CN107629961A - 一种利用养殖废水培养微藻的方法 - Google Patents

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陆伟东
李少环
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Abstract

本发明涉及一种利用养殖废水培养微藻的方法，其包括以下步骤：1)微藻驯化：将微藻接种到培养基中进行培养，在培养过程中加入未经灭菌处理的养殖废水，并根据微藻的增长数量逐步提高养殖废水的添加比例；2)微藻活化：在培养基中加入未经灭菌处理的养殖废水，然后将驯化后的微藻接种于该培养基中进行扩大培养；3)微藻培养：将活化后的微藻接种到未经灭菌处理的养殖废水溶液中，在户外条件下进行培养，实现养殖废水净化和微藻油脂生产。本发明所述的利用养殖废水培养微藻的方法，采用未经灭菌处理的养殖废水在户外条件下培养微藻，能够同时实现养殖废水净化和微藻油脂生产，具有成本低廉、能够大规模生产的优点。

Description

一种利用养殖废水培养微藻的方法
技术领域
本发明涉及一种微藻培养方法，特别是涉及一种利用养殖废水培养微藻的方法。
背景技术
养殖废水中富含氮、磷等营养元素，其大量排放会造成水体富营养化，藻类与浮游生物疯狂繁殖，引起水体容氧量下降，导致鱼类及其他生物大量死亡，从而破坏水体的生态平衡。近年来，奶牛场等养殖场实行集中大量排放废水，造成了许多水体的生态危机，其废水处理方法亟待改善。
小球藻具有光合作用效率高、生长速率快、环境适应能力强和油脂产率高等优势，成为最具潜力的生物柴油原料。通常采用化肥作为培养基进行小球藻生物质生产以获得小球藻油脂，导致小球藻油脂在成本上没有竞争力。采用奶牛场废水为培养基生产小球藻油脂，能够同时实现奶牛场废水净化和小球藻油脂生产的双重目的。
现有技术一般采用已作灭菌处理的奶牛场废水，在室内条件下培养小球藻，以避免废水或环境中的微生物对微藻造成侵害。然而，对奶牛场废水进行灭菌和消毒操作处理，成本太高；另一方面，小球藻的生长繁殖需要光照，室内培养需要用电并提供光源，即占用了室内空间，又增大了生产成本。可见，利用现有技术净化养殖废水和微藻油脂生产，不具有经济效益。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种利用养殖废水培养微藻的方法，其采用未经灭菌处理的养殖废水在户外条件下培养微藻，能够同时实现养殖废水净化和微藻油脂生产，具有成本低廉、能够大规模生产的优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用养殖废水培养微藻的方法，包括以下步骤：
1)微藻驯化：将微藻接种到培养基中进行培养，在培养过程中加入未经灭菌处理的养殖废水，并根据微藻的增长数量逐步提高养殖废水的添加比例；
2)微藻活化：在培养基中加入未经灭菌处理的养殖废水，然后将驯化后的微藻接种于该培养基中进行扩大培养；
3)微藻培养：将活化后的微藻接种到未经灭菌处理的养殖废水溶液中，在户外条件下进行培养，实现养殖废水净化和微藻油脂生产。
本发明通过对微藻进行驯化，在培养基中加入未经灭菌处理的养殖废水，并根据微藻的增长数量逐步提高养殖废水的添加比例，可使微藻逐渐适应在未经灭菌处理的养殖废水中生长，从而确保微藻在未经灭菌处理的养殖废水中仍然能够正常生长，抵御养殖废水中的微生物侵害，并能够正常生产油脂。
本发明采用户外太阳光照为微藻生长提供能源，采用未经灭菌处理的养殖废水为微藻生长提供氮、磷等营养物质，并通过微藻驯化保障了养殖废水中的微生物对微藻无法进行侵害，因此能够省去灭菌或消毒处理等高耗能的步骤，降低了养殖废水脱氮除磷的成本和油脂的生产成本，具有可观的环境效益和经济效益。
进一步地，所述的养殖废水为奶牛场废水；其氨氮浓度为172.31～190.69mg/L，总氮(TN)浓度为270.27～295.73mg/L，总氮(TP)浓度为108.40～123.40mg/L，化学耗氧量(COD)为2577.44～2608.56mg/L。
