CN113150944A - 一种利用农业废水废气生产微藻的生物反应***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用农业废水废气生产微藻的生物反应***及方法，工程菌株为小球藻属Chlorella sorokiniana，生物反应器采用地上棚式地下地埋式结构，能够较好的保温、采光、利用废气中的CO2、利用农业废水做培养基、爆发式的增殖。本发明可以通过微藻的迅速增殖净化废水、废气，并产生大量生物质，一方面实现废弃物资源化利用解决环境污染，另一方面利用快速繁殖的微藻形成生物量规模化快速生产，收获的藻体可以作为生物能源、饲料、或肥料进一步开发利用，实现环境效益、经济效益、社会效益多赢的格局。

Description

一种利用农业废水废气生产微藻的生物反应***及方法
技术领域
本发明涉及生物工程领域，具体涉及一种利用农业废水废气生产微藻的生物反应***及方法。
背景技术
规模化养殖场每天排放的养殖废水量相当可观，储存废水需要占用大面积土地，养殖废水中含有大量的氮、磷等营养成分，直接排入水体易引起富营养化，造成环境二次污染，若远距离输送，能耗大，成本高，建设单位难以承受。
沼气工程中，厌氧发酵生产的粗沼气除甲烷外主要含有20～40％的CO2，与纯化后沼气比较，这部分CO2使得沼气热值下降了37～45％，增加了企业运行成本，降低了沼气的应用范围，提取的CO2若直接排入大气，又会造成温室效应，不符合低碳农业的发展方式。目前针对沼液消纳和沼气脱碳，主要是利用单项技术分别进行处理，沼液做液态肥还田，沼气采用物理吸附法或者化学吸收法进行脱碳，但传统处理工艺存在工艺设备复杂、技术运行成本高、技术集成度低、处理容量有限等问题。
微藻是地球生态***中最基本最重要生产者，具有生长速率快、适应性强、光合速率高等优点。微藻细胞就像一台台精密的有生命的“光合仪器”，其光合作用效率是植物的10-50倍，在生长过程中，能吸收利用大量氮、磷营养元素，在光合作用过程中能固定大量的CO2。因此，对于沼气中CO2和沼液中氮磷等元素的去除可以利用微藻这一生长特性。基于微藻的这种联合解决方案将在解决沼气工程上述瓶颈问题过程中提供重要的技术价值。如果把沼气发酵和微藻培养结合起来，即利用沼气中的CO2作为微藻培养的碳源，沼液或养殖废水作为培养微藻的基础培养基(或者培养液)，不仅能利用微藻捕集沼气中的CO2气体，还可对沼液或养殖废水进行脱氮除磷，以及其它微量重金属元素的去除，一方面实现农业废弃物资源化利用解决环境污染，另一方面利用快速繁殖藻类形成生物量规模化快速生产，收获的藻体可以作为生物能源、饲料、或肥料进一步开发利用，实现环境效益、经济效益、社会效益多赢的格局。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用农业废水废气生产微藻的生物反应***及方法，通过微藻的迅速增殖净化废水、废气，同时产生大量可开发利用的生物质。
第一方面，本发明提供一种利用农业废水废气生产微藻的生物反应***，包括地埋反应池和地上棚结构；
地埋反应池包括开挖于地面的池体，池体底部铺设有用于通入CO2废气的曝气管道，池体还配套铺设有用于通入清水的清水管道、用于通入农业废水的废水管道、用于接种Chlorella sorokiniana小球藻的藻液管道、以及用于排出净化水体的排水管道；
地上棚结构包括罩住池体的支撑骨架和敷设在支撑骨架上的采光层，地上棚结构密封住地埋反应池的池体。
作为本发明的一种改进，所述的池体内还设置有用于收集微藻的固液分离装置。
作为本发明的一种改进，还包括自动温控装置，用于控制棚内空气温度大于25℃，池内水体温度大于23℃。
作为本发明的一种改进，还包括CO2浓度自动调节装置，用于控制棚内空气的CO2浓度大于2％。
作为本发明的一种改进，还包括电导率自动调节装置，用于控制池内水体电导率在1200-1800ms/cm之间。
作为本发明的一种改进，还包括光照强度自动调节装置，用于控制棚内光照强度大于10000lux。
第二方面，本发明提供一种利用农业废水废气生产微藻的生物反应方法，使用上述的生物反应***，包括以下步骤：
农业废水通过废水管道泵入池体，清水通过清水管道泵入池体，对农业废水行稀释，将农业废水的电导率稀释至1200-1800ms/cm之间；
CO2废气通过曝气管道泵入池体对农业废水进行曝气，通过曝气使部分CO2溶解于废水中，其余CO2进入池面上方空气，形成CO2浓度大于2％的高浓度CO2气体；
通过藻液管道向池体按照种子液比池内水体体积比10％接种Chlorellasorokiniana小球藻种子液；
