一種實現(xiàn)原位固液分離的膜微藻光生物反應(yīng)器及其培養(yǎng)方法
【專利摘要】一種實現(xiàn)原位固液分離的膜微藻光生物反應(yīng)器，包括液位平衡水箱、反應(yīng)器主體、微孔擴散器、中空纖維膜組件、恒流泵等。膜微藻光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)方法，培養(yǎng)液通過液位平衡水箱進入反應(yīng)器主體，為微藻提供生長所需的營養(yǎng)并使液位保持在恒定，培養(yǎng)的藻液由安裝于反應(yīng)器中間的中空纖維膜組件實現(xiàn)原位固液分離，在恒流泵的抽濾作用下，水經(jīng)膜組件由恒流泵排出，微藻細胞則被保留在反應(yīng)器內(nèi)，并定期進行微藻細胞的收獲。本發(fā)明提出一種新型能實現(xiàn)原位固液分離的膜微藻光生物反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，在利用氮磷含量較低的城市污水處理廠出水等進行微藻培養(yǎng)時能以較高的水力負荷運行，從而極大地提高了光生物反應(yīng)器的運行效率。
【專利說明】一種實現(xiàn)原位固液分離的膜微藻光生物反應(yīng)器及其培養(yǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及藻類培養(yǎng)反應(yīng)器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種實現(xiàn)原位固液分離的膜微藻光生物反應(yīng)器。
[0002]本發(fā)明還涉及一種利用上述裝置進行微藻培養(yǎng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]微藻具有生長迅速、光合效率高等特點，能有效利用太陽能通過光合作用將無機營養(yǎng)鹽、co2、h2o等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機化合物，因含油量高、易于培養(yǎng)、單位面積產(chǎn)量高、不占耕地等優(yōu)點而被認為是目前已知的唯一可能替代化石燃料的原料。此外，微藻在生長過程中還能固定空氣中CO2為減輕溫室效應(yīng)做出貢獻。
[0004]在微藻的規(guī)模化培養(yǎng)中封閉式的光生物反應(yīng)器因其可人為控制微藻生長條件，從而獲得較高的藻細胞生長速率，并且可避免雜藻和細菌的污染。此外，光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)生產(chǎn)需要進行放大，適合于微藻的高效大規(guī)模培養(yǎng)。目前，生產(chǎn)過程中的高成本是微藻制備生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要限制因素，而其中微藻培養(yǎng)成本占生物柴油生產(chǎn)總成本的70%以上。微藻培養(yǎng)中的成本主要來自于培養(yǎng)所消耗的氮磷等無機營養(yǎng)鹽和淡水資源。
[0005]為了降低微藻的培養(yǎng)成本，人們嘗試采用城市污水經(jīng)二級處理出水、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水等含有一定量的氮 磷營養(yǎng)鹽且水質(zhì)澄清透明的廢水進行微藻的培養(yǎng)，這樣既能夠極大地降低微藻生物柴油的生產(chǎn)成本，并且也有利于地表水質(zhì)的改善。但由于相比于人工配制的微藻培養(yǎng)液，這些廢水中氮磷濃度較低，微藻的生長速率緩慢，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力較低，而且也難以獲得高濃度的微藻培養(yǎng)液，不利于后續(xù)微藻細胞的收獲。要想在光生物反應(yīng)器中保持較高的微藻生長速率就需要相應(yīng)增加反應(yīng)器的進水流量從而增加氮磷供應(yīng)量，傳統(tǒng)的光生物反應(yīng)器沒有固液分離功能，反應(yīng)器中的水力停留時間和徽藻的停留時間是相同的，加大進水流量會導(dǎo)致微藻在反應(yīng)器中的停留時間變短，使反應(yīng)器中的藻液濃度減小，導(dǎo)致單位體積反應(yīng)器的微藻生產(chǎn)能力降低。