專利名稱：利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水污染控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物
油的裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著人類經(jīng)濟活動的發(fā)展，氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量排入水體，并產(chǎn)生積累、富集，引起水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致藻類(主要為藍(lán)藻、綠藻)異常繁殖，使水質(zhì)迅速惡化?？刂频走M(jìn)入水體，是防止水體富營養(yǎng)化的根本措施。國內(nèi)外大量研究表明，常規(guī)污水處理工藝雖然能夠去除污水中大部分有機和無機污染物，但對氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果較差。化學(xué)法的除磷效果良好，但化學(xué)藥劑成本高，產(chǎn)生的污泥難以處理。近年來利用藻細(xì)胞去除污水中氮磷的研究吸引了越來越多的關(guān)注。在藻種篩選的基礎(chǔ)上，構(gòu)建經(jīng)濟高效脫氮除磷的微藻光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，對于防止水體富營養(yǎng)化具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置及方法。
利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置，其特征在于該裝置主體為氣升式柱式光生物反應(yīng)器，在氣升式柱式光生物反應(yīng)器內(nèi)接種含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種，曝氣裝置與氣升式柱式光生物反應(yīng)器相連接，污水進(jìn)水裝置經(jīng)混合罐與氣升式柱式光生物反應(yīng)器相連接，氣升式柱式光生物反應(yīng)器與膜分離裝置相連，通過膜的截留作用獲得處理后的污水(低氮磷含量的三級處理出水)，濃縮得到的濃藻液分為兩部分， 一部分收獲， 一部分回流，回流濃藻液經(jīng)混合罐進(jìn)入氣升式柱式光生物反應(yīng)器，通過調(diào)整回流比控制氣升式柱式光生物反應(yīng)器內(nèi)的藻細(xì)胞密度，收獲的濃藻液用于制備生物油。 所述氣升式柱式光生物反應(yīng)器采用LED紅藍(lán)光光源、太陽光源，或者太陽光源配合使用LED(Light Emitting Diode)紅藍(lán)光光源三者中的任意一種。LED紅藍(lán)光光源中，紅光優(yōu)選波長在590 710nm，藍(lán)光優(yōu)選波長在380 510nm。 一般情況下，LED紅藍(lán)光光源用于增加總光照強度，以及用于延長光照培養(yǎng)時間，LED紅藍(lán)光光源的使用可提高藻細(xì)胞生長速率及氮磷去除速率。 所述曝氣裝置由空氣泵和壓縮(A罐組成，向氣升式柱式光生物反應(yīng)器提供含5%(體積百分比)C02的空氣。 采用上述的裝置利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的方法，其特征在于利用污水二級處理出水培養(yǎng)微藻，向氣升式柱式光生物反應(yīng)器中接種含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種，在含5% (體積百分比)(A的空氣曝氣以及光照條件下，通過藻細(xì)胞的光合作用吸收氮磷，降低污水中的氮磷濃度，通過膜分離裝置將藻細(xì)胞截留，獲得三級處理出水，濃縮得到的濃藻液分為兩部分，一部分收獲，一部分回流，回流的濃藻液進(jìn)入氣升式柱式光生物反應(yīng)器，通過調(diào)整回流比控制氣升式柱式光生物反應(yīng)器內(nèi)的藻細(xì)胞密度，收獲的濃藻液通過進(jìn)一步濃縮、油脂提取及酯交換反應(yīng)，制備生物油。
所述污水二級處理出水為污水二級處理工藝的二沉池出水。 所述光照條件中，總光照強度為1000 14001ux，光暗比為12h : 12h 14h : 10h。 所述光照條件中，采用LED紅藍(lán)光光源、太陽光源，或者太陽光源配合使用LED紅 藍(lán)光光源三者中的任意一種。
所述紅藍(lán)光光源的紅光藍(lán)光光照強度之比的范圍為i : l到5 : i。 所述含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種的接種密度為1 X 105 10X 105個 mL—、
所述含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種為淡水柵藻Scenedesmus sp. LX1 (藻種保藏號為 CGMCC 3036)。 利用微藻深度處理污水耦合生物油生產(chǎn)的方法的具體步驟為 (1)向光生物反應(yīng)器中接種柵藻藻種，初始接種密度為1X105 10X1()S個*mL—1 ; (2)在光照條件(總光照強度為1000 4001ux，光暗比為12h : 12h 14h : 10h，
采用LED紅藍(lán)光光源、太陽光源，或者太陽光源配合使用LED紅藍(lán)光光源三者中的任意一
