CN101767893A - 利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于水污染控制技术领域的利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置及方法。在污水二级处理后增加该装置，通过藻细胞的光合作用吸收氮磷等营养元素，可进一步降低污水二级处理出水中的氮磷浓度，从而降低污水厂出水排放到景观水体后爆发水华的风险，可应用于污水的深度处理。以栅藻(Scenedesmus sp.LX1)为含油脂的脱氮除磷优势藻种，采用LED红蓝光光源，可提高藻细胞生长速率及氮磷去除速率；采用膜分离及浓藻液回流的方式，可提高反应器内的藻密度及氮磷去除速率。同时，分离收获的浓藻液可进一步提取油脂，以污水为资源生产生物油。本方法具有氮磷去除效果好、经济效益高等优点。
Description
技术领域
本发明属于水污染控制技术领域，特别涉及利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置及方法。
背景技术
随着人类经济活动的发展，氮磷等营养物质大量排入水体，并产生积累、富集，引起水体富营养化，导致藻类(主要为蓝藻、绿藻)异常繁殖，使水质迅速恶化。控制氮磷进入水体，是防止水体富营养化的根本措施。国内外大量研究表明，常规污水处理工艺虽然能够去除污水中大部分有机和无机污染物，但对氮磷营养物质的去除效果较差。化学法的除磷效果良好，但化学药剂成本高，产生的污泥难以处理。近年来利用藻细胞去除污水中氮磷的研究吸引了越来越多的关注。在藻种筛选的基础上，构建经济高效脱氮除磷的微藻光生物反应器***，对于防止水体富营养化具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置及方法。
利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置，其特征在于：该装置主体为气升式柱式光生物反应器，在气升式柱式光生物反应器内接种含油脂的脱氮除磷优势藻种，曝气装置与气升式柱式光生物反应器相连接，污水进水装置经混合罐与气升式柱式光生物反应器相连接，气升式柱式光生物反应器与膜分离装置相连，通过膜的截留作用获得处理后的污水(低氮磷含量的三级处理出水)，浓缩得到的浓藻液分为两部分，一部分收获，一部分回流，回流浓藻液经混合罐进入气升式柱式光生物反应器，通过调整回流比控制气升式柱式光生物反应器内的藻细胞密度，收获的浓藻液用于制备生物油。
所述气升式柱式光生物反应器采用LED红蓝光光源、太阳光源，或者太阳光源配合使用LED(Light Emitting Diode)红蓝光光源三者中的任意一种。LED红蓝光光源中，红光优选波长在590～710nm，蓝光优选波长在380～510nm。一般情况下，LED红蓝光光源用于增加总光照强度，以及用于延长光照培养时间，LED红蓝光光源的使用可提高藻细胞生长速率及氮磷去除速率。
所述曝气装置由空气泵和压缩CO2罐组成，向气升式柱式光生物反应器提供含5％(体积百分比)CO2的空气。
采用上述的装置利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的方法，其特征在于：利用污水二级处理出水培养微藻，向气升式柱式光生物反应器中接种含油脂的脱氮除磷优势藻种，在含5％(体积百分比)CO2的空气曝气以及光照条件下，通过藻细胞的光合作用吸收氮磷，降低污水中的氮磷浓度，通过膜分离装置将藻细胞截留，获得三级处理出水，浓缩得到的浓藻液分为两部分，一部分收获，一部分回流，回流的浓藻液进入气升式柱式光生物反应器，通过调整回流比控制气升式柱式光生物反应器内的藻细胞密度，收获的浓藻液通过进一步浓缩、油脂提取及酯交换反应，制备生物油。
所述污水二级处理出水为污水二级处理工艺的二沉池出水。
所述光照条件中，总光照强度为1000～1400lux，光暗比为12h∶12h～14h∶10h。