进一步地，所述养殖废水的pH值为8.15～8.18。通过将pH值控制在8.15～8.18，能够在确保微藻正常生长的情况下，有效抑制养殖废水中的细菌生长，避免细菌干扰微藻生长。
进一步地，所述的微藻为小球藻。小球藻为淡水藻类，适合在养殖废水中培养；且小球藻能够进行混合营养生长，既可以通过光合作用利用养殖废水中的氮、磷等元素实现光能自养，又可以直接利用养殖废水中的有机物质进行异养，这样既能除去养殖废水中无机物里的氮、磷，又能除去有机物中的氮、磷，能够更全面地实现养殖废水的脱氮除磷；此外，小球藻细胞中的油脂含量高，且生长繁殖速度快，20小时的细胞增长量可达4倍，能够极大地提高油脂产量。
进一步地，步骤1)中，所述的培养基为BG-11培养基；所述微藻在培养基中的接种浓度为0.08～0.10g/L；所述微藻驯化的培养温度为23～28℃，光照强度为400～1000um·m2·S-1，光照时间为11～12小时/天，培养时间为14～16天。
进一步地，步骤1)中，当微藻的浓度达到1.0～1.5g/L时，开始向培养基中加入未经灭菌处理的养殖废水，并每两天将5％的培养基用等体积的养殖废水进行置换，直至养殖废水在培养基中的体积浓度为5％～25％。通过在培养基中逐步提高养殖废水的添加比例，能够保障微藻在接种到养殖废水后，能够正常生长。
进一步地，步骤2)中，所述的培养基为BG-11培养基；所述微藻在培养基中的接种浓度为0.15～0.20g/L；所述微藻活化的培养温度为23～28℃，光照强度为400～1000um·m2·S-1，光照时间为11～12小时/天，培养时间为8～12天。通过8～12天的活化培养，能够确保微藻的细胞数量和细胞活性达到废水净化和油脂生产的接种浓度要求。
进一步地，步骤2)中，所述养殖废水在培养基中的体积浓度为5％～25％。
进一步地，步骤3)中，所述的养殖废水溶液为含有所述养殖废水的水溶液，所述养殖废水在该水溶液中的体积浓度为5％～25％。通过将养殖废水的体积浓度控制在5％～25％，能够确保培养结束时，养殖废水中的氮、磷被有效去除，同时亦能够确保养殖废水中有足够的营养物质，满足微藻的生长需求。
进一步地，步骤3)中，所述微藻在所述养殖废水溶液中的接种密度为0.17～0.34g/L。该接种密度能够确保培养结束时，经过数代繁殖的微藻，既能完成养殖废水的脱氮、除磷净化任务，又能使大量的微藻细胞保持良好的活性，避免微藻细胞进入衰亡阶段，而降解自身的油脂，导致油脂产量降低。
进一步地，步骤3)中，所述微藻的培养时间为6～10天，优选为8天。通过将培养时间控制在6～10天，一方面能够确保养殖废水中的氮、磷被有效去除，同时亦确保微藻的油脂产量达到最大化。
具体实施方式
实施例1
取奶牛场废水，经过隔夜沉淀，然后通过纱布过滤，取上清液备用。其水质指标如下：pH值为8.18，总氮(TN)浓度为295.73mg/L，总磷(TP)浓度为123.40mg/L，化学耗氧量(COD)为2608.56mg/L，悬浮物(SS)为1.74。
取小球藻藻种，以0.10g/L的浓度接种到BG-11培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，驯化培养15天，在培养过程中，当小球藻的浓度达到1.5g/L时，开始向培养基中加入未经灭菌处理的奶牛场废水，并每两天将5％的培养基用等体积的养殖废水进行置换，直至养殖废水在培养基中的体积浓度为25％。驯化培养结束后，另取BG-11培养基，加入终体积浓度为25％的未经灭菌处理的奶牛场废水，然后将驯化后的小球藻以0.20g/L的浓度接种到该培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，扩大培养12天。扩大培养结束后，将终体积浓度为25％的奶牛场废水溶液加入柱式光生物反应器中，将扩大培养得到的小球藻以0.34g/L的浓度接种到该奶牛场废水溶液中，通入空气为小球藻提供无机碳源并使小球藻处于悬浮状态，然后将该柱式光生物反应器置于户外，在户外光照条件下培养8天，并每天监测小球藻的生物量变化以及奶牛场废水的水质指标。