控制池面上方空气温度>25℃，池内水体温度>23℃，棚内光照强度>10000lux，使得藻体持续爆发式增殖；
通过固液分离装置将漂浮在水面的藻体打捞出来进行收集备用，处理完毕的废水通过排水管道排出。
作为本发明的一种改进，所述接种到池体的Chlorella sorokiniana小球藻种子液采用绿藻培养基在人工气候箱中培养，培养条件为：pH 6～8，温度25℃，光照6级，CO2浓度2％，培养至对数生长期的发酵液即成为种子液。
作为本发明的一种改进，所述绿藻培养基配方如下：NaNO3 15.0g/L，K2HPO4 4g/L，MgSO4·7H2O 7.53.75g/L，CaCl2·2H2O 3.6g/L，Citric acid 0.6g/L，Ferric ammoniumcitrate 0.6g/L，EDTANa2 0.1g/L，Na2CO3 2.0g/L。
作为本发明的一种改进，藻体打捞时，每次打捞不要打捞干净，留下30％左右的藻体作为接种量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过Chlorella sorokiniana小球藻的迅速增殖净化废水、废气，并产生大量生物质，一方面实现废弃物资源化利用解决环境污染，另一方面利用快速繁殖的微藻形成生物量规模化快速生产，收获的微藻可以作为生物能源、饲料、或肥料进一步开发利用，实现环境效益、经济效益、社会效益多赢的格局。
附图说明
图1为实施例的利用农业废水废气生产微藻的生物反应***的结构示意图；
附图标记说明：1-支撑骨架；2-采光层；3-池体；4-曝气管道；5-废水管道；6-清水管道；7-藻液管道；8-排水管道。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，一种利用农业废水废气生产微藻的生物反应***，包括地上棚结构和地埋反应池，二者构成一个密闭的生物反应器。
地埋反应池的主体为开挖于地面的池体3，具体的，选择一处周围无遮拦的平地进行规划，将地上棚结构的轴向布置为东西方向，便于采光，然后进行土方开挖，对开挖基坑底部平整后进行夯实处理，然后铺设曝气管道4、废水管道5、清水管道6、藻液管道7和排水管道8，最后进行钢筋混凝土池体建筑施工，形成地埋反应池。
地上棚结构可采用常规的农用大棚结构，包括钢筋结构的支撑骨架1和覆盖在其上的采光层2。采光层2可选用农用塑料大棚棚膜或玻璃等材料，保证自然光线透射进入生物反应器内部，为微藻迅速繁殖提供光照，同时为整个生物反应器提供保温、保湿、保持高浓度CO2作用。地上棚结构将池体3完全封闭，并预留人窗和通风窗。
曝气管道4可与沼气站的CO2废气相连，管道上设置有气泵或电动控制阀门，同时安装气体流量计，以便通过配套的控制***精确控制进入池体3的CO2废气量。
废水管道5可与养殖场的养殖废水或沼气站的沼液相连，管道上设置有液泵或电动控制阀门，同时安装液体流量计，以便通过配套的控制***精确控制进入池体3的农业废水量。
清水管道6用于通入清水对池体3内农业废水进行稀释，管道上设置有液泵或电动控制阀门，同时安装液体流量计，以便通过配套的控制***精确控制进入池体3的清水量。
藻液管道7与Chlorella sorokiniana小球藻种子液储存装置相连，用于向池体接种Chlorella sorokiniana小球藻，管道上设置有液泵或电动控制阀门，同时安装液体流量计，以便通过配套的控制***精确控制进入池体3的种子液量。
其中，Chlorella sorokiniana小球藻种子液采用绿藻培养基在人工气候箱中培养，培养条件为：pH 6～8，温度25℃，光照6级，CO2浓度2％，培养至对数生长期的发酵液即成为种子液。
优选的，绿藻培养基配方如下：NaNO3 15.0g/L，K2HPO4 4g/L，MgSO4·7H2O7.53.75g/L，CaCl2·2H2O 3.6g/L，Citric acid 0.6g/L，Ferric ammonium citrate 0.6g/L，EDTANa2 0.1g/L，Na2CO3 2.0g/L。
排水管道8用于对处理完毕的废水(即净化后的水体)进行排放或回收利用，管道上设置有液泵或电动控制阀门，同时安装液体流量计，以便通过配套的控制***精确控制流出池体3的净化水量。
为了实现自动化控制，使藻体持续爆发式增殖，本发明可通过PLC或单片机***自动控制生物反应器内空气温度、光照、水体温度、水体电导率等参数。
