = lh，通過膜的截留作用可獲得低氮磷含量的清水，濃縮得到的濃藻液一部分收穫，一 部分回流，通過調整回流比可以控制反應器內的藻細胞密度；
⑦濃藻液進一步濃縮、油脂提取及酯交換反應，製備生物油。 實施例6 除了LED紅藍光光源的紅光藍光光照強度之比為4 : 1夕卜，其餘與實施例5相同。 實施例7 除了LED紅藍光光源的紅光藍光光照強度之比為3 : 1夕卜，其餘與實施例5相同。
權利要求
利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置，其特徵在於該裝置主體為氣升式柱式光生物反應器(3)，在氣升式柱式光生物反應器(3)內接種含油脂的脫氮除磷優勢藻種，曝氣裝置(5)與氣升式柱式光生物反應器(3)相連接，汙水進水裝置(1)經混合罐(2)與氣升式柱式光生物反應器(3)相連接，氣升式柱式光生物反應器(3)與膜分離裝置(6)相連，通過膜的截留作用獲得處理後的汙水，濃縮得到的濃藻液分為兩部分，一部分收穫，一部分回流，回流濃藻液經混合罐(2)進入氣升式柱式光生物反應器(3)，通過調整回流比控制氣升式柱式光生物反應器(3)內的藻細胞密度，收穫的濃藻液用於製備生物油(7)。
2. 根據權利要求1所述的利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置，其特徵在於所述氣升式柱式光生物反應器(3)採用LED紅藍光光源(4)、太陽光源，或者太陽光源配合使用LED紅藍光光源(4)三者中的任意一種。
3. 根據權利要求1所述的利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置，其特徵在於所述曝氣裝置(5)由空氣泵和壓縮C02罐組成，向氣升式柱式光生物反應器(3)提供含5% (體積百分比)C02的空氣。
4. 採用權利要求1所述的裝置利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的方法，其特徵在於利用汙水二級處理出水培養微藻，向氣升式柱式光生物反應器(3)中接種含油脂的脫氮除磷優勢藻種，在含5% (體積百分比)(A的空氣曝氣以及光照條件下，通過藻細胞的光合作用吸收氮磷，降低汙水二級處理出水中的氮磷濃度，通過膜分離裝置(6)將藻細胞截留，獲得三級處理出水，濃縮得到的濃藻液分為兩部分， 一部分收穫， 一部分回流，回流的濃藻液進入氣升式柱式光生物反應器(3)，通過調整回流比控制氣升式柱式光生物反應器(3)內的藻細胞密度，收穫的濃藻液通過進一步濃縮、油脂提取及酯交換反應，製備生物油。
5. 根據權利要求4所述的利用微藻深度處理汙水耦合生物油生產的方法，其特徵在於所述汙水二級處理出水為汙水二級處理工藝的二沉池出水。
6. 根據權利要求4所述的利用微藻深度處理汙水耦合生物油生產的方法，其特徵在於所述光照條件中，總光照強度為1000 14001ux，光暗比為12h : 12h 14h : 10h。
7. 根據權利要求4所述的利用微藻深度處理汙水耦合生物油生產的方法，其特徵在於所述光照條件中，採用LED紅藍光光源(4)、太陽光源，或者太陽光源配合使用LED紅藍光光源(4)三者中的任意一種。
8. 根據權利要求7所述的利用微藻深度處理汙水耦合生物油生產的方法，其特徵在於所述紅藍光光源的紅光藍光光照強度之比的範圍為l : l到5 : 1。
9. 根據權利要求4所述的利用微藻深度處理汙水耦合生物油生產的方法，其特徵在於所述含油脂的脫氮除磷優勢藻種的接種密度為1 X 105 10X 105個 mL—、
10. 根據權利要求4所述的利用微藻深度處理汙水耦合生物油生產的方法，其特徵在於所述含油脂的脫氮除磷優勢藻種為淡水柵藻Scenedesmus sp. LX1 (藻種保藏號為CGMCC 3036)。
全文摘要
本發明公開了屬於水汙染控制技術領域的利用微藻深度處理汙水耦合生產生物油的裝置及方法。在汙水二級處理後增加該裝置，通過藻細胞的光合作用吸收氮磷等營養元素，可進一步降低汙水二級處理出水中的氮磷濃度，從而降低汙水廠出水排放到景觀水體後爆發水華的風險，可應用於汙水的深度處理。以柵藻(Scenedesmus sp.LX1)為含油脂的脫氮除磷優勢藻種，採用LED紅藍光光源，可提高藻細胞生長速率及氮磷去除速率；採用膜分離及濃藻液回流的方式，可提高反應器內的藻密度及氮磷去除速率。同時，分離收穫的濃藻液可進一步提取油脂，以汙水為資源生產生物油。本方法具有氮磷去除效果好、經濟效益高等優點。
文檔編號C02F1/30GK101767893SQ20101011183
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月11日 優先權日2010年2月11日
發明者李鑫, 稻垣靖史, 胡洪營, 蘇貞峰, 野口勉 申請人:清華大學;索尼公司