经8天培养后，奶牛场废水的总氮(TN)去除率为83.83±1.19％，总磷(TP)去除率为100.00±0.00％，化学耗氧量(COD)去除率64.82±0.91％；小球藻生物质得油脂产率为12.60±0.93mg·L-1·day-1(以脂肪酸甲酯计算)。
实施例2
取奶牛场废水，经过隔夜沉淀，然后通过纱布过滤，取上清液备用。其水质指标如下：pH值为8.18，总氮(TN)浓度为295.73mg/L，总磷(TP)浓度为123.40mg/L，化学耗氧量(COD)为2608.56mg/L，悬浮物(SS)为1.74。
取小球藻藻种，以0.08g/L的浓度接种到BG-11培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，驯化培养15天，在培养过程中，当小球藻的浓度达到1.0g/L时，开始向培养基中加入未经灭菌处理的奶牛场废水，并每两天将5％的培养基用等体积的养殖废水进行置换，直至养殖废水在培养基中的体积浓度为5％。驯化培养结束后，另取BG-11培养基，加入终体积浓度为5％的未经灭菌处理的奶牛场废水，然后将驯化后的小球藻以0.15g/L的浓度接种到该培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，扩大培养12天。扩大培养结束后，将终体积浓度为5％的奶牛场废水溶液加入柱式光生物反应器中，将扩大培养得到的小球藻以0.34g/L的浓度接种到该奶牛场废水溶液中，通入空气为小球藻提供无机碳源并使小球藻处于悬浮状态，然后将该柱式光生物反应器置于户外，在户外光照条件下培养8天，并每天监测小球藻的生物量变化以及奶牛场废水的水质指标。
经8天培养后，奶牛场废水的总氮(TN)去除率为85.12±3.37％，总磷(TP)去除率为100.00±0.00％，化学耗氧量(COD)去除率85.32±0.78％；小球藻生物质得油脂产率为4.20±0.15mg·L-1·day-1(以脂肪酸甲酯计算)。
实施例3
取奶牛场废水，经过隔夜沉淀，然后通过纱布过滤，取上清液备用。其水质指标如下：pH值为8.18，总氮(TN)浓度为283.00mg/L，总磷(TP)浓度为115.90mg/L，化学耗氧量(COD)为2593.00mg/L，悬浮物(SS)为1.74。
取小球藻藻种，以0.09g/L的浓度接种到BG-11培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，驯化培养15天，在培养过程中，当小球藻的浓度达到1.2g/L时，开始向培养基中加入未经灭菌处理的奶牛场废水，并每两天将5％的培养基用等体积的养殖废水进行置换，直至养殖废水在培养基中的体积浓度为10％。驯化培养结束后，另取BG-11培养基，加入终体积浓度为10％的未经灭菌处理的奶牛场废水，然后将驯化后的小球藻以0.18g/L的浓度接种到该培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，扩大培养10天。扩大培养结束后，将终体积浓度为10％的奶牛场废水溶液加入柱式光生物反应器中，将扩大培养得到的小球藻以0.26g/L的浓度接种到该奶牛场废水溶液中，通入空气为小球藻提供无机碳源并使小球藻处于悬浮状态，然后将该柱式光生物反应器置于户外，在户外光照条件下培养8天，并每天监测小球藻的生物量变化以及奶牛场废水的水质指标。
经8天培养后，奶牛场废水的总氮(TN)去除率为77.37±1.09％，总磷(TP)去除率为100.00±0.00％，化学耗氧量(COD)去除率70.76±0.80％；小球藻生物质得油脂产率为7.78±0.53mg·L-1·day-1(以脂肪酸甲酯计算)。
实施例4
