CN108148738A - 一种培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置及其运行方法 - Google Patents

一种培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置及其运行方法 Download PDF

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Abstract

一种培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置及其运行方法，厌氧发酵装置设有用于处理沼液氮磷的膜式光生物反应器，用于处理沼液氮磷的膜式光生物反应器设有沼液储存罐、蠕动泵、微藻培养罐、空气泵和嵌入中空纤维膜的光生物反应器柱体，厌氧发酵包括半连续厌氧发酵罐体、罐内混匀搅拌器、罐体进料口上阀门和罐体出料口下阀门。改善微藻吸收氨氮速度较慢，微藻与厌氧发酵等体积时，处理量无法匹配单批次厌氧发酵所排放沼液量，处理沼液存在效率低、时间长的缺陷。膜式光生物反应器与半连续厌氧发酵罐的耦合，使得半连续厌氧发酵罐每日所排出的沼液能够被微藻当日处理，并重新回流进入厌氧发酵罐，达到沼液循环利用，节约水资源，氮、磷资源化的目的。

Description

一种培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及微藻处理沼液及厌氧发酵的耦合，具体涉及一种利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置及其运行方法。
背景技术
厌氧发酵广泛应用于清洁能源，用于解决废弃物污染的问题。伴随着厌氧发酵技术的发展，不断增长的大量沼液排放不可避免([1]GCB Bioenergy,2014,6,465–472)。沼液含有丰富的氮源，如果不经过有效处理直接排放将存在导致水体富营养化的风险，同时还会造成有益资源的大量流失。培养微藻处理沼液中的养分，同时获得高附加值的微藻产品已被普遍认为一种达到减排增益有潜力的策略([2]Biotechnol.Adv.2012,30,673–690)。
针对沼液中含有大量悬浮物及细菌会抑制微藻的生长，前期设计了膜式光生物反应器解决沼液无法直接用于微藻培养的难题([3]李清彪.用于处理沼液超标氮磷的膜式光生物反应器及其处理方法:中国专利ZL201410169909.X.2015-09-02)。然而，微藻耦合沼液***仍需改进，微藻吸收氨氮速度较慢，与厌氧发酵等体积时，处理量无法匹配单批次厌氧发酵所排放沼液量，处理沼液存在效率低、时间长的缺陷。同时，处理后的沼液通常直接排放，使得水资源无法循环利用。
发明内容
本发明的目的在于提供可达到沼液循环利用，氮磷零排放的一种利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置。
本发明的另一目的在于提供利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置的运行方法。
所述利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置设有用于处理沼液氮磷的膜式光生物反应器，所述用于处理沼液氮磷的膜式光生物反应器设有沼液储存罐、蠕动泵、微藻培养罐、空气泵和嵌入中空纤维膜的光生物反应器柱体，所述厌氧发酵包括半连续厌氧发酵罐体、罐内混匀搅拌器、罐体进料口上阀门和罐体出料口下阀门。
所述半连续厌氧发酵罐体可采用圆柱型发酵罐体，厌氧发酵罐体与微藻培养罐的体积比可为1︰1。
所述半连续厌氧发酵罐的体积可为4～6L，高径比可为1～2。
所述罐内混匀搅拌器设在厌氧发酵罐体的底部，罐内混匀搅拌器与厌氧发酵罐体底部直径比可为0.25～0.5。
所述利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵的装置的运行方法，采用所述用于处理沼液氮、磷的膜式光生物反应器和半连续厌氧发酵的耦合装置，所述方法如下：
厌氧发酵罐每日从出料口排出废料经沼液、沼渣分离后，所排沼液贮存在沼液储存罐中，由第1蠕动泵带动在硅胶管内循环流动；微藻溶液在微藻培养罐中光照培养，由第2蠕动泵带动在硅胶管内循环流动，透过空气泵向微藻培养罐中通入空气，沼液和微藻溶液在膜式光生物反应器中汇合，沼液在中空纤维膜管内循环流动，微藻溶液在中空纤维膜管外循环流动，沼液和微藻溶液错流流动；沼液中超标氮、磷从中空纤维膜内透过被膜外微藻溶液吸收，每日从膜式光生物反应器排出被微藻吸收氮、磷的沼液，排出体积与每日进入沼液储存罐的体积相同，排出的处理后沼液与定量猪粪重新混合从进料口进入厌氧发酵罐产沼气，耦合装置按照如此方法循环运行。
所述厌氧发酵罐的水力停留时间为40天。
所述厌氧发酵罐每日进入的猪粪量为40～60g/d。
所述厌氧发酵罐每日排出废料经液渣分离后，进入沼液储存罐的沼液体积为40～60mL/d。
所述从膜式光生物反应器排出被微藻吸收氮、磷，进入沼液储存罐的沼液体积为40～60mL/d。
所述厌氧发酵罐的底部混匀搅拌器的转速可为100～200r/min。
本发明改善了微藻吸收氨氮速度较慢，微藻与厌氧发酵等体积时，处理量无法匹配单批次厌氧发酵所排放沼液量，处理沼液存在效率低、时间长的缺陷。膜式光生物反应器与半连续厌氧发酵罐的耦合，使得半连续厌氧发酵罐每日所排出的沼液能够被微藻当日处理，并重新回流进入厌氧发酵罐，达到沼液循环利用，节约水资源，氮、磷资源化的目的。