作为优选，生物反应***中设置有由PLC或单片机***集成控制的自动温控装置，对池体3池面上方的空气温度及池内水体温度进行控制，其中空气温度优选大于25℃，水体温度优选>23℃。为实现温度控制目标，可在采光层2外侧设置能够收放的卷帘，卷帘可采用保温、半透光材质，具有遮阳、保温效果，同时在地上棚结构的通风窗上设置可控开闭机构或风机等气流控制装置，实现棚内外的空气流通，可在棚内的池体3边缘安装空调装置，还可在池体3液面下方安装加热装置，当然还配套有相应的温度测量装置。当空气温度低于设定值，可通过关闭通风装置、夜晚收起卷帘保温、空调制热等保温措施对生物反应器进行保温；当空气温度高于设定值，可通过打开通风装置、白天升起卷帘遮阳、空调制冷等降温措施运行进行降温，当水温低于设定值时，可开启池内的加热装置。
作为优选，生物反应***中设置有由PLC或单片机***集成控制的CO2浓度自动调节***，控制棚内空气的CO2浓度大于2％。为实现该目标，棚内安装CO2浓度传感器，通过曝气管道4的气泵控制曝气量，当CO2浓度低于设定值，则开启气泵进行曝气。
作为优选，生物反应***中设置有由PLC或单片机***集成控制的电导率自动调节***，将池内废水的电导率调节至1200-1800ms/cm之间。为实现该目标，棚内安装电导率测量仪，然后通过废水管道5和清水管道6的液泵控制废水、清水量，当电导率高于设定值，开启清水管道6的液泵向池内添加自来水等清水，当电导率低于设定值，开启废水管道5的液泵向池内中添加农业废水。
作为优选，生物反应***中设置有由PLC或单片机***集成控制的光照强度自动调节***，维持棚内光照强度大于10000lux。为实现该目标，可在棚顶部安装模拟太阳光源，同时配套相应的光照强度检测装置，通过控制模拟太阳光源的开闭，使得无论夜晚(如有必要)或白天，棚内光照强度均大于10000lux。
作为优选，生物反应***中设置有固液分离装置，便于收集藻体，固液分离装置可采用机械式固液分离装置，例如带式格栅。
使用时，农业废水、自来水分别通过废水管道5、清水管道6进入到池体3，通过管道上的液泵或电动控制阀门控制二者的比例，将池内农业废水的电导率控制至1200-1800ms/cm之间；CO2废气通过曝气管道4进入池体3液面以下，在气泵产生的压力作用下，CO2废气透过池内的农业废水进行曝气，通过曝气使部分CO2溶解于废水中，其余CO2进入池面上方空气，使生物反应器内形成高浓度CO2的气体，CO2浓度需大于2％；通过藻液管道7向池中按照体积比10％接种Chlorella sorokiniana小球藻种子液，控制生物反应器内气温>25℃，池内液体温度>23℃，棚内光照强度>10000lux，藻体繁殖速度会呈爆发式增殖；在藻体持续爆发式增殖时，藻体吸收大量的废水中的氮磷钾等无机盐和养分、利用光合作用同化CO2成为藻体的一部分，分解和利用大量的废水中的有机质，最终使得废水得到净化，并且生产出大量的藻体；通过机械带式格栅等固液分离装置将漂浮在水面的藻体打捞出来进行收集备用，每次打捞时不要打捞干净，留下30％左右的藻体作为接种量，如此循环的进行生产、打捞，可以持续收获藻体，处理完毕的废水可以进行排放和回收利用。
下面通过具体的实施例，对本申请的生物反应***的工作过程作进一步说明。
实施例1
将附近养殖场的养殖废水和沼气站的CO2废气用管道与生物反应器连接，打开相应的液泵，开始进水，当水位达到预设深度后，打开相应的气泵，生物反应器开始运行。
将Chlorella sorokiniana小球藻种子液比池内废水体积以10％比例接种到生物反应器内，启动生物反应器的自动控制功能，进行培养。在光照条件较好的夏季约4-8d后开始爆发式增殖，微藻长满水面后可以进行打捞，每次打捞时留有约30％的量，这样在日照好的条件下微藻每天都保持爆发式增殖，可以长满整个池面。此时就形成了利用农业废水规模化培养藻类生物反应***。
以本实施例构建的利用农业废水规模化培养藻类生物反应***为工具，对刚开始运行的废水进行取样检测。然后打开自动控制***持续运行，持续打捞藻体，直到废水EC值接近1200ms/cm时，再次对废水取样检测。具体检测结果如下：
成分 净化前(mg/L) 处理后(mg/L) 去除率(％)
Ca 25.8 14.5 43.7
K 84.4 30.5 63.8
Mg 20.7 11.4 44.9
S 0.087 0.042 51.7
P 7.5 3.9 48
N 31.3 12.7 59.4
COD 1645.2 1078.2 34.4
实验结果显示，采用本实施例的生物反应***对农业废水进行处理后，废水中的营养元素被微藻代谢吸收转化，废水得到了净化。