取奶牛场废水，经过隔夜沉淀，然后通过纱布过滤，取上清液备用。其水质指标如下：pH值为8.18，总氮(TN)浓度为283.00mg/L，总磷(TP)浓度为115.90mg/L，化学耗氧量(COD)为2593.00mg/L，悬浮物(SS)为1.74。
取小球藻藻种，以0.10g/L的浓度接种到BG-11培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，驯化培养15天，在培养过程中，当小球藻的浓度达到1.5g/L时，开始向培养基中加入未经灭菌处理的奶牛场废水，并每两天将5％的培养基用等体积的养殖废水进行置换，直至养殖废水在培养基中的体积浓度为25％。驯化培养结束后，另取BG-11培养基，加入终体积浓度为25％的未经灭菌处理的奶牛场废水，然后将驯化后的小球藻以0.20g/L的浓度接种到该培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，扩大培养10天。扩大培养结束后，将终体积浓度为25％的奶牛场废水溶液加入柱式光生物反应器中，将扩大培养得到的小球藻以0.26g/L的浓度接种到该奶牛场废水溶液中，通入空气为小球藻提供无机碳源并使小球藻处于悬浮状态，然后将该柱式光生物反应器置于户外，在户外光照条件下培养8天，并每天监测小球藻的生物量变化以及奶牛场废水的水质指标。
经8天培养后，奶牛场废水的总氮(TN)去除率为73.38±3.25％，总磷(TP)去除率为100.00±0.00％，化学耗氧量(COD)去除率60.32±1.60％；小球藻生物质得油脂产率为11.35±0.98mg·L-1·day-1(以脂肪酸甲酯计算)。
实施例5
取奶牛场废水，经过隔夜沉淀，然后通过纱布过滤，取上清液备用。其水质指标如下：pH值为8.15，总氮(TN)浓度为270.27mg/L，总磷(TP)浓度为108.40mg/L，化学耗氧量(COD)为2577.44mg/L，悬浮物(SS)为1.74。
取小球藻藻种，以0.08g/L的浓度接种到BG-11培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，驯化培养15天，在培养过程中，当小球藻的浓度达到1.0g/L时，开始向培养基中加入未经灭菌处理的奶牛场废水，并每两天将5％的培养基用等体积的养殖废水进行置换，直至养殖废水在培养基中的体积浓度为5％。驯化培养结束后，另取BG-11培养基，加入终体积浓度为5％的未经灭菌处理的奶牛场废水，然后将驯化后的小球藻以0.15g/L的浓度接种到该培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，扩大培养8天。扩大培养结束后，将终体积浓度为5％的奶牛场废水溶液加入柱式光生物反应器中，将扩大培养得到的小球藻以0.17g/L的浓度接种到该奶牛场废水溶液中，通入空气为小球藻提供无机碳源并使小球藻处于悬浮状态，然后将该柱式光生物反应器置于户外，在户外光照条件下培养8天，并每天监测小球藻的生物量变化以及奶牛场废水的水质指标。
经8天培养后，奶牛场废水的总氮(TN)去除率为79.29±3.09％，总磷(TP)去除率为100.00±0.00％，化学耗氧量(COD)去除率81.21±0.60％；小球藻生物质得油脂产率为4.40±0.20mg·L-1·day-1(以脂肪酸甲酯计算)。
实施例6
取奶牛场废水，经过隔夜沉淀，然后通过纱布过滤，取上清液备用。其水质指标如下：pH值为8.15，总氮(TN)浓度为270.27mg/L，总磷(TP)浓度为108.40mg/L，化学耗氧量(COD)为2577.44mg/L，悬浮物(SS)为1.74。
