CN104789602A - 一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，它涉及一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法。本发明是要解决现有暗发酵制氢过程中会产生大量的挥发性有机酸，从而导致产氢量降低的问题，方法包括以下步骤：一、取淀粉废水，调节其pH，将废水置于密闭反应器中；二、对产氢接种物进行预处理，得到含有产氢细菌的混合物；三、将含有产氢细菌混合物与微藻混合，接种到淀粉废水中，再置于摇床中，振荡培养，即完成。本发明利用废水进行发酵产能，不仅有效处理了废水，减少了其对环境的污染，提供了一种同步制备清洁能源的方法。本发明中产能提高超过95％，污水处理效率提高超过170％。本发明应用生物能源和污水处理领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法。
背景技术
不可再生能源的日益枯竭及其所引发的环境污染问题，严重的威胁了人类的生存和可持续发展。因此，亟需开发清洁的可再生能源。在各种可再生能源中，氢能是被认为是一种理想的清洁能源。氢气具有能量密度高、热转化效率高、导热系数高、应用形式多样等优点，更为重要的是，氢气燃烧的产物是水，不会排放温室气体。
目前，常规的制氢方法是从石油、煤、天然气等化石燃料中提取或通过电解水制取，这些方法无法从根本上摆脱对化石燃料的依赖，并且会对环境造成严重污染，不能满足未来氢能生产可持续发展的需求。生物制氢是利用微生物在代谢过程中分解有机物产生氢气的一项生物工程技术。具有工艺条件温和、能耗低、清洁环保等优势，已引起了世界范围的广泛关注。
生物制氢主要分为暗发酵制氢和光发酵制氢两大类。其中暗发酵制氢具有产氢速率快、发酵底物来源广、无需光照等优点，更容易进行连续操作和工业化生产。然而，暗发酵过程中会产生大量的挥发性有机酸，导致反应体系pH下降，进而造成产氢量降低，同时还会带来一定的环境污染。
发明内容
本发明是要解决现有暗发酵制氢过程中会产生大量的挥发性有机酸，从而导致产氢量降低的问题，提供了细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法。
本发明一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，包括以下步骤：一、取淀粉废水，调节pH，然后置于密闭反应器中；二、对产氢接种物进行预处理，得到混合物A；三、将混合物A与微藻混合，然后按占淀粉废水总体积的5～10％的接种量，接种到密闭反应器内的淀粉废水中，再将反应器置于摇床中，振荡培养，即完成。
本发明的原料为废水或废弃物，有利于降低产能的成本，避免了常规废物处理技术的支出。产氢接种物中常存在耗氢菌，能消耗掉由产氢菌生产的氢气，导致氢气产量下降。但耗氢菌对高温、酸碱或化学药剂比较敏感，经处理后活性会受到抑制，由于产氢菌可以形成能够抵御恶劣环境的芽孢，故在处理后可以存活并保持活性，对产氢接种物进行处理，可以有效的抑制接种物中的耗氢菌，达到提高发酵产氢效能的目的。因此使用本发明列举的处理方法处理产氢接种物，都可以抑制耗氢菌，达到提高发酵产氢效能的目的。产氢接种物在处理后生成的产氢细菌群将原料转变成氢气和挥发性有机酸，微藻可以利用这些有机酸生长并合成油脂，产氢细菌与微藻混合培养可以充分利用底物，减少了废水或废弃物对环境的污染，同时产生了清洁能源——氢气和油脂，与单纯的暗发酵制氢相比，混合培养可以显著提高生物产能效率和废水处理效率，产能提高超过95％，污水处理效率提高超过170％。本发明是将产氢菌群和微藻混合，然后一起接种到淀粉废水中，产氢菌群产生氢气和有机酸发酵液，微藻在同一个反应器中利用有机酸发酵液生产油脂，混合培养可以同步生产氢气和油脂，具有良好的经济和环境效益。
附图说明
图1为实施方式1工艺流程示意图；
图2为试验1和试验2产氢量图；其中为试验组，为对照组；
图3为试验1和试验2中油脂浓度图；其中为产油速率，为油脂浓度；
图4为试验1和试验2的COD去除率图；其中为试验组，为对照组。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，包括以下步骤：一、取淀粉废水，调节pH，然后置于密闭反应器中；二、对产氢接种物进行预处理，得到混合物A；三、将混合物A与微藻混合，然后按占淀粉废水总体积的5～10％的接种量，接种到密闭反应器内的淀粉废水中，再将反应器置于摇床中，振荡培养，即完成。其中混合物A含有产氢细菌菌群，其中产氢细菌菌群是以梭菌属为主的菌群。
本实施方式的工艺流程图如图1所示。
