CN110591918A - 净化二级尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种净化二级尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法，包括以下步骤：1）二级尾水或污泥上清液流入反应器A，利用微藻去除水中氮磷；2）反应器A出水过滤后外排，浓缩的高浓度藻液排入反应器B；当反应器A中藻类生物量不足时，可将适量的高浓度藻液回流至反应器A；3）反应器B中补充营养和微量元素，添加光合作用促进剂和代谢干扰剂，促进糖类增加；4）培养结束后，经过过滤或离心后形成高浓度藻液，干燥后得到藻粉。本发明将二级尾水或污泥上清液水质提升和藻源性糖类生产相结合，大大降低了出水氮磷，还解决了藻源性糖类生产中大量生物量的供给问题，有效降低了培养成本。
Description
技术领域
本发明属于环境保护和生物能源技术领域，特别是涉及一种利用微藻深度净化污水处理厂尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法。
背景技术
随着城市化的发展，城市生活污水量大大增加，城镇污水处理厂排放的尾水量（包括二级尾水和污泥上清液）也十分庞大。依据《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》，即使是符合排放标准的二级尾水，其中总氮、总磷含量也均未达到《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中Ⅳ、Ⅴ类功能水域质量标准的要求，而污泥上清液中氮、磷的浓度则更高，达到几十mg/L，甚至超过100 mg/L。含有较高氮、磷的尾水排入河流、湖泊时，会大大增加受纳水体的营养负荷，加速富营养化进程。目前我国的污水处理厂已采用活性炭吸附法、膜分离法、高级氧化法等方法来进一步去除尾水中的氮、磷，但这些方法通常成本较高，且不具备附加的经济价值。
氮、磷是藻类生长的必需元素，氮磷含量过多会导致水体富营养化进而引发藻类水华。藻类是分布广泛、光合利用率高的自养微生物，具有增殖速度快、环境适应性强、不与传统农业争夺土地资源的特点。目前已有相关文献及科研成果表明利用藻类去除水体中过剩的营养盐具有至少和化学处理法相等的效率。用经过一定处理的污水或尾水培养藻，可以使水质得到进一步净化，减少环境污染。这种废水净化方式将藻类培养和生物净化相结合，成本低、耗能少、效益明显，且开发潜力大。藻类可以利用工业废水（不含重金属和放射性同位素）、水产养殖污水等含有的有机物、氮、磷作为营养来源，并减轻水体富营养化压力。研究表明，实验室条件下藻类已广泛用于废水的脱氮除磷。然而，藻类的后续处理存在一定问题。剩余藻类的处理会增加运行成本，而且，若处理不当，可能会导致受纳水体爆发水华。
对剩余藻类加以利用是比较有前景的处理方式。藻细胞生长代谢过程中可产生大量的蛋白质、碳水化合物（糖）、脂肪和其他物质，可通过生物转化或后加工形成多种形式的生物能源、工业和食物原料，具有一定的经济价值。在藻类能源化方面，目前国内外已经广泛开展利用微藻制备柴油、乙醇、氢气等生物燃料的研究。绝大多数采用常规手段培养的微藻，其脂类（8-15%）和糖（10%-30%）含量偏低，普遍认为不适合直接作为生产生物燃料的原料。
一些研究发现，通过控制培养条件可能诱导微藻生产特定细胞成分物质，如研究发现氮限制培养可诱导小球藻、栅藻、节旋藻、三角褐指藻等微藻生产脂类或糖，其含量可提升至50%以上。然而，这一方法仅仅在藻类资源化领域有所应用，且藻类的大规模培养需要有充足的水源、营养盐等供给，这会使培养成本过高，压缩其经济和生态效益。此外，胁迫条件下，微藻的增殖速率明显降低，导致产量减少，进而影响脂类或糖的生产，这也是亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微藻深度净化污水厂尾水或污泥上清液，并同步生产藻源糖的方法，该方法将水质净化和藻类资源化培养两个工艺相结合，即利用微藻吸收尾水中的氮磷从而提升尾水水质，同时培养产生大量微藻生物量，并进一步调控培养条件定向诱导生成可供资源化利用的糖。该方法一方面可以实现尾水深度净化，另一方面产生的大量藻泥可以同步实现资源化，从而可以降低处理成本，提高经济和生态效益。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种净化二级尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：污水处理厂尾水或污泥上清液流入反应器A，接种微藻，叶绿素浓度为 2-8 mg/L，调控pH至7.5-9，曝气，进行第一阶段培养，该阶段水力停留时间为1-4天；