種，LED紅藍(lán)光光源中，紅藍(lán)光光源的紅光藍(lán)光光照強度之比的范圍為1 : l到5 : l，優(yōu)選
的紅光藍(lán)光光照強度之比為5 : 1)下，光生物反應(yīng)器內(nèi)的藻細(xì)胞生長速率及氮磷去除速率
均得到促進(jìn)，污水二級處理出水中的氮磷最大去除率可達(dá)97% 98% ; (3)系統(tǒng)通過膜分離裝置及濃藻液回流的方式增大反應(yīng)器內(nèi)的藻細(xì)胞密度，可提
高氮磷去除速率； (4)通過膜分離裝置將藻細(xì)胞截留，從而最終獲得低氮磷含量的三級處理出水；
(5)分離收獲的濃藻液通過進(jìn)一步濃縮、油脂提取及酯交換反應(yīng)，制備生物油；
所述利用微藻深度處理污水耦合生物油生產(chǎn)的方法的處理對象為污水二級處理 工藝的二沉池出水。 本發(fā)明的有益效果為微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的方法中的柵藻 (Scenedesmus sp. LX1)為脫氮除磷優(yōu)勢藻種，在曝氣以及光照條件下，通過藻細(xì)胞的光合 作用吸收氮磷，降低污水中的氮磷濃度，采用LED紅藍(lán)光光源，可提高藻細(xì)胞生長速率及氮 磷去除速率，采用膜分離及濃藻液回流的方式，可提高反應(yīng)器內(nèi)的藻細(xì)胞密度和氮磷去除 速率，得到低氮磷含量的三級處理出水，從而降低污水廠出水排放到景觀水體后爆發(fā)水華 的風(fēng)險，可應(yīng)用于污水的深度處理。同時分離收獲的濃藻液可通過進(jìn)一步濃縮、油脂提取及 酯交換反應(yīng)制備生物油，以污水為資源生產(chǎn)生物能源。


圖1柵藻LX1在白光及LED紅藍(lán)光光照條件下的生長情況對比；
圖2柵藻LX1在白光及LED紅藍(lán)光光照條件下的氮磷去除情況對比；
圖3柵藻LX1在實際城市生活污水二級處理出水中的生長情況；
圖4利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置示意圖； 圖中標(biāo)號1、污水進(jìn)水裝置；2、混合罐；3、氣升式柱式光生物反應(yīng)器；4、 LED紅藍(lán) 光光源；5、曝氣裝置；6、膜分離裝置；7、生物油。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明
實施例1 向人工配置的培養(yǎng)基(總氮和總磷分別為15mg L—1和1. 5mg L—、其余組分同稀 釋50%的BG11培養(yǎng)基)中接種柵藻LX1，初始接種密度約為6X 105個*mL—、在白光和LED 不同比例紅藍(lán)光(光暗比14h : 10h、光照強度14001ux)的條件下培養(yǎng)。
藻細(xì)胞葉綠素主要吸收自然光中的紅光及藍(lán)光用于光合作用，因此在同等光照強 度下，以LED紅藍(lán)光為光源，柵藻LX1的生長速率可得到明顯促進(jìn)。從接種后第l天開始，柵 藻LX1的藻細(xì)胞密度即明顯高于以白光為光源時的情況，直至藻細(xì)胞生長進(jìn)入穩(wěn)定期。以 白光為光源，柵藻LX1生長至第14天左右進(jìn)入穩(wěn)定期；以LED紅藍(lán)光為光源，由于生長速率 得到了促進(jìn)，柵藻LX1生長至第10天左右即進(jìn)入穩(wěn)定期(圖1)。
實施例2 柵藻LX1培養(yǎng)條件及光照條件同實施例1。 由于在LED紅藍(lán)光光源下柵藻LX1的生長速率得到了促進(jìn)(實施例1)，因此藻細(xì) 胞去除氮磷的速率也會得到明顯提高。在LED紅藍(lán)光光源下，從接種后第l天開始，培養(yǎng)基 中的總氮含量即明顯低于以白光為光源時的情況，直至培養(yǎng)基中的總氮幾乎完全被去除。 以白光為光源，培養(yǎng)至第12天左右總氮去除率可達(dá)97%;以LED紅藍(lán)光為光源，培養(yǎng)至第9 天左右總氮去除率即可達(dá)97% (圖2(a))。 在LED紅藍(lán)光光源下柵藻LX1對總磷去除的促進(jìn)與總氮相似。以白光為光源，培 養(yǎng)6天后總磷的去除率為98% ;以LED紅藍(lán)光為光源，培養(yǎng)至第2天總磷的去除率即可達(dá) 到98% (圖2(b))。
實施例3 以某城市生活污水處理廠的二沉池出水為培養(yǎng)基，直接(二級處理出水不過濾、不滅 菌)培養(yǎng)柵藻LX1， 二級處理出水的水質(zhì)條件如表1所示，培養(yǎng)條件為白光光照強度14001ux、 光暗比14h : 10h、溫度25t:、相對濕度75X。柵藻LX1的初始接種密度為5Xl(f個'mL—、表l水質(zhì)指標(biāo)指標(biāo)值總氮(mg L-022. 2±0. 2氨氮(mg L-0未檢出總磷(mg L—00. 48±0. 02CODCr (mg L—015. 6±3. 2懸浮物(mg L-06. 2±0. 8pH7. 04濁度(NTU)1. 08 柵藻LX1的生長在整個培養(yǎng)過程沒有受到雜菌或雜藻的污染，培養(yǎng)至第8天左右 柵藻LX1的生長進(jìn)入穩(wěn)定期，最大藻細(xì)胞密度約為2 X 108個 mL—1 (圖3)。
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培養(yǎng)10天后，柵藻LX1對總氮和總磷的去除率分別為41. 4% (磷源相對不足導(dǎo)致 總氮去除率較低)和99 % ，藻細(xì)胞生物量為0. 26g L—1 (干重)，油脂產(chǎn)量為85mg L—1 (干 重)，單位藻細(xì)胞油脂百分含量為33 % 。