本实施方式本发明的原料为废水或废弃物，有利于降低产能的成本，避免了常规废物处理技术的支出。产氢接种物中常存在耗氢菌，能消耗掉由产氢菌生产的氢气，导致氢气产量下降。但耗氢菌对高温、酸碱或化学药剂比较敏感，经处理后活性会受到抑制，由于产氢菌可以形成能够抵御恶劣环境的芽孢，故在处理后可以存活并保持活性，对产氢接种物进行处理，可以有效的抑制接种物中的耗氢菌，达到提高发酵产氢效能的目的。因此使用本发明列举的处理方法处理产氢接种物，都可以抑制耗氢菌，达到提高发酵产氢效能的目的。产氢接种物在处理后生成的产氢细菌群将原料转变成氢气和挥发性有机酸，微藻可以利用这些有机酸生长并合成油脂，产氢细菌与微藻混合培养可以充分利用底物，减少了废水或废弃物对环境的污染，同时产生了清洁能源——氢气和油脂，与单纯的暗发酵制氢相比，混合培养可以显著提高生物产能效率和废水处理效率，产能提高超过95％，污水处理效率提高超过170％。本实施方式是将产氢菌群和微藻混合，然后一起接种到淀粉废水中，产氢菌群产生氢气和有机酸发酵液，微藻在同一个反应器中利用有机酸发酵液生产油脂，混合培养可以同步生产氢气和油脂，具有良好的经济和环境效益。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的淀粉废水为甘薯淀粉废水、木薯淀粉废水、绿豆淀粉废水、马铃薯淀粉废水、麦类淀粉废水、菱角淀粉废水、藕淀粉废水和玉米淀粉废水中的一种或几种按任意比组成的混合物。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述的调节pH是通过浓度为1mol/L的HCl溶液或浓度为1mol/L的NaOH溶液进行调节的。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的调节pH是指调节淀粉废水pH至4～11。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的产氢接种物为剩余污泥、消化污泥、厌氧颗粒污泥和下水道污泥中一种或几种按任意比组成的混合物。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
本实施方式中剩余污泥、消化污泥和厌氧颗粒污泥来自哈尔滨地区的污水处理厂；下水道污泥来自哈尔滨地区下水道。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的预处理方法为热处理，具体方法为在100℃条件下处理1h。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述的预处理方法为酸处理、碱处理、过氧化氢处理、超声波处理、微波处理、甲烷抑制剂处理、氯仿处理、二溴乙烷磺酸钠处理、辐照处理、曝气处理和冲击负荷处理中一种或几种方法的组合。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中所述的微藻为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻中的一种或几种按任意比组成的混合物。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
本实施方式中小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻均为购买得到。栅藻(Scenedesmus sp.)采用已公开中国发明专利《一种富油微藻的高通量筛选方法》(申请号：CN201310096030.2)中的方法筛选获得。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中所述的微藻与混合物A按体积比为(1～1000):1的比例混合。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中所述的培养条件为温度20～40℃，光照强度1000～12000lux，隔绝空气培养，摇床转速50～200rpm，培养时间48～240h。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验1、本试验试验组细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，包括以下步骤：一、取甘薯淀粉废水，用浓度为1mol/L的HCl调节pH为8，然后置于密闭反应器中；二、在100℃条件下剩余污泥进行处理1h，得到混合物A；三、将混合物A与栅藻按体积比为1:30的比例混合，然后按接种量为淀粉废水总体积的10％接种到密闭反应器内的淀粉废水中，再将反应器置于摇床中，振荡培养，培养条件为35℃，光照强度5000lux，隔绝空气培养，摇床转速120rpm，培养时间120h，即完成。混合物A包含的产氢细菌为以梭菌属为主的菌群
对照组为采用暗发酵制氢的方法处理与试验1相同的甘薯淀粉废水。
试验2、本试验试验组细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，包括以下步骤：一、取木薯淀粉废水，用浓度为1mol/L的HCl调节pH为8，然后置于密闭反应器中；二、在100℃条件下剩余污泥进行处理1h，得到混合物A；三、将混合物A与栅藻按体积比为1:30的比例混合，然后按接种量为淀粉废水总体积的10％接种到密闭反应器内的淀粉废水中，再将反应器置于摇床中，振荡培养，培养条件为35℃，光照强度5000lux，隔绝空气培养，摇床转速120rpm，培养时间120h，即完成。混合物A包含的产氢细菌为以梭菌属为主的菌群。
对照组为采用暗发酵制氢的方法处理与试验1相同的木薯淀粉废水。
其中试验1和2中的栅藻(Scenedesmus sp.)采用已公开中国发明专利《一种富油微藻的高通量筛选方法》(申请号：CN201310096030.2)中的方法筛选获得，剩余污泥来自哈尔滨污水处理厂的二次沉淀池。
