CN107460128B - 一种利用沼液养殖微藻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用沼液养殖微藻的方法，将微藻接种在人工培养基中，待微藻的比生长速率开始下降时进行采收，然后分批次添加沼液，待微藻的生长速率降至首次添加沼液前生长速率的60～70％，进行采收；再次分批次添加沼液，待微藻的生长速率降至首次添加沼液前生长速率的50～60％，进行采收；第三次分批次添加沼液，待微藻的生长速率降至首次添加沼液前生长速率的50％以下，进行采收后结束养殖。本发明提出了一种合理的利用沼液实现养殖微藻的详细操作方法，提高微藻的产量，降低微藻养殖成本，最大程度地提高微藻养殖与其它工艺结合的增益效果。

Description

一种利用沼液养殖微藻的方法

技术领域

本发明涉及微藻养殖领域和废水处理领域，具体涉及一种利用沼液养殖微藻的方法。

背景技术

国内生猪消费量约占世界总消费量的20％，庞大的生猪养殖市场产生了大量的养猪沼液。养猪沼液属于高浓度有机废水，具有“高COD、高SS、高氮磷”的特性，如不经过处理将会严重污染周围水体环境。另一方面，畜禽养殖废水厌氧发酵产生的沼液，除含有丰富的氮、磷、钾等大量营养元素和钙、铜、铁、锌、锰等中微量营养元素外，还含有丰富的氨基酸、B族维生素、各种水解酶、某些植物激素以及对病虫害有抑制作用的物质或因子，是一种珍贵的可再生资源，对其资源化利用具有重要意义。

微藻在生长过程中需要消耗大量的氮磷等无机物营养盐，而同时养猪沼液中含有大量的营养盐无法被去除。螺旋藻作为微藻中的佼佼者，因其经济价值高、抗逆性强、易采收等特点被科学家们作为了废水培养实验的重点。已有文献表明利用沼液培养螺旋藻，是利用太阳能将沼液中的无机物转化为有机物的过程，不仅使污水变废为宝，在产生环境效益的同时产生了一定的经济效益。因此，利用沼液养殖微藻具有广阔的市场前景和实际意义。

如李玉宝等(利用沼气废液培养螺旋藻，李玉宝，郑江，黎中宝，陆斌等，安徽农业科学，2011，39(22):13668-13670)通过向沼液中添加一定浓度的Zarrouk培养液，获得了螺旋藻在沼液中的培养技术，并研究了螺旋藻对沼液的净化效果。又如，公开号为CN103819053 A的中国专利文献中公开了一种利用鸟粪石沉淀耦合微藻培养进行沼液和沼气净化的方法；公开号为CN 102392052 A的中国专利文献中公开了一种利用沼液培养自养型淡水微藻提纯沼气的方法。

可知，目前将沼液用于微藻培养的重点多是放在如何实现沼液的净化及沼液的资源化利用上。并未涉及到怎样利用废水养殖微藻的具体详细方案。但是废水尤其沼液是一种成分复杂的废水，即使经过预处理也仍有很多残留物抑制微藻的生长，也不能实现微藻养殖最大的增益效果。

发明内容

本发明提出了一种合理的利用沼液实现养殖微藻的详细操作方法，提高微藻的产量，降低微藻养殖成本，最大程度地提高微藻养殖与其它工艺结合的增益效果。

具体技术方案如下：

一种利用沼液养殖微藻的方法，步骤如下：

(1)将微藻接种在人工培养基中，待微藻的比生长速率开始下降时进行采收，然后分批次添加沼液，待微藻的生长速率降至首次添加沼液前生长速率的60～70％，进行采收；

(2)分批次添加沼液，待微藻的生长速率降至首次添加沼液前生长速率的50～60％，进行采收；

(3)分批次添加沼液，待微藻的生长速率降至首次添加沼液前生长速率的50％以下，进行采收后结束养殖。

本发明根据微藻的生长情况，将微藻培养分为初期微藻的驯化阶段、中期微藻高产阶段和后期微藻养殖结束阶段。在每个阶段将预处理后的沼液进行分批次加入，并精确控制沼液的加入时机以及每阶段、每批次沼液的加入量，最大程度地提高微藻养殖与其它工艺结合的增益效果。