所述光照条件中，采用LED红蓝光光源、太阳光源，或者太阳光源配合使用LED红蓝光光源三者中的任意一种。
所述红蓝光光源的红光蓝光光照强度之比的范围为1∶1到5∶1。
所述含油脂的脱氮除磷优势藻种的接种密度为1×105～10×105个·mL-1。
所述含油脂的脱氮除磷优势藻种为淡水栅藻Scenedesmus sp.LX1(藻种保藏号为CGMCC 3036)。
利用微藻深度处理污水耦合生物油生产的方法的具体步骤为：
(1)向光生物反应器中接种栅藻藻种，初始接种密度为1×105～10×105个·mL-1；
(2)在光照条件(总光照强度为1000～400lux，光暗比为12h∶12h～14h∶10h，采用LED红蓝光光源、太阳光源，或者太阳光源配合使用LED红蓝光光源三者中的任意一种，LED红蓝光光源中，红蓝光光源的红光蓝光光照强度之比的范围为1∶1到5∶1，优选的红光蓝光光照强度之比为5∶1)下，光生物反应器内的藻细胞生长速率及氮磷去除速率均得到促进，污水二级处理出水中的氮磷最大去除率可达97％～98％；
(3)***通过膜分离装置及浓藻液回流的方式增大反应器内的藻细胞密度，可提高氮磷去除速率；
(4)通过膜分离装置将藻细胞截留，从而最终获得低氮磷含量的三级处理出水；
(5)分离收获的浓藻液通过进一步浓缩、油脂提取及酯交换反应，制备生物油；
所述利用微藻深度处理污水耦合生物油生产的方法的处理对象为污水二级处理工艺的二沉池出水。
本发明的有益效果为：微藻深度处理污水耦合生产生物油的方法中的栅藻(Scenedesmus sp.LX1)为脱氮除磷优势藻种，在曝气以及光照条件下，通过藻细胞的光合作用吸收氮磷，降低污水中的氮磷浓度，采用LED红蓝光光源，可提高藻细胞生长速率及氮磷去除速率，采用膜分离及浓藻液回流的方式，可提高反应器内的藻细胞密度和氮磷去除速率，得到低氮磷含量的三级处理出水，从而降低污水厂出水排放到景观水体后爆发水华的风险，可应用于污水的深度处理。同时分离收获的浓藻液可通过进一步浓缩、油脂提取及酯交换反应制备生物油，以污水为资源生产生物能源。
附图说明
图1栅藻LX1在白光及LED红蓝光光照条件下的生长情况对比；
图2栅藻LX1在白光及LED红蓝光光照条件下的氮磷去除情况对比；
图3栅藻LX1在实际城市生活污水二级处理出水中的生长情况；
图4利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置示意图；
图中标号：1、污水进水装置；2、混合罐；3、气升式柱式光生物反应器；4、LED红蓝光光源；5、曝气装置；6、膜分离装置；7、生物油。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明：
实施例1
向人工配置的培养基(总氮和总磷分别为15mg·L-1和1.5mg·L-1，其余组分同稀释50％的BG11培养基)中接种栅藻LX1，初始接种密度约为6×105个·mL-1，在白光和LED不同比例红蓝光(光暗比14h∶10h、光照强度1400lux)的条件下培养。
藻细胞叶绿素主要吸收自然光中的红光及蓝光用于光合作用，因此在同等光照强度下，以LED红蓝光为光源，栅藻LX1的生长速率可得到明显促进。从接种后第1天开始，栅藻LX1的藻细胞密度即明显高于以白光为光源时的情况，直至藻细胞生长进入稳定期。以白光为光源，栅藻LX1生长至第14天左右进入稳定期；以LED红蓝光为光源，由于生长速率得到了促进，栅藻LX1生长至第10天左右即进入稳定期(图1)。
实施例2
栅藻LX1培养条件及光照条件同实施例1。
由于在LED红蓝光光源下栅藻LX1的生长速率得到了促进(实施例1)，因此藻细胞去除氮磷的速率也会得到明显提高。在LED红蓝光光源下，从接种后第1天开始，培养基中的总氮含量即明显低于以白光为光源时的情况，直至培养基中的总氮几乎完全被去除。以白光为光源，培养至第12天左右总氮去除率可达97％；以LED红蓝光为光源，培养至第9天左右总氮去除率即可达97％(图2(a))。