因此，傳統(tǒng)用于培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器較難滿足采用低氮磷含量的水體進行微藻培養(yǎng)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種具有原位固液分離功能的微藻光生物反應(yīng)器，通過安裝在反應(yīng)器中的浸沒式膜組件能實現(xiàn)水和徽藻的原位分離，微藻在反應(yīng)器中的停留時間和濃度可進行人工調(diào)控，使反應(yīng)器在利用低氮磷含量的城市污水二級處理出水等作為營養(yǎng)液進行微藻培養(yǎng)時能以較高的水力負荷運行，從而極大地提高了光生物反應(yīng)器的運行效率。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供利用該反應(yīng)器進行微藻培養(yǎng)的方法。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的浸沒式膜微藻光生物反應(yīng)器，其主要結(jié)構(gòu)包括:進水池、水泵、液位平衡水箱、反應(yīng)器主體、中空纖維膜組件、恒流泵、液體流量計、出氣管、微孔擴散器、空氣流量計、空壓機、取樣及微藻排放管。
[0009]本發(fā)明提供的利用該反應(yīng)器進行微藻培養(yǎng)的方法，營養(yǎng)液由水泵吸入液位平衡水箱，液位平衡水箱出水端通過進水管與反應(yīng)器主體下端相連通，營養(yǎng)液由液位平衡水箱自流連續(xù)進入膜微藻光生物反應(yīng)器主體，為反應(yīng)器中的微藻提供生長所需的營養(yǎng)液并使水位保持在恒定位置。反應(yīng)器主體外殼為圓柱形有機玻璃容器。反應(yīng)器主體底部裝有連通空壓機的微孔擴散器，產(chǎn)生的微小氣泡對混合液起到攪拌作用，保持藻細胞的懸浮，并為其生長提供所需的碳源，通氣量控制在0.20~0.65vvm，氣體由設(shè)置于反應(yīng)器主體外殼頂部側(cè)面的出氣管排出。反應(yīng)器中培養(yǎng)的藻液經(jīng)安裝于中間的浸沒式中空纖維膜組件實現(xiàn)原位固液分離，不含微藻的出水經(jīng)浸沒式膜組件和與其連接的恒流泵從反應(yīng)器中連續(xù)排出，微藻細胞則被中空纖維膜組件隔離而被保留在反應(yīng)器內(nèi)。反應(yīng)器中培養(yǎng)的高濃度微藻由取樣及微藻排放管定期從反應(yīng)器中排出，以實現(xiàn)微藻細胞的收獲和反應(yīng)器內(nèi)微藻的更新。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述中空纖維膜組件為圓柱形，膜組件為微濾膜或超濾膜，孔徑
0.001-0.2 U H10膜組件在反應(yīng)器中起到固液分離的效果，其作用主要在于實現(xiàn)了反應(yīng)器中水力停留時間和固體停留時間的分離，培養(yǎng)液在反應(yīng)器主體內(nèi)的停留時間控制在I~3d，微藻在反應(yīng)器主體內(nèi)的停留時間控制在10~36d。在操作過程中可根據(jù)進水含氮磷量等的水質(zhì)特點，調(diào)節(jié)進出水流量從而改變反應(yīng)器的水力負荷，達到運行的高效率。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述反應(yīng)器主體的外殼為透明有機玻璃材質(zhì)，能透射外界光源的光照，外界光源可采用熒光燈或LED燈等，均勻分布在外筒的四周并通過支架固定，保證反應(yīng)器在各個方向獲得均勻的光照，為微藻生長提供光源。反應(yīng)器外壁處的光照強度為2000-60001ux，光暗比設(shè)置為(10~14)L:(14~10)D，可有效促進微藻的生長繁殖。
[0012]上述技術(shù)方案中 ，所述微藻培養(yǎng)液可采用氮磷等營養(yǎng)鹽含量較低的城市污水二級處理出水、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水等，替代人工配制的微藻培養(yǎng)液，從而極大地降低了微藻培養(yǎng)的成本，另一方面，通過反應(yīng)器中微藻的培養(yǎng)，吸收去除了污水中大量的氮磷，并提高了出水中溶解氧的含量，有效改善了水質(zhì)。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述微藻可采用柵藻、螺旋藻、小球藻、席藻、念珠藻、色球藻等生長繁殖速率較快的藻種，最大限度發(fā)揮膜微藻光生物反應(yīng)器的運行效率。