步骤(1)中的比生长速率μ是指：每小时单位质量的菌体所增加的菌体量，公式如下：

lnN_t-lnN₀＝μt

式中，μ-比生长速率，单位h^-1；t-时间，单位h；N₀-开始时微生物细胞量，N_t-开始培养t时间后生物细胞量。

步骤(1)～(3)中的生长速率为绝对生长速率，是指利用人工培养基培养微藻时的平均生长速率。

初期微藻的驯化阶段还分为纯培养阶段和沼液培养阶段。其中，纯培养阶段即为仅以人工培养基培养微藻，未加入沼液进行培养的阶段。沼液培养阶段以首次加入沼液为开始，结束的标志即为微藻的生长速率降至首次添加沼液前的60～70％。

初期微藻的驯化阶段结束后即进入中期微藻高产阶段，中期微藻高产阶段结束的标志即为微藻的生长速率降至首次添加沼液前的50～60％。

中期微藻高产阶段结束后即进入后期微藻养殖结束阶段，该阶段结束的标志即为微藻的生长速率降至首次添加沼液前的50％以下。

作为优选，所述的人工培养基成分如下：

NaCl 1g/L，CaCl₂ 0.041g/L，NaNO₃ 2.51g/L，FeSO₄·7H₂O 0.011g/L，EDTA-Na0.081g/L，K₂SO4 1.01g/L，NaHCO₃ 16.81g/L，K₂HPO₄ 0.51g/L，MgSO₄·7H₂O 0.251g/L。

因沼液的成分复杂，其中含有抑制微藻生长的的杂质，因此需进行生物预处理。所述的生物预处理包括好氧生物反应，如利用MBR反应器进行预处理。

作为优选，经生物预处理后的沼液出水水质中氨氮小于200mg/L，COD小于500mg/L，以防止沼液抑制微藻的生长。

作为优选，所述的微藻选自小球藻或螺旋藻。

作为优选，步骤(1)～(3)中，所述的沼液独立地分为1～4批次加入，相邻两批次加入的时机，均以微藻的比生长速率开始降低作为时间节点，每批次加入的沼液量为培养装置有效容积的10～50％。

氨氮在溶液中的形式与pH和温度相关，温度越高和pH超过9.25时，其主要是以游离氨的形式存在，而游离氨对光合生物是有毒的，加入的沼液量与养殖池中氨氮的浓度正相关，作为优选：

步骤(1)中，加入的总沼液量需保证养殖池中氨氮的浓度不超过20mg/L；

步骤(2)中，加入的总沼液量需保证养殖池中氨氮的浓度不超过40mg/L；

步骤(3)中，加入的总沼液量需保证养殖池中氨氮的浓度不超过60mg/L。

作为优选，步骤(1)中，每批次加入的沼液量相同；

步骤(2)中，每批次加入的沼液量相同；

步骤(3)中，每批次加入的沼液量相同。

进一步优选，步骤(2)中，每批次加入的沼液量为步骤(1)中每批次加入沼液量的1～4倍；

步骤(3)中，每批次加入的沼液量为步骤(1)中每批次加入沼液量的1～4倍。

作为优选，步骤(1)～(3)中，每次添加沼液前先进行采收，再进行排水，每次排水量与水分蒸发量之和等于每次沼液添加量。

微藻养殖中，在每次采收后，取养殖池中水样以检测水质情况，并根据情况及时补充营养盐。

根据实验数据可知，当培养的微藻选自小球藻，最优选：

步骤(1)中，初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为培养装置有效容积的20％；

步骤(2)中，中期微藻高产阶段，分三次补充沼液，每批次加入的沼液量为培养装置有效容积的40％；

步骤(3)中，后期微藻养殖结束阶段，分两次补充沼液，每批次加入的沼液量为培养装置有效容积的30％。

当培养的微藻选自螺旋藻，最优选：

步骤(1)中，初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为养殖池内总水量的10％；

步骤(2)中，中期微藻高产阶段，分四次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的30％；

步骤(3)中，后期微藻养殖结束阶段，分三次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的40％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本方法中批次添加沼液有利于微藻养殖池的水质稳定，降低了因沼液的水质波动造成的微藻生长的大幅降低和质量下降的风险。使目标藻种始终为养殖池中的优势群体，减少了被污染的风险。同时延长了微藻连续培养时间，提高了微藻产量和废水的利用效率，大幅降低了生产成本。