本发明具有以下突出优点：
1、本发明利用膜式光生物反应器与半连续厌氧发酵罐的耦合，使得与厌氧发酵等体积的微藻，其沼液处理量与厌氧发酵每日所排放量相匹配，改善了处理沼液存在效率低、时间长的缺陷。
2、能够使得沼液循环利用，节约水资源，使得沼液中的氮、磷资源化。
3、经过40天厌氧发酵，以循环沼液和猪粪为原料的半连续厌氧发酵，与普通半连续厌氧发酵在产气方面没有显著差别，表明循环利用处理后沼液作为发酵原料，不会对厌氧发酵产生不利影响。
附图说明
图1为本发明实施例所述利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵的装置的结构组成示意图。在图1中，标记1为沼液储存罐，2为第1蠕动泵，3为微藻培养罐，4为第2蠕动泵，5为空气泵，6为光生物反应器柱体，7为中空纤维膜，8为半连续厌氧发酵罐体，9为罐内混匀搅拌器，10为进料口上阀门，11为出料口下阀门；A为空气，B1为沼液，B2为处理后沼液，C为猪粪，D为沼渣。
图2为本发明实施例中半连续厌氧发酵每日进出样时微藻对沼液氨氮的吸收效果。在图2中，标记■为半连续厌氧发酵每日所排放沼液，●为膜式光生物反应器(MPBR)中处理的沼液，▲为处理后所排出沼液。
图3为以中国专利ZL201410169909.X为对照组，连续培养时用于处理沼液超标氮磷的膜式光生物反应器中氨氮吸收的效果。
图4为耦合***与未耦合厌氧发酵反应器产沼气的运行效果对比。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1，本发明所述利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置设有膜式光生物反应器和半连续厌氧发酵罐，所述膜式光生物反应器包括沼液储存罐1、第1蠕动泵2、微藻培养罐3、第2蠕动泵4、空气泵5、光生物反应器柱体6和中空纤维膜7；所述半连续厌氧发酵罐包括厌氧发酵罐体8、厌氧发酵罐底部的混匀搅拌器9、上阀门10和下阀门11。
所述膜式光生物反应器可参考中国专利ZL201410169909.X。
所述厌氧发酵罐体采用圆柱型发酵罐体，厌氧发酵罐体与微藻培养罐的体积比为1︰1。
所述半连续厌氧发酵罐的体积可为4～6L，高径比可为1～2。
所述罐内混匀搅拌器设在厌氧发酵罐体的底部，罐内混匀搅拌器与厌氧发酵罐体底部直径比可为0.25～0.5。
所述半连续厌氧发酵罐其上阀门为进料口，下阀门为出料口。
所述利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置的运行方法，采用所述用于处理沼液氮、磷的膜式光生物反应器和半连续厌氧发酵的耦合装置，所述方法如下：
厌氧发酵罐每日从出料口排出废料经沼液、沼渣D分离后，所排沼液B1贮存在沼液储存罐中，由第1蠕动泵带动在硅胶管内循环流动；微藻溶液在微藻培养罐中光照培养，由第2蠕动泵带动在硅胶管内循环流动，透过空气泵向微藻培养罐中通入空气A，沼液和微藻溶液在膜式光生物反应器中汇合，沼液B1在中空纤维膜管内循环流动，微藻溶液在中空纤维膜管外循环流动，两者错流流动；沼液中超标氮、磷从中空纤维膜内透过被膜外微藻溶液吸收，每日从膜式光生物反应器排出被微藻吸收氮、磷的沼液B2，排出体积与每日进入沼液储存罐的体积相同，排出的处理后沼液与定量猪粪C重新混合从进料口进入厌氧发酵罐产沼气，耦合装置按照如此方法循环运行。
所述厌氧发酵罐的水力停留时间为40天。
所述厌氧发酵罐每日进入的猪粪量为40～60g/d。
所述厌氧发酵罐每日排出料经液渣分离后，进入沼液储存罐的沼液体积为40～60mL/d。
所述从膜式光生物反应器排出被微藻吸收氮、磷，进入沼液储存罐的沼液体积为40～60mL/d。
所述耦合装置的方法，其特征在于所述厌氧发酵罐其底部混匀搅拌器的转速为100～200r/min。
以下给出具体实施例。
实施例1
在与半连续厌氧发酵耦合的膜式光生物反应器中，首先将半连续厌氧发酵罐每日所排废弃物液渣分离，分离后的沼液加入沼液储存罐。在微藻培养罐里加入1000mL含有0.1g/L名为C.sorokiniana的微藻液体。膜式光生物反应器放置于光照培养箱内，设置培养箱内的温度25℃，光照强度为7200Lux。通过空气泵向微藻培养罐通入1L/L·min的空气。蠕动泵以150～160mL/min的循环流速带动微藻在膜外循环流动，使沼液在中空纤维膜内保持50～60mL/min流速的循环流动。经过1天的培养，沼液氨氮从1300mg/L左右下降到3mg/L左右。
在相同厌氧发酵和培养微藻的体积下，与中国专利ZL201410169909.X对比，其反应器经过9天仍无法将沼液氨氮完全处理，改进后其沼液处理效率得到明显提升。
实施例2
在耦合装置的半连续厌氧发酵中，首先将膜式光生物反应器每日所排放40～60mL处理后沼液，与40～60g猪粪混匀后加入沼液储存罐。半连续厌氧发酵罐放置于生化培养箱内，设置罐内底部混匀搅拌器的转速为100～200r/min，生化培养箱内的温度为37℃。半连续厌氧发酵罐的沼气产量为800mL/d左右。
除以水代替处理后沼液，保持发酵原料、温度、搅拌速率等参数与前一批相同，对照组半连续厌氧发酵罐的沼气产量为800mL/d左右，与以处理后沼液为原料的实验组产气量无显著差别。