在LED红蓝光光源下栅藻LX1对总磷去除的促进与总氮相似。以白光为光源，培养6天后总磷的去除率为98％；以LED红蓝光为光源，培养至第2天总磷的去除率即可达到98％(图2(b))。
实施例3
以某城市生活污水处理厂的二沉池出水为培养基，直接(二级处理出水不过滤、不灭菌)培养栅藻LX1，二级处理出水的水质条件如表1所示，培养条件为：白光光照强度1400lux、光暗比14h∶10h、温度25℃、相对湿度75％。栅藻LX1的初始接种密度为5×106个·mL-1。
表1
水质指标 指标值
总氮(mg·L-1) 22.2±0.2
氨氮(mg·L-1) 未检出
总磷(mg·L-1) 0.48±0.02
CODCr(mg·L-1) 15.6±3.2
悬浮物(mg·L-1) 6.2±0.8
pH 7.04
浊度(NTU) 1.08
栅藻LX1的生长在整个培养过程没有受到杂菌或杂藻的污染，培养至第8天左右栅藻LX1的生长进入稳定期，最大藻细胞密度约为2×108个·mL-1(图3)。
培养10天后，栅藻LX1对总氮和总磷的去除率分别为41.4％(磷源相对不足导致总氮去除率较低)和99％，藻细胞生物量为0.26g·L-1(干重)，油脂产量为85mg·L-1(干重)，单位藻细胞油脂百分含量为33％。
实施例4
利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置，该装置示意图如图4所示，该装置主体为气升式柱式光生物反应器3，在气升式柱式光生物反应器3内接种含油脂的脱氮除磷优势藻种，曝气装置5与气升式柱式光生物反应器3相连接，污水进水装置1经混合罐2与气升式柱式光生物反应器3相连接，气升式柱式光生物反应器3与膜分离装置6相连，通过膜的截留作用获得处理后的污水，浓缩得到的浓藻液分为两部分，一部分收获，一部分回流，回流浓藻液经混合罐2进入气升式柱式光生物反应器3，通过调整回流比控制气升式柱式光生物反应器3内的藻细胞密度，收获的浓藻液用于制备生物油7。
所述气升式柱式光生物反应器3采用LED红蓝光光源4、太阳光源，或者太阳光源配合使用LED红蓝光光源4三者中的任意一种。
所述曝气装置5由空气泵和压缩CO2罐组成，向气升式柱式光生物反应器3提供含5％(体积百分比)CO2的空气。
上述利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置处理对象为污水二级处理工艺的二沉池出水。
实施例5
利用实施例4所述的微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置处理污水二级处理工艺的二沉池出水，利用污水二沉池出水培养微藻，向气升式柱式光生物反应器中接种含油脂的脱氮除磷优势藻种，含油脂的脱氮除磷优势藻种为淡水栅藻Scenedesmus sp.LX1(藻种保藏号为CGMCC 3036)，在含5％(体积百分比)CO2的空气曝气以及太阳光源照射配合使用LED(Light Emitting Diode)红蓝光光源的条件下，通过藻细胞的光合作用吸收氮磷，降低污水中的氮磷浓度，通过膜分离装置将藻细胞截留，获得低氮磷含量的三级处理出水，浓缩得到的浓藻液分为两部分，一部分收获，一部分回流，回流的浓藻液进入气升式柱式光生物反应器，通过调整回流比控制气升式柱式光生物反应器内的藻细胞密度，收获的浓藻液通过进一步浓缩、油脂提取及酯交换反应，制备生物油。
利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置中的主要设备说明如下：
①污水进水装置，进水流量2L·min-1；
②混合灌，用于进水与回流藻液的混合，内径D＝400mm，高度H＝350mm，水力停留时间HRT＝10min；
③气升式柱式光生物反应器，总容积V＝700L，单个柱式反应器的内径D＝300mm，高度H＝2200mm，水力停留时间HRT＝10h；
④光照条件为太阳光源配合使用LED红蓝光光源4，总光照强度1400lux，光暗比14h∶10h，LED红蓝光光源的红光蓝光光照强度之比为5∶1；