(2)本方法中阶段培养在同一养殖池实现了藻种驯化和藻种生产，减少了硬件设施的配备，更节约了宝贵的时间成本。

(3)本方法中阶段式的沼液添加方法和排水方法，既保证了养殖池中微藻营养充足，同时也能及时排除抑制物，提高微藻的生长速度。

附图说明

图1～6分别为对比例1～2和实施例1～4中小球藻的生长曲线；

图7～12分别为对比例4和实施例5～9中螺旋藻的生长曲线。

具体实施方式

实施例1～4和对比例1～2中的沼气来源、人工培养基的组分及培养条件如下：

沼液来源：某畜禽养殖场，养殖规模为存栏3000头生猪，猪粪与沼液干湿分离，猪粪经堆肥发酵处理制备成有机肥，沼液进入沼气池厌氧消化、好氧生物法处理后排出。沼液出水水质：COD 257mg/L、氨氮86mg/L、总氮429mg/L、总磷16.7mg/L。以下实施例中，如无特殊说明，沼液均指经过生物预处理后的沼液。

人工培养基：培养基为改良的BG11培养基，成分如下：NaNO₃ 0.5g/L，K₂HPO₄·3H₂O0.1g/L，CaCl₂·2H₂O 0.0025g/L，MgSO₄·7H₂O 0.075g/L；柠檬酸0.006g/L，柠檬酸铁0.006g/L，Na₂CO₃ 0.02g/L，微量元素母液1mL/L。微量元素母液配方(g/L):H₃BO₄ 2.86g/L，MnCl₂﹒4H₂O 1.81g/L，ZnSO₄ 0.222g/L，Na₂MoO₄ 0.39g/L，CuSO₄﹒5H₂O0.079g/L，Co(NO₃)₂﹒6H₂O 49.4g/L。

培养条件：长*宽*高分别为50cm*20cm*40cm平板式光反应器，有效容积25L。室外培养，温度22-35℃，白天连续通入空气12h，通气量1.5L/min。补充碳酸钠调节pH至7-9。

对比例1：

沼液中添加2g/L的碳酸钠调节pH。利用100％沼液培养小球藻，平均产量为0.027g/L/d，小球藻的生长曲线如图1。

对比例2

初始培养基为人工培养基90％和沼液10％，平均产量为0.17g/L/d。第9天、第15天、第20天分别补充2.5L沼液，平均产量为0.19g/L/d。第26天补充2.5L沼液，平均产量为0.05/L/d。小球藻的生长曲线如图2。

实施例1

初始培养基为人工培养基。第6天补充2.5L沼液，不排水，平均产量为0.17g/L/d，即初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为培养装置有效容积的10％。第11天、第16天、第21天分别补充5L沼液，同时排水2.5L，平均产量为0.19g/L/d，即中期微藻高产阶段，分三次补充沼液，每批次加入的沼液量为培养装置有效容积的20％。第25天补充10L沼液，同时排水10L，平均产量为0.17g/L/d，即后期微藻养殖结束阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为培养装置有效容积的40％。小球藻的生长曲线如图3。

实施例2

初始培养基为人工培养基。第6天补充5L沼液，排水2.5L，平均产量为0.4g/L/d，即初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为培养装置有效容积的20％。第10天、第19天、第24天分别补充10L沼液，同时排水7.5L，平均产量为0.31g/L/d，即中期微藻高产阶段，分三次补充沼液，每批次加入的沼液量为培养装置有效容积的40％。第27天补充15L沼液，同时排水15L，平均产量为0.07g/L/d，即后期微藻养殖结束阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为培养装置有效容积的60％。小球藻的生长曲线如图4。