在利用含有一定量污染物質(zhì)的城市污水二級處理出水等進行微藻培養(yǎng)時，由實驗根據(jù)耐污性能、生長速率、油脂含量、氮磷去除率等指標確定柵藻和小球藻為優(yōu)選藻種。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0015]1、本發(fā)明提供的浸沒式膜微藻光生物反應(yīng)器由于能分別控制水力停留時間和微藻停留時間，相比于傳統(tǒng)光生物反應(yīng)器能以更高的水力負荷運行，因而在利用含氮磷量較低的城市污水二級處理出水、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水等進行微藻培養(yǎng)時具有突出的優(yōu)勢，處理城市污水二級處理出水時水力負荷可達到0.5~2.0m3 / (m3 ? d)，在進水氮磷濃度遠小于傳統(tǒng)微藻培養(yǎng)液的情況下，為反應(yīng)器提供的氮磷營養(yǎng)負荷仍能分別達到7.0~40.5g N /(m3 ? d)和0.6~2.3g P / (m3 ? d)，從而實現(xiàn)反應(yīng)器的高效運行。
[0016]2、本發(fā)明提供的浸沒式膜微藻光生物反應(yīng)器能實現(xiàn)在反應(yīng)器內(nèi)微藻和培養(yǎng)液的原位分離，可分別對培養(yǎng)液和微藻在反應(yīng)器中的停留時間進行控制，在加大進水流量提高反應(yīng)器營養(yǎng)鹽負荷的同時，反應(yīng)器內(nèi)的微藻不會隨出水流失，采用含氮磷量較低的城市污水二級處理出水等進行培養(yǎng)時，微藻濃度可維持在3500-6000mg / L的高水平，使單位體積反應(yīng)器具有更高的氮磷吸收速率和微藻生產(chǎn)速率。對氮的吸收速率達到4.3~10.5g N /(m3 ? d)對磷的吸收速率達到0.1~0.3g P / (m3 ? d)，微藻生產(chǎn)速率達到50~94g /(m3 ? d)。
[0017]3、應(yīng)用本發(fā)明提供的浸沒式膜微藻光生物反應(yīng)器可實現(xiàn)廢水深度凈化和微藻生物燃料生產(chǎn)的耦合，出水TN濃度可降至5mg / L以下，TP濃度可降至0.3mg / L以下，為廢水的回用提供了一種高效、低耗的水質(zhì)深度凈化技術(shù)。同時，通過實驗研究表明，在微藻培養(yǎng)方面采用低氮磷含量的廢水相比于人工配制的培養(yǎng)液不僅可以極大地節(jié)省培養(yǎng)成本，而且較低的氮磷營養(yǎng)環(huán)境有效促進了微藻細胞對油脂的積累，微藻的油脂含量可提高4%~10%。
[0018]下面結(jié)合附圖及其所對應(yīng)的【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]附圖為本發(fā)明的實現(xiàn)原位固液分離的膜微藻光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖
[0020]其中:1_反應(yīng)器主體、2-微孔擴散器、3-中空纖維膜組件、4-出氣管、5-取樣及微藻排放管、6-空氣流量計、7-空壓機、8-進水池、9-水泵、10-液位平衡水箱、11-恒流泵、12-液體流量計。
【具體實施方式】
[0021]實施例1:
[0022]參照附圖，一種實現(xiàn)原位固液分離的膜微藻光生物反應(yīng)器，進水池8中的微藻培養(yǎng)液通過水泵9進入液位平衡水箱10，液位平衡水箱10的出水端通過進水管與反應(yīng)器主體I下端相連通，從而為反應(yīng)器內(nèi)輸入微藻培養(yǎng)液并使水位保持在恒定位置。反應(yīng)器主體I外筒為透明有機玻璃材質(zhì)，上端側(cè)面設(shè)有一出氣管4，頂部設(shè)有一采樣及微藻排放管5，底部設(shè)有一微孔擴散器2，微孔擴散器2通過一空氣流量計6與空壓機7連接。反應(yīng)器主體I內(nèi)部設(shè)有一中空纖維膜組件3，并通過出水管依次連接恒流泵11和液體流量計12。