对试验1的试验组、对照组和试验2的试验组、对照组的产氢量进行测试，结果如图2所示，由图2可知，采用甘薯淀粉废水为原料时，对照组的产氢量为1116.7mL H2/L工作体积，试验1试验组的产氢量为1466.7mL H2/L工作体积；采用木薯淀粉废水为原料时，对照组的产氢量为1000mL H2/L工作体积，试验2试验组的产氢量为1183.3mL H2/L工作体积。
对试验1的试验组和试验2的试验组的油脂浓度进行测试，结果如图3所示，由图3可知，采用甘薯淀粉废水为原料时，油脂浓度为0.34g/L工作体积，产油速率为68mg/L/d；采用木薯淀粉废水为原料时，油脂浓度为0.26g/L工作体积，产油速率为52mg/L/d。
对试验1的试验组、对照组和试验2的试验组、对照组的COD去除率进行测试，结果如图4所示，由图4可知，采用甘薯淀粉废水为原料时，对照组的COD去除率为29.1％，试验1试验组的COD去除率为80.5％；采用木薯淀粉废水为原料时，对照组的COD去除率为21.8％，试验2试验组的COD去除率为71.3％。
从试验1和试验2结果计算可知，试验组中产能提高超过95％，污水处理效率提高超过170％。剩余污泥中常存在耗氢菌，能消耗掉由产氢菌生产的氢气，导致氢气产量下降。但耗氢菌对高温比较敏感，经热处理后活性会受到抑制，由于产氢菌可以形成能够抵御恶劣环境的芽孢，故在热处理后可以存活并保持活性，因此本试验对剩余污泥进行热处理，可以有效的抑制接种物中的耗氢菌，达到提高发酵产氢效能的目的。本试验的原料为废水或废弃物，有利于降低产能的成本，避免了常规废物处理技术的支出。在暗发酵制氢中，原料被转变成氢气和挥发性有机酸，微藻可以利用这些有机酸生长并合成油脂，产氢细菌与微藻混合培养可以充分利用底物，减少了废水或废弃物对环境的污染。同时产生了清洁能源——氢气和油脂，与单纯的暗发酵制氢相比，混合培养可以显著提高生物产能效率和废水处理效率，本方法具有良好的经济和环境效益。
Claims (10)
1.一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：一、取淀粉废水，调节pH，然后置于密闭反应器中；二、对产氢接种物进行预处理，得到混合物A；三、将混合物A与微藻混合，然后按占淀粉废水总体积的5～10％的接种量，接种到密闭反应器内的淀粉废水中，再将反应器置于摇床中，振荡培养，即完成。
2.根据权利要求1所述的一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，其特征在于步骤一中所述的淀粉废水为甘薯淀粉废水、木薯淀粉废水、绿豆淀粉废水、马铃薯淀粉废水、麦类淀粉废水、菱角淀粉废水、藕淀粉废水和玉米淀粉废水中的一种或几种按任意比组成的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，其特征在于步骤一所述的调节pH是通过浓度为1mol/L的HCl溶液或浓度为1mol/L的NaOH溶液进行调节的。
4.根据权利要求1所述的一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，其特征在于步骤一中所述的调节pH是指调节淀粉废水pH至4～11。
5.根据权利要求1所述的一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，其特征在于步骤二中所述的产氢接种物为剩余污泥、消化污泥、厌氧颗粒污泥和下水道污泥中一种或几种按任意比组成的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，其特征在于步骤二中所述的预处理方法为热处理，具体方法为在100℃条件下处理1h。
7.根据权利要求1所述的一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，其特征在于步骤二中所述的预处理方法为酸处理、碱处理、过氧化氢处理、超声波处理、微波处理、甲烷抑制剂处理、氯仿处理、二溴乙烷磺酸钠处理、辐照处理、曝气处理和冲击负荷处理中一种或几种方法的组合。
8.根据权利要求1所述的一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，其特征在于步骤三中所述的微藻为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻中的一种或几种按任意比组成的混合物。
9.根据权利要求1所述的一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，其特征在于步骤三中所述的微藻与混合物A按体积比为(1～1000):1的比例混合。
10.根据权利要求1所述的一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，其特征在于步骤三中所述的培养条件为温度20～40℃，光照强度1000～12000lux，隔绝空气培养，摇床转速50～200rpm，培养时间48～240h。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150722 |