以本实施例构建的利用农业废水规模化培养藻类生物反应***为工具，打开自动控制***持续运行，在光照条件较好的连续3天内持续打捞藻体，记录藻体打捞的量，记录池面总面积，计算单位面积的藻类生物量生成量。具体检测结果如下：
Figure BDA0002993163230000061
以上数据计算获得单位面积的藻类产量为0.16kg/m2·d。因此本发明生物反应***可以产生大量的藻体生物质量。
对上述收集到的爆发式藻类进行18SrDNA全长高通量测序，以检测其真核群落组成。数据显示3个样本测得的序列基本一致，爆发式繁殖藻类是其中在种水平丰度最大的序列为小球藻(Chlorella sorokiniana)，证明Chlorella sorokiniana适合以农业废水作为培养基生长，对本发明所收获生物量的贡献最大。
将上述收集到的藻体进行自然晾干，然后检测蛋白含量等理化指标，结果如下：
Figure BDA0002993163230000071
检测结果证明本发明得到的藻体蛋白质含量极高达到60.2g/100g，膳食纤维含量达18.8g/100g；β-胡萝卜素含量达20.9mg/100g，烟酸含量达13.3mg/100g，具有丰富的营养成分和饲用价值，适合作为饲料添加的原材料。不饱和脂肪酸达到2.35g/100g适合作为未来生物能源和生物柴油的原材料。氮磷钾含量较高，适合用作有机肥料添加。
综上，本发明对生态环境治理、废弃物循环利用、生物能源、生物肥料、高蛋白饲料添加剂等方面的用途具有应用价值。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用农业废水废气生产微藻的生物反应***，其特征在于：包括地埋反应池和地上棚结构；
地埋反应池包括开挖于地面的池体，池体底部铺设有用于通入CO2废气的曝气管道，池体还配套铺设有用于通入清水的清水管道、用于通入农业废水的废水管道、用于接种Chlorella sorokiniana小球藻的藻液管道、以及用于排出净化水体的排水管道；
地上棚结构包括罩住池体的支撑骨架和敷设在支撑骨架上的采光层，地上棚结构密封住地埋反应池的池体。
2.根据权利要求1所述的生物反应***，其特征在于：所述的池体内还设置有用于收集微藻的固液分离装置。
3.根据权利要求1所述的生物反应***，其特征在于：还包括自动温控装置，用于控制棚内空气温度大于25℃，池内水体温度大于23℃。
4.根据权利要求1所述的生物反应***，其特征在于：还包括CO2浓度自动调节装置，用于控制棚内空气的CO2浓度大于2％。
5.根据权利要求1所述的生物反应***，其特征在于：还包括电导率自动调节装置，用于控制池内水体电导率在1200-1800ms/cm之间。
6.根据权利要求1所述的生物反应***，其特征在于：还包括光照强度自动调节装置，用于控制棚内光照强度大于10000lux。
7.一种利用农业废水废气生产微藻的生物反应方法，使用权利要求1-6中任一项权利要求所述的生物反应***，其特征在于：包括以下步骤：
农业废水通过废水管道泵入池体，清水通过清水管道泵入池体，对农业废水行稀释，将农业废水的电导率稀释至1200-1800ms/cm之间；
CO2废气通过曝气管道泵入池体对农业废水进行曝气，通过曝气使部分CO2溶解于废水中，其余CO2进入池面上方空气，形成CO2浓度大于2％的高浓度CO2气体；
通过藻液管道向池体按照种子液比池内水体体积比10％接种Chlorella sorokiniana小球藻种子液；
控制池面上方空气温度>25℃，池内水体温度>23℃，棚内光照强度>10000lux，使得藻体持续爆发式增殖；
通过固液分离装置将漂浮在水面的藻体打捞出来进行收集备用，处理完毕的废水通过排水管道排出。
8.根据权利要求7所述的生物反应方法，其特征在于：所述接种到池体的Chlorellasorokiniana小球藻种子液采用绿藻培养基在人工气候箱中培养，培养条件为：pH 6～8，温度25℃，光照6级，CO2浓度2％，培养至对数生长期的发酵液即成为种子液。
9.根据权利要求8所述的生物反应方法，其特征在于：所述绿藻培养基配方如下：NaNO315.0g/L，K2HPO4 4g/L，MgSO4·7H2O 7.53.75g/L，CaCl2·2H2O 3.6g/L，Citric acid0.6g/L，Ferric ammonium citrate 0.6g/L，EDTANa2 0.1g/L，Na2CO3 2.0g/L。
10.根据权利要求7所述的生物反应方法，其特征在于：藻体打捞时，每次打捞不要打捞干净，留下30％左右的藻体作为接种量。
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