[0023]取某城市污水處理廠出水作為微藻培養(yǎng)液,水質(zhì)為NH4+-N6.1~12.5mg / L,NCV-N4.2 ~10.8mg / L, NO2^-N0.2 ~1.3mg / L, PO廣-P0.1 ~0.9mg / L, SS4.6 ~15.5mg / L，C0D25~80mg / L，pH值6.4~7.8。由進水池8通過水泵9及液位平衡水箱10進入光生物反應(yīng)器主體1，調(diào)節(jié)空氣流量計6控制由微孔擴散器2進入反應(yīng)器內(nèi)的空氣流量，使反應(yīng)器內(nèi)的微藻保持在懸浮生長狀態(tài)，通氣量控制在0.20~0.35vvm，通過恒流泵11及其連接的中空纖維膜組件3連續(xù)將反應(yīng)器內(nèi)的液體排出，中空纖維膜組件3為微濾膜，材質(zhì)為聚丙烯，孔徑0.05-0.2 u m，通過調(diào)節(jié)恒流泵11的流量使城市污水處理廠出水在反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時間控制在I~2d，對應(yīng)的水力負荷為0.5~1.0m3 / (m3 -d)。在進水氮磷濃度遠小于傳統(tǒng)微藻培養(yǎng)液的情況下，為反應(yīng)器提供的氮磷營養(yǎng)負荷仍能分別達到
9.4~18.5gN/ (m3*d)和0.3~0.9g P / (m3 ? d)，促進了反應(yīng)器內(nèi)微藻的高速繁殖。反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)的微藻由于無法通過中空纖維膜組件3而被保留在反應(yīng)器內(nèi)，從而使反應(yīng)器內(nèi)的微藻濃度不斷上升，達到利用低氮磷含量的城市污水處理廠出水培養(yǎng)高濃度微藻的效果，采用小球藻進行培養(yǎng)時微藻濃度可達到3500-6000mg / L，培養(yǎng)得到的高濃度藻液定期由取樣及微藻排放管5從反應(yīng)器中排出，以實現(xiàn)微藻細胞的收獲和反應(yīng)器內(nèi)微藻的更新。[0024]本發(fā)明所述膜微藻光生物反應(yīng)器實現(xiàn)了培養(yǎng)液和微藻的原位固液分離，即使采用上述氮磷含量較低的城市污水處理廠出水進行徽藻培養(yǎng)時單位體積反應(yīng)器對氮磷的吸收速率和微藻生產(chǎn)速率均達到較高水平。對氮的吸收速率達到5.2~7.5g N / (m3 ? d)，對磷的吸收速 率達到0.1~0.3g P / (m3 ? d),微藻生產(chǎn)速率達至Li 51~74g/ (m3 ? d),穩(wěn)定運行階段出水TN濃度小于5mg/L，出水TP濃度小于0.3mg / L，既能用于微藻的培養(yǎng)，同時也能應(yīng)用在污水的深度脫氮除磷操作中。
【權(quán)利要求】
1.一種實現(xiàn)原位固液分離的膜微藻光生物反應(yīng)器，包括頂部設(shè)有出氣管和取樣及微藻排放管的反應(yīng)器主體，所述的反應(yīng)器主體底部設(shè)有微孔擴散器并聯(lián)通空氣流量計和空壓機，其特征在于反應(yīng)器主體內(nèi)安裝有中空纖維膜組件，所述中空纖維微濾膜組件連接恒流泵和液體流量計，反應(yīng)器主體筒狀外殼外部設(shè)有液位平衡水箱，所述液位平衡水箱出水端通過進水管與反應(yīng)器主體下端相連通。
2.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)原位固液分離的膜微藻光生物反應(yīng)器，其特征在于，所述中空纖維膜組件為圓柱形，膜組件為微濾膜或超濾膜，膜組件安裝的頂端高度低于液位平衡水箱的頂端高度。
3.一種利用權(quán)力要求I所述反應(yīng)器進行微藻培養(yǎng)的方法，其特征在于微藻培養(yǎng)液經(jīng)水泵及液位平衡水箱自流連續(xù)進入反應(yīng)器主體內(nèi)，通過安裝于反應(yīng)器底部的微孔擴散器向反應(yīng)器內(nèi)提供微氣泡，反應(yīng)器中培養(yǎng)所獲得的高濃度藻液定期從取樣及微藻排放管排出，不含微藻的出水經(jīng)浸沒式膜組件和與其連接的恒流泵從反應(yīng)器中連續(xù)排出。
4.如權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于培養(yǎng)液在膜微藻光生物反應(yīng)器主體內(nèi)的停留時間控制在I~3d,微藻在膜微藻光生物反應(yīng)器主體內(nèi)的停留時間控制在10~36d。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于反應(yīng)器內(nèi)從微孔擴散器提供的通氣量控制在0.20 ~0.65vvm。
【文檔編號】C12N1/12GK103789195SQ201410027055
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月16日
【發(fā)明者】高鋒, 李晨, 金衛(wèi)紅, 鄧一兵 申請人:浙江海洋學院