實施例4 利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置，該裝置示意圖如圖4所示，該裝 置主體為氣升式柱式光生物反應(yīng)器3，在氣升式柱式光生物反應(yīng)器3內(nèi)接種含油脂的脫氮 除磷優(yōu)勢藻種，曝氣裝置5與氣升式柱式光生物反應(yīng)器3相連接，污水進(jìn)水裝置1經(jīng)混合罐 2與氣升式柱式光生物反應(yīng)器3相連接，氣升式柱式光生物反應(yīng)器3與膜分離裝置6相連， 通過膜的截留作用獲得處理后的污水，濃縮得到的濃藻液分為兩部分， 一部分收獲， 一部分 回流，回流濃藻液經(jīng)混合罐2進(jìn)入氣升式柱式光生物反應(yīng)器3，通過調(diào)整回流比控制氣升式 柱式光生物反應(yīng)器3內(nèi)的藻細(xì)胞密度，收獲的濃藻液用于制備生物油7。
所述氣升式柱式光生物反應(yīng)器3采用LED紅藍(lán)光光源4、太陽光源，或者太陽光源 配合使用LED紅藍(lán)光光源4三者中的任意一種。 所述曝氣裝置5由空氣泵和壓縮C02罐組成，向氣升式柱式光生物反應(yīng)器3提供 含5% (體積百分比)(A的空氣。 上述利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置處理對象為污水二級處理工
藝的二沉池出水。 實施例5 利用實施例4所述的微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置處理污水二級
處理工藝的二沉池出水，利用污水二沉池出水培養(yǎng)微藻，向氣升式柱式光生物反應(yīng)器中
接種含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種，含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種為淡水柵藻Scenedesmus
sp丄Xl(藻種保藏號為CGMCC 3036)，在含5% (體積百分比)C02的空氣曝氣以及太陽光源
照射配合使用LED (Light Emitting Diode)紅藍(lán)光光源的條件下，通過藻細(xì)胞的光合作用
吸收氮磷，降低污水中的氮磷濃度，通過膜分離裝置將藻細(xì)胞截留，獲得低氮磷含量的三級
處理出水，濃縮得到的濃藻液分為兩部分， 一部分收獲， 一部分回流，回流的濃藻液進(jìn)入氣
升式柱式光生物反應(yīng)器，通過調(diào)整回流比控制氣升式柱式光生物反應(yīng)器內(nèi)的藻細(xì)胞密度，
收獲的濃藻液通過進(jìn)一步濃縮、油脂提取及酯交換反應(yīng)，制備生物油。 利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置中的主要設(shè)備說明如下 ①污水進(jìn)水裝置，進(jìn)水流量2L min—1 ; ②混合灌，用于進(jìn)水與回流藻液的混合，內(nèi)徑D = 400mm，高度H = 350mm，水力停 留時間HRT = 10min ; ③氣升式柱式光生物反應(yīng)器，總?cè)莘eV = 700L，單個柱式反應(yīng)器的內(nèi)徑D = 300mm，高度H = 2200mm，水力停留時間HRT = 10h ; ④光照條件為太陽光源配合使用LED紅藍(lán)光光源4，總光照強度14001ux，光暗比 14h : 10h，LED紅藍(lán)光光源的紅光藍(lán)光光照強度之比為5 : 1; ⑤曝氣(含5% C02的空氣)裝置，根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)的藻細(xì)胞密度調(diào)節(jié)曝氣量；
⑥膜分離裝置，總?cè)莘eV二210L，內(nèi)徑D二 500mm，高度H二 1400mm，水力停留時間 HRT = lh，通過膜的截留作用可獲得低氮磷含量的清水，濃縮得到的濃藻液一部分收獲，一 部分回流，通過調(diào)整回流比可以控制反應(yīng)器內(nèi)的藻細(xì)胞密度；
⑦濃藻液進(jìn)一步濃縮、油脂提取及酯交換反應(yīng)，制備生物油。 實施例6 除了LED紅藍(lán)光光源的紅光藍(lán)光光照強度之比為4 : 1夕卜，其余與實施例5相同。 實施例7 除了LED紅藍(lán)光光源的紅光藍(lán)光光照強度之比為3 : 1夕卜，其余與實施例5相同。
權(quán)利要求
利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置，其特征在于該裝置主體為氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)，在氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)內(nèi)接種含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種，曝氣裝置(5)與氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)相連接，污水進(jìn)水裝置(1)經(jīng)混合罐(2)與氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)相連接，氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)與膜分離裝置(6)相連，通過膜的截留作用獲得處理后的污水，濃縮得到的濃藻液分為兩部分，一部分收獲，一部分回流，回流濃藻液經(jīng)混