实施例3

初始培养基为人工培养基。第6天补充7.5L沼液，排水5L，平均产量为0.28g/L/d，即初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为培养装置有效容积的30％。第13天、第20天分别补充15L沼液，同时排水12.5L，平均产量为0.21g/L/d，即中期微藻高产阶段，分两次补充沼液，每批次加入的沼液量为培养装置有效容积的60％。第20天、第25天分别补充7.5L沼液，同时排水7.5L，平均产量为0.22g/L/d，即后期微藻养殖结束阶段，分两次补充沼液，每批次加入的沼液量为培养装置有效容积的30％。小球藻的生长曲线如图5。

实施例4

初始培养基为人工培养基。第6天补充5L沼液，排水2.5L，平均产量为0.4g/L/d，即初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为培养装置有效容积的20％。第10天、第19天、第24天分别补充10L沼液，同时排水7.5L，平均产量为0.31g/L/d，即中期微藻高产阶段，分三次补充沼液，每批次加入的沼液量为培养装置有效容积的40％。第20天、第25天分别补充7.5L沼液，同时排水7.5L，平均产量为0.22g/L/d，即后期微藻养殖结束阶段，分两次补充沼液，每批次加入的沼液量为培养装置有效容积的30％。小球藻的生长曲线如图6。

实施例5～9和对比例3～4中的沼气来源、人工培养基的组分及培养条件如下：

沼液来源：某畜禽养殖场，养殖规模为存栏3000头生猪，猪粪与沼液干湿分离，猪粪经堆肥发酵处理制备成有机肥，沼液进入沼气池厌氧消化、好氧生物法处理后排出。沼液出水水质：COD 250-450mg/L、氨氮100-200mg/L、总氮400-800mg/L、总磷20-40mg/L。

人工培养基为改良的Zarrouk培养基，成分如下：NaCl 1g/L，NaNO₃ 1g/L，FeSO₄·7H₂O 0.08g/L，EDTA-Na 0.01g/L，K₂SO4 1g/L，NaHCO₃ 10g/L，K₂HPO₄ 0.1g/L。

养殖池：40平米(长10米，宽4米)椭圆形室外跑道池，采用6片叶轮搅拌桨搅拌白天连续搅拌12h，平均水深10cm，水量4吨。水温在25-38℃。定期补充小苏打作为碳源。

对比例3

沼液添加小苏打10g/L后直接用于螺旋藻的培养，螺旋藻生长缓慢，第3天全部变黄死亡。

对比例4

培养基为90％的人工培养基和10％的沼液，第23天补充沼液0.8吨，第15天发现有大量红虫污染，及时添加杀虫剂后得到控制，平均产量约为2g/m²/d。生长曲线如图7。

实施例5

初始培养基为人工培养基，第7天添加沼液0.4吨，不排水，平均产量约为14.2g/m²/d，即初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为养殖池内总水量(即养殖池有效容积)的10％。第13天、第20天、第24天均添加沼液0.8吨，同时排水0.4吨/次，平均产量约为11.7g/m²/d，即中期微藻高产阶段，分三次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的20％。第33天、第40天，均添加沼液1.2吨，同时排水1.2吨/次，平均产量约为10g/m²/d，即后期微藻养殖结束阶段，分两次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的30％；第7天、第12天、第19天、第23天、第32天、第39天分别采收1次；第44天结束培养。生长曲线如图8。

实施例6

初始培养基为人工培养基，第7天添加沼液0.8吨，排水0.4吨，平均产量约为12.3g/m²/d，即初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为养殖池内总水量的20％；第12天、第19天分别添加沼液1.6吨，排水1.2吨/次，平均产量约为7.9g/m²/d，即中期微藻高产阶段，分两次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的40％；第33天、第40天分别添加沼液3.2吨，排水2.8吨/次，平均产量约为4.1g/m²/d，即后期微藻养殖结束阶段，分两次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的80％。第10天、第18天、第31天、第39天分别进行了采收。生长曲线如图9。