步骤2：步骤1出水经过过滤装置过滤后外排，微藻过滤或离心浓缩后形成叶绿素浓度为15-30 mg /L的高浓度藻液；高浓度藻液回流比根据反应器A每天微藻的增殖量和出水中微藻生物量确定，当增殖量小于出藻量时，高浓度藻液回流至反应器A，回流比为20-90%，补充其藻类生物量；剩余部分进入反应器B；
步骤3：反应器B中补充营养和微量元素，曝气，并添加0.02-4‰光合作用促进剂和1-3‰代谢干扰剂，进行第二阶段培养，培养时间为2-4天；
步骤4：收集经步骤3培养的藻，利用过滤装置过滤或离心浓缩后形成含水率90-98%的浓藻液，40-80 ℃干燥，时间24-48 h；收集藻粉，即为藻源糖。
所述微藻为小球藻、栅藻、微囊藻或螺旋藻。
所述的反应器A和反应器B中曝气在光周期时实施。
所述反应器A和反应器B条件为：光照10000-100000 lx，光暗周期14h-24h:10h-0h，温度28-35℃。
所述步骤1中反应器A水力停留时间根据出水N、P浓度确定。
所述反应器B为2-4个平行的培养池，第一个培养池接受第一天的反应器A出水，第二个培养池接受第二天的反应器A出水，以此类推；当培养池微藻的糖含量超过干重的50%时，收获微藻，收获结束后再次接受反应器A排出的高浓度藻液。
所述步骤4光合作用促进剂为氯化胆碱、氯化铁或碳酸氢钠；代谢干扰剂为水杨酸、氯化钠、乙烯或氯化锌；营养和微量元素为硝酸钠（或硝酸钾）、磷酸氢二钾、氯化锰、硼酸、硫酸锌、硫酸铜、硝酸钴或钼酸钠。
本发明的有益效果是：
1）本发明将尾水或污泥上清液用于培养微藻，营养盐转化为微藻生物量，生产的藻源性糖类可用于后续制备生物能源，如生物乙醇、甲烷、氢气等。不是将营养盐单纯作为污染物看待，而是考虑其利用价值，一举两得，即解决了生态和环境问题，又解决了能源问题。
2）本发明解决了微藻大规模培养所需要水源、营养盐等供给问题，将微藻生物量生产阶段和水质提升阶段合并，解决了藻源糖的生产中大量生物量的供给问题，大大缩短了生产周期，有效减少了培养成本。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合几个具体的实施例，对本发明所述方法做进一步的说明。
实施例1
某污水处理厂的污泥上清液无机氮（硝氮、氨氮）浓度约为19.8 mg/L，磷酸盐浓度约为3.45 mg/L。反应器A体积为10 L，微藻叶绿素a浓度设置为4-5 mg/L，光照15000-20000 lx，光暗周期16h:8h，温度28℃，调控pH至约为8，曝气。为保证反应器A出水氮、磷浓度基本符合《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中Ⅴ类功能水域质量标准的要求，设置水力停留时间为4天。反应器A连续运行约30天，经过初期2-3天的适应期后，出水水质稳定，其中无机氮0.4-1.3 mg/L，去除率为93.4-98.0%；磷酸盐0.10-0.25 mg/L，去除率为92.8-97.1%； TN为0.89-1.57 mg/L，TP为0.29-0.53 mg/L，COD为7.2-15.3 mg/L。微藻日产量（以叶绿素计）为3.86-4.27 mg /L/d，与每日出水中微藻的量相当，不设置回流，高浓度藻液进入反应器B。
反应器B体积为0.8 L，数量4个。反应器A微藻浓缩至叶绿素浓度约为15 mg/L，进入反应器B，添加营养和微量元素，曝气，并添加2‰光合作用促进剂和2‰代谢干扰剂，置于约40000 lx，28℃下培养。定期测定干重和糖产量，计算糖含量；测定藻细胞内含物的化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD），计算BOD/COD用于表征其可生化性。培养4天后，干重由1.03 g/L增加至3.52 g/L，糖由0.10 g/L增加至2.26 g/L。A池藻的微藻糖含量为10.0%，B池增加至64.3%，A池的BOD/COD为0.41，B池增加至0.87，藻的糖含量和生物可利用性显著提升。反应器B中微藻经离心浓缩，60℃干燥48小时后收集。
实施例2
某污水处理厂的二级尾水无机氮（硝氮、氨氮）浓度约为5.1 mg/L，磷酸盐浓度约为0.52 mg/L。反应器A体积为10 L，微藻叶绿素a浓度设置为2.5-3.0 mg/L，光照10000-12000lx，光暗周期14h:10h，温度28℃，调控pH至约为8，曝气。为保证反应器A出水氮、磷浓度基本符合《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中Ⅴ类功能水域质量标准的要求，设置水力停留时间为1天。反应器A连续运行约30天，经过初期2-3天的适应期后，出水水质稳定，其中无机氮0.20-0.72 mg/L，去除率为85.9-96.0%；磷酸盐0.03-0.09 mg/L，去除率为82.7-94.2%；TN为0. 4-1.01 mg/L,TP为0.07-0.21 mg/L,COD为5.3-8.2 mg/L。微藻日产量（以叶绿素计）为2.96-3.61 mg/L/d，小于每日出水中微藻的量。为确保反应器A内微藻生物量稳定，设置回流比为5/6，剩余1/6的高浓度藻液进入反应器B，进行第二阶段培养。