取小球藻藻种，以0.09g/L的浓度接种到BG-11培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，驯化培养15天，在培养过程中，当小球藻的浓度达到1.2g/L时，开始向培养基中加入未经灭菌处理的奶牛场废水，并每两天将5％的培养基用等体积的养殖废水进行置换，直至养殖废水在培养基中的体积浓度为10％。驯化培养结束后，另取BG-11培养基，加入终体积浓度为10％的未经灭菌处理的奶牛场废水，然后将驯化后的小球藻以0.18g/L的浓度接种到该培养基中，在环境温度为25℃，光照强度为800um·m2·S-1，光照时间为12小时/天的条件下，扩大培养8天。扩大培养结束后，将终体积浓度为10％的奶牛场废水溶液加入柱式光生物反应器中，将扩大培养得到的小球藻以0.17g/L的浓度接种到该奶牛场废水溶液中，通入空气为小球藻提供无机碳源并使小球藻处于悬浮状态，然后将该柱式光生物反应器置于户外，在户外光照条件下培养8天，并每天监测小球藻的生物量变化以及奶牛场废水的水质指标。
经8天培养后，奶牛场废水的总氮(TN)去除率为77.37±1.09％，总磷(TP)去除率为100.00±0.00％，化学耗氧量(COD)去除率68.83±0.90％；小球藻生物质得油脂产率为7.78±0.53mg·L-1·day-1(以脂肪酸甲酯计算)。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用养殖废水培养微藻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)微藻驯化：将微藻接种到培养基中进行培养，在培养过程中加入未经灭菌处理的养殖废水，并根据微藻的增长数量逐步提高养殖废水的添加比例；
2)微藻活化：在培养基中加入未经灭菌处理的养殖废水，然后将驯化后的微藻接种于该培养基中进行扩大培养；
3)微藻培养：将活化后的微藻接种到未经灭菌处理的养殖废水溶液中，在户外条件下进行培养，实现养殖废水净化和微藻油脂生产。
2.根据权利要求1所述的利用养殖废水培养微藻的方法，其特征在于：所述的养殖废水为奶牛场废水；其氨氮浓度为172.31～190.69mg/L，总氮浓度为270.27～295.73mg/L，总氮浓度为108.40～123.40mg/L，化学耗氧量为2577.44～2608.56mg/L；其pH值为8.15～8.18。
3.根据权利要求1所述的利用养殖废水培养微藻的方法，其特征在于：所述的微藻为小球藻。
4.根据权利要求1至3的其中之一所述的利用养殖废水培养微藻的方法，其特征在于：步骤1)中，所述的培养基为BG-11培养基；所述微藻在培养基中的接种浓度为0.08～0.10g/L；所述微藻驯化的培养温度为23～28℃，光照强度为400-1000um·m2·S-1，光照时间为11～12小时/天，培养时间为14～16天。
5.根据权利要求1至3的其中之一所述的利用养殖废水培养微藻的方法，其特征在于：步骤1)中，当微藻的浓度达到1.0～1.5g/L时，开始向培养基中加入未经灭菌处理的养殖废水，并每两天将5％的培养基用等体积的养殖废水进行置换，直至养殖废水在培养基中的体积浓度为5％～25％。
6.根据权利要求1至3的其中之一所述的利用养殖废水培养微藻的方法，其特征在于：步骤2)中，所述的培养基为BG-11培养基；所述微藻在培养基中的接种浓度为0.15～0.20g/L；所述微藻活化的培养温度为23～28℃，光照强度为400-1000um·m2·S-1，光照时间为11～12小时/天，培养时间为8～12天。
7.根据权利要求1至3的其中之一所述的利用养殖废水培养微藻的方法，其特征在于：步骤2)中，所述养殖废水在培养基中的体积浓度为5％～25％。
8.根据权利要求1至3的其中之一所述的利用养殖废水培养微藻的方法，其特征在于：步骤3)中，所述的养殖废水溶液为含有所述养殖废水的水溶液，所述养殖废水在该水溶液中的体积浓度为5％～25％。
9.根据权利要求1至3的其中之一所述的利用养殖废水培养微藻的方法，其特征在于：步骤3)中，所述微藻在所述养殖废水溶液中的接种密度为0.17～0.34g/L。
10.根据权利要求1至3的其中之一所述的利用养殖废水培养微藻的方法，其特征在于：步骤3)中，所述微藻的培养时间为6～10天。
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