合罐(2)進(jìn)入氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)，通過調(diào)整回流比控制氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)內(nèi)的藻細(xì)胞密度，收獲的濃藻液用于制備生物油(7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置，其特征在于所述氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)采用LED紅藍(lán)光光源(4)、太陽光源，或者太陽光源配合使用LED紅藍(lán)光光源(4)三者中的任意一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置，其特征在于所述曝氣裝置(5)由空氣泵和壓縮C02罐組成，向氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)提供含5% (體積百分比)C02的空氣。
4. 采用權(quán)利要求1所述的裝置利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的方法，其特征在于利用污水二級處理出水培養(yǎng)微藻，向氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)中接種含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種，在含5% (體積百分比)(A的空氣曝氣以及光照條件下，通過藻細(xì)胞的光合作用吸收氮磷，降低污水二級處理出水中的氮磷濃度，通過膜分離裝置(6)將藻細(xì)胞截留，獲得三級處理出水，濃縮得到的濃藻液分為兩部分， 一部分收獲， 一部分回流，回流的濃藻液進(jìn)入氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)，通過調(diào)整回流比控制氣升式柱式光生物反應(yīng)器(3)內(nèi)的藻細(xì)胞密度，收獲的濃藻液通過進(jìn)一步濃縮、油脂提取及酯交換反應(yīng)，制備生物油。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用微藻深度處理污水耦合生物油生產(chǎn)的方法，其特征在于所述污水二級處理出水為污水二級處理工藝的二沉池出水。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用微藻深度處理污水耦合生物油生產(chǎn)的方法，其特征在于所述光照條件中，總光照強度為1000 14001ux，光暗比為12h : 12h 14h : 10h。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用微藻深度處理污水耦合生物油生產(chǎn)的方法，其特征在于所述光照條件中，采用LED紅藍(lán)光光源(4)、太陽光源，或者太陽光源配合使用LED紅藍(lán)光光源(4)三者中的任意一種。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用微藻深度處理污水耦合生物油生產(chǎn)的方法，其特征在于所述紅藍(lán)光光源的紅光藍(lán)光光照強度之比的范圍為l : l到5 : 1。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用微藻深度處理污水耦合生物油生產(chǎn)的方法，其特征在于所述含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種的接種密度為1 X 105 10X 105個 mL—、
10. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用微藻深度處理污水耦合生物油生產(chǎn)的方法，其特征在于所述含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種為淡水柵藻Scenedesmus sp. LX1 (藻種保藏號為CGMCC 3036)。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于水污染控制技術(shù)領(lǐng)域的利用微藻深度處理污水耦合生產(chǎn)生物油的裝置及方法。在污水二級處理后增加該裝置，通過藻細(xì)胞的光合作用吸收氮磷等營養(yǎng)元素，可進(jìn)一步降低污水二級處理出水中的氮磷濃度，從而降低污水廠出水排放到景觀水體后爆發(fā)水華的風(fēng)險，可應(yīng)用于污水的深度處理。以柵藻(Scenedesmus sp.LX1)為含油脂的脫氮除磷優(yōu)勢藻種，采用LED紅藍(lán)光光源，可提高藻細(xì)胞生長速率及氮磷去除速率；采用膜分離及濃藻液回流的方式，可提高反應(yīng)器內(nèi)的藻密度及氮磷去除速率。同時，分離收獲的濃藻液可進(jìn)一步提取油脂，以污水為資源生產(chǎn)生物油。本方法具有氮磷去除效果好、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點。
文檔編號C02F1/30GK101767893SQ20101011183
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者李鑫, 稻垣靖史, 胡洪營, 蘇貞峰, 野口勉 申請人:清華大學(xué);索尼公司