Claims (10)

1.一种利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵的装置，其特征在于设有用于处理沼液氮磷的膜式光生物反应器，所述用于处理沼液氮磷的膜式光生物反应器设有沼液储存罐、蠕动泵、微藻培养罐、空气泵和嵌入中空纤维膜的光生物反应器柱体，所述半连续厌氧发酵罐包括厌氧发酵罐体、罐内混匀搅拌器、罐体进料口上阀门和罐体出料口下阀门。
2.如权利要求1所述一种利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵的装置，其特征在于所述厌氧发酵罐体采用圆柱型发酵罐体，厌氧发酵罐体与微藻培养罐的体积比为1︰1。
3.如权利要求1所述一种利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵的装置，其特征在于所述半连续厌氧发酵罐的体积为4～6L，高径比为1～2。
4.如权利要求1所述一种利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵的装置，其特征在于所述罐内混匀搅拌器设在厌氧发酵罐体的底部，罐内混匀搅拌器与厌氧发酵罐体底部直径比为0.25～0.5。
5.利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵的装置的运行方法，其特征在于采用所述用于处理沼液氮、磷的膜式光生物反应器和半连续厌氧发酵的耦合装置，所述方法如下：
厌氧发酵罐每日从出料口排出废料经沼液、沼渣分离后，所排沼液贮存在沼液储存罐中，由第1蠕动泵带动在硅胶管内循环流动；微藻溶液在微藻培养罐中光照培养，由第2蠕动泵带动在硅胶管内循环流动，透过空气泵向微藻培养罐中通入空气，沼液和微藻溶液在膜式光生物反应器中汇合，沼液在中空纤维膜管内循环流动，微藻溶液在中空纤维膜管外循环流动，沼液和微藻溶液错流流动；沼液中超标氮、磷从中空纤维膜内透过被膜外微藻溶液吸收，每日从膜式光生物反应器排出被微藻吸收氮、磷的沼液，排出体积与每日进入沼液储存罐的体积相同，排出的处理后沼液与定量猪粪重新混合从进料口进入厌氧发酵罐产沼气，耦合装置按照如此方法循环运行。
6.如权利要求5所述利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置的运行方法，其特征在于所述厌氧发酵罐的水力停留时间为40天。
7.如权利要求5所述利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置的运行方法，其特征在于所述厌氧发酵罐每日进入的猪粪量为40～60g/d。
8.如权利要求5所述利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置的运行方法，其特征在于所述厌氧发酵罐每日排出废料经液渣分离后，进入沼液储存罐的沼液体积为40～60mL/d。
9.如权利要求5所述利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置的运行方法，其特征在于所述从膜式光生物反应器排出被微藻吸收氮、磷，进入沼液储存罐的沼液体积为40～60mL/d。
10.如权利要求5所述利用膜式光生物反应器培养微藻处理沼液耦合厌氧发酵装置的运行方法，其特征在于所述厌氧发酵罐的底部混匀搅拌器的转速为100～200r/min。
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