反应器B体积为0.6 L，数量4个。反应器A微藻浓缩至叶绿素浓度约为10 mg/L，进入反应器B，添加营养和微量元素，曝气，并添加1.5‰光合作用促进剂和1‰代谢干扰剂，置于约30000 lx，28℃下培养。定期测定干重和糖产量，计算糖含量；测定藻细胞内含物的化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD），计算BOD/COD用于表征其可生化性。培养4天后，干重由0.63 g/L增加至2.18 g/L，糖由0.06 g/L增加至1.30 g/L。A池藻的微藻糖含量为9.3%，B池增加至59.7%，A池的BOD/COD为0.42，B池增加至0.88，藻的糖含量和生物可利用性显著提升。反应器B中微藻经离心浓缩，60℃干燥48小时后收集。
实施例3
将实施例1收集的1.2 g藻粉反应器B产出的藻粉直接溶于40 ml 5%(v/v)的硫酸溶液中，制成30 g/L的藻液。121℃高温水解30 min，水解液经0.45 μm滤膜过滤，水解液NaOH固体调节至pH=6.5±0.2，加入酿酒酵母，以150r/min的速度在35℃下发酵72 h。同时将反应器A产出的藻粉置于同样条件下水解发酵。
30 g/L的反应器B藻粉产生生物乙醇浓度8.44 g/L，乙醇产率28.1 %，而30 g/L的反应器A藻粉产生生物乙醇浓度仅为0.93 g/L，乙醇产率为3.1%。经反应器B培养后，微藻的乙醇产率显著提升。经该工艺培养的微藻制备生产生物能源的潜力大幅提高。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种净化二级尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：污水处理厂尾水或污泥上清液流入反应器A，接种微藻，叶绿素浓度为 2-8 mg/L，调控pH至7.5-9，曝气，进行第一阶段培养，该阶段水力停留时间为1-4天；
步骤2：步骤1出水经过过滤装置过滤后外排，微藻过滤或离心浓缩后形成叶绿素浓度为15-30 mg /L的高浓度藻液；高浓度藻液回流比根据反应器A每天微藻的增殖量和出水中微藻生物量确定，当增殖量小于出藻量时，高浓度藻液回流至反应器A，回流比为20-90%，补充其藻类生物量；剩余部分进入反应器B；
步骤3：反应器B中补充营养和微量元素，曝气，并添加0.02-4‰光合作用促进剂和1-3‰代谢干扰剂，进行第二阶段培养，培养时间为2-4天；
步骤4：收集经步骤3培养的藻，利用过滤装置过滤或离心浓缩后形成含水率90-98%的浓藻液，40-80 ℃干燥，时间24-48 h；收集藻粉，即为藻源糖。
2.根据权利要求1所述的净化二级尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法，其特征在于，所述微藻为小球藻、栅藻、微囊藻或螺旋藻。
3.根据权利要求1所述的净化二级尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法，其特征在于，所述的反应器A和反应器B中曝气在光周期时实施。
4.根据权利要求1所述的净化二级尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法，其特征在于，所述反应器A和反应器B条件为：光照10000-100000 lx，光暗周期14h-24h:10h-0h，温度28-35℃。
5.根据权利要求1所述的净化二级尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法，其特征在于，所述步骤1中反应器A水力停留时间根据出水N、P浓度确定。
6.根据权利要求1所述的净化二级尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法，其特征在于，所述反应器B为2-4个平行的培养池，第一个培养池接受第一天的反应器A出水，第二个培养池接受第二天的反应器A出水，以此类推；当培养池微藻的糖含量超过干重的50%时，收获微藻，收获结束后再次接受反应器A排出的高浓度藻液。
7.根据权利要求1所述的净化二级尾水或污泥上清液耦合生产藻源糖的方法，其特征在于，所述步骤4光合作用促进剂为氯化胆碱、氯化铁或碳酸氢钠；代谢干扰剂为水杨酸、氯化钠、乙烯或氯化锌；营养和微量元素为硝酸钠或硝酸钾、磷酸氢二钾、氯化锰、硼酸、硫酸锌、硫酸铜、硝酸钴或钼酸钠。
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