⑤曝气(含5％CO2的空气)装置，根据反应器内的藻细胞密度调节曝气量；
⑥膜分离装置，总容积V＝210L，内径D＝500mm，高度H＝1400mm，水力停留时间HRT＝1h，通过膜的截留作用可获得低氮磷含量的清水，浓缩得到的浓藻液一部分收获，一部分回流，通过调整回流比可以控制反应器内的藻细胞密度；
⑦浓藻液进一步浓缩、油脂提取及酯交换反应，制备生物油。
实施例6
除了LED红蓝光光源的红光蓝光光照强度之比为4∶1外，其余与实施例5相同。
实施例7
除了LED红蓝光光源的红光蓝光光照强度之比为3∶1外，其余与实施例5相同。
Claims (10)
1.利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置，其特征在于：该装置主体为气升式柱式光生物反应器(3)，在气升式柱式光生物反应器(3)内接种含油脂的脱氮除磷优势藻种，曝气装置(5)与气升式柱式光生物反应器(3)相连接，污水进水装置(1)经混合罐(2)与气升式柱式光生物反应器(3)相连接，气升式柱式光生物反应器(3)与膜分离装置(6)相连，通过膜的截留作用获得处理后的污水，浓缩得到的浓藻液分为两部分，一部分收获，一部分回流，回流浓藻液经混合罐(2)进入气升式柱式光生物反应器(3)，通过调整回流比控制气升式柱式光生物反应器(3)内的藻细胞密度，收获的浓藻液用于制备生物油(7)。
2.根据权利要求1所述的利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置，其特征在于：所述气升式柱式光生物反应器(3)采用LED红蓝光光源(4)、太阳光源，或者太阳光源配合使用LED红蓝光光源(4)三者中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的装置，其特征在于：所述曝气装置(5)由空气泵和压缩CO2罐组成，向气升式柱式光生物反应器(3)提供含5％(体积百分比)CO2的空气。
4.采用权利要求1所述的装置利用微藻深度处理污水耦合生产生物油的方法，其特征在于：利用污水二级处理出水培养微藻，向气升式柱式光生物反应器(3)中接种含油脂的脱氮除磷优势藻种，在含5％(体积百分比)CO2的空气曝气以及光照条件下，通过藻细胞的光合作用吸收氮磷，降低污水二级处理出水中的氮磷浓度，通过膜分离装置(6)将藻细胞截留，获得三级处理出水，浓缩得到的浓藻液分为两部分，一部分收获，一部分回流，回流的浓藻液进入气升式柱式光生物反应器(3)，通过调整回流比控制气升式柱式光生物反应器(3)内的藻细胞密度，收获的浓藻液通过进一步浓缩、油脂提取及酯交换反应，制备生物油。
5.根据权利要求4所述的利用微藻深度处理污水耦合生物油生产的方法，其特征在于：所述污水二级处理出水为污水二级处理工艺的二沉池出水。
6.根据权利要求4所述的利用微藻深度处理污水耦合生物油生产的方法，其特征在于：所述光照条件中，总光照强度为1000～1400lux，光暗比为12h∶12h～14h∶10h。
7.根据权利要求4所述的利用微藻深度处理污水耦合生物油生产的方法，其特征在于：所述光照条件中，采用LED红蓝光光源(4)、太阳光源，或者太阳光源配合使用LED红蓝光光源(4)三者中的任意一种。
8.根据权利要求7所述的利用微藻深度处理污水耦合生物油生产的方法，其特征在于：所述红蓝光光源的红光蓝光光照强度之比的范围为1∶1到5∶1。
9.根据权利要求4所述的利用微藻深度处理污水耦合生物油生产的方法，其特征在于：所述含油脂的脱氮除磷优势藻种的接种密度为1×105～10×105个·mL-1。
10.根据权利要求4所述的利用微藻深度处理污水耦合生物油生产的方法，其特征在于：所述含油脂的脱氮除磷优势藻种为淡水栅藻Scenedesmus sp.LX1(藻种保藏号为CGMCC 3036)。
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