实施例7

初始培养基为人工培养基，第6天添加沼液0.4吨，不排水，平均产量约为15g/m²/d，即初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为养殖池内总水量的10％；第11天添加沼液1.6吨，排水1.2吨，平均产量约为7.5g/m²/d，即中期微藻高产阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为养殖池内总水量的40％；第19天、第31天分别添加沼液2.4吨，排水2吨，平均产量约为5.5g/m²/d，即后期微藻养殖结束阶段，分两次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的60％。第5天、第10天、第18天、第30天分别进行了采收。生长曲线如图10。

实施例8

初始培养基为人工培养基，第6天添加沼液0.4吨，不排水，平均产量约为13.6g/m²/d，即初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为养殖池内总水量的10％。第12天、第17天、第21天分别添加沼液0.4吨，不排水，平均产量约为8.1g/m²/d，即中期微藻高产阶段，分三次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的10％。第28天、第33天、第39天分别添加沼液0.4吨，不排水，平均产量约为5g/m²/d，即后期微藻养殖结束阶段，分三次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的10％。第5天、第11天、第16天、第20天、第27天、第32天、第38天分别进行了采收。平均产量为9.5g/m²/d。生长曲线如图11。

实施例9

初始培养基为人工培养基，第4天添加沼液0.4吨，不排水，平均产量约为16g/m²/d，即初期微藻的驯化阶段，补充一次沼液，加入的沼液量为养殖池内总水量的10％。第11天、第16天、第21天、第26天均添加沼液1.2吨，同时排水0.8吨/次，平均产量约为11.9g/m²/d，即中期微藻高产阶段，分四次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的30％。第33天、第39天、第44天均添加沼液1.6吨，每次均排水1.6吨，平均产量约10g/m²/d，即后期微藻养殖结束阶段，分三次补充沼液，每批次加入的沼液量为养殖池内总水量的40％；第4天、第10天、第15天、第20天、第25天、第32天、第38天、第43天分别采收1次；第49天结束培养。生长曲线如图12。

Claims (6)

1.一种利用沼液养殖微藻的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将微藻接种在人工培养基中，待微藻的比生长速率开始下降时进行采收，然后分批次添加沼液，待微藻的生长速率降至首次添加沼液前生长速率的60～70％，进行采收；

(2)分批次添加沼液，待微藻的生长速率降至首次添加沼液前生长速率的50～60％，进行采收；

(3)分批次添加沼液，待微藻的生长速率降至首次添加沼液前生长速率的50％以下，进行采收后结束养殖；

步骤(1)～(3)中，所述的沼液独立地分为1～4批次加入，相邻两批次加入的时机，均以微藻的比生长速率开始降低作为时间节点，每批次加入的沼液量为培养装置有效容积的10～50％；

步骤(1)～(3)中，每次添加沼液前先进行采收，再进行排水，每次排水量与水分蒸发量之和等于每次沼液添加量。

2.根据权利要求1所述的利用沼液养殖微藻的方法，其特征在于，所述的沼液需经过生物预处理，其出水水质中氨氮小于200mg/L，COD小于500mg/L。

3.根据权利要求1所述的利用沼液养殖微藻的方法，其特征在于，所述的微藻选自小球藻或螺旋藻。

4.根据权利要求1所述的利用沼液养殖微藻的方法，其特征在于，步骤(1)中，加入的总沼液量需保证养殖池中氨氮的浓度不超过20mg/L；

步骤(2)中，加入的总沼液量需保证养殖池中氨氮的浓度不超过40mg/L；

步骤(3)中，加入的总沼液量需保证养殖池中氨氮的浓度不超过60mg/L。

5.根据权利要求4所述的利用沼液养殖微藻的方法，其特征在于，步骤(1)中，每批次加入的沼液量相同；

步骤(2)中，每批次加入的沼液量相同；

步骤(3)中，每批次加入的沼液量相同。

6.根据权利要求5所述的利用沼液养殖微藻的方法，其特征在于，步骤(2)中，每批次加入的沼液量为步骤(1)中每批次加入沼液量的1～4倍；

步骤(3)中，每批次加入的沼液量为步骤(1)中每批次加入沼液量的1～4倍。

Images