专利名称：一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能源化的方法和装置。
背景技术：
化石能源短缺、水源危机及温室效应成为阻碍人类社会发展的难题，可再生且环境友好型替代能源日益受到人们的关注。我国能源短缺现象更为严重，同时，大量化石燃料的燃烧导致温室效应加剧，我国解决能源短缺与CO2排放量大的形式更为严峻。污水的能源化工艺可回收利用污水中的有机物，包括污水发酵产氢产甲烷技术、微生物燃料电池(MFC)技术和微藻生物柴油技术。
污水发酵能源化技术主要有两种，一是发酵生物制氢，二是发酵产甲烷。发酵生物制氢是通过厌氧菌对富含碳水化合物底物的水解发酵来制取氢气，其生产的气体为混合气体，含有H2、CO2和少量的CH4、CO以及H2O等，目前正在实验室研究成果向工业生产的转化过程。发酵产甲烷又称沼气发酵，是指有机物质(如人畜家禽粪便、秸杆、杂草等)在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体(沼气)的复杂的生物化学过程。沼气作为能源利用已有很长的历史，我国的沼气最初主要为农村户用沼气池，大中型沼气工程始于1936年，此后，大中型废水、养殖业污水、村镇生物质废弃物、城市垃圾沼气的建立拓宽了沼气的生产和使用范围。目前，中国沼气池的推广应用规模居世界首位。微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)是一种能够直接将污水中有机物通过微生物的作用转化为电能的电化学装置。微藻生物柴油是一种具有较大发展潜力的可再生能源，与动、植物为原料制备的生物柴油相比，它有不占用耕地、产油效率高等优点。目前，微藻生物柴油在国内外都有很大发展，产业化的进程也在逐步推进。藻类中小球藻、葡萄藻和多胞蓝藻等细胞中碳氢化合物或脂类物质含量较高，适于作为生产生物能源的原料，小球藻的培养方式灵活，既可以进行光合自养，也可以在有机碳源存在的情况下，进行异养生长。收获的藻类可以用于高营养价值产品的生产也可用作生物燃料的原料。由于石化燃料燃烧所释放的CO2被视为温室效应的主要原因，因此生物燃料的使用可以减少CO2向大气中排放量。目前国内新奥能源公司利用藻类生产生物柴油的研究已经取得中试成功。微藻作为分布最广的微生物种类之一，具有光合效率高，易培养，生长速度快，分布广，种类多等优点。不仅可以通过光合作用固定CO2，而且部分微藻种类还拥有较高的脂含量，可以用于生物柴油的制备，因此，微藻被认为是未来重要的生物能源原料之一。含CO2的废气可以被用于微藻的规模化培养，既减少了的CO2排放量，又促进了微藻的生长。同时，人类生活会产生大量废水，造成了严重的环境问题，部分藻类可以利用废水中的有机物进行异养生长，因此，利用市政废水及含有CO2的废气培养微藻，既能实现废气和废水耦合低碳排，又能收集微藻的油脂作为生物柴油的原料实现能源化，从而降低微藻生物柴油的成本，并实现了废水废气的资源化。
发明内容
本发明是为了解决生活污水处理过程中碳回收率低、CO2固定率低和微藻油脂成本高的问题，而提供了一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法和装置。一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法按以下步骤实现一、取污水处理厂一级处理后的废水进行灭菌预处理，然后导入反应器中，将微藻以体积比为10% 50%的接种量接种于反应器中的废水中，得混合液；二、将废气通入混合液中，进行培养微藻，同时将反应器内培养微藻过程中的余气排出并且收集；三、将步骤二中收集的余气与进气混合后重新通入反应器中的混合液中，当微藻培养至OD658值基本稳定即进入稳定期后，将混合液排出，并收集混合液中的微藻，将收集得到的微藻脱水至微藻恒重后，对微藻进行油脂提取，即完成废气和废水耦合低碳排能源化。 一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法所利用的一种废气和废水耦合低碳排能源化的装置是由反应器主体、进液管、出液管、盖、进气管、布气装置、出气管和热传感器构成，其中进液管设置在反应器主体下端，在与进液管相对的反应器主体下端设有出液口，在反应器主体的顶部设有盖，盖上部设进气管和出气管，进气管与设置在反应器主体底部的布气装置连接，在反应器主体内设置热传感器。本发明的有益效果如下微藻被认为是未来重要的生物能源原料之一，本发明利用微藻这一特点，能够在实现废气和废水耦合低碳排的同时获得微藻生物质，并从中提取油脂作为生物柴油的原料。利用微藻对废气和废水耦合低碳排能源化的方法既减少了的CO2排放量，又促进了微藻的生长。同时，人类生活会产生大量废水，造成了严重的环境问题。部分藻类可以利用废水中的有机物进行异养生长，因此，利用市政废水及废气培养微藻，既能实现废气和废水耦合低碳排，又能收集微藻的油脂作为生物柴油的原料实现能源化，从而降低微藻生物柴油的成本，并实现了废水废气的资源化。本发明利用废气和废水耦合低碳排能源化的方法，结果表明当废气通入速率不同时，对小球藻固定废气中的无机碳含量的影响不同，收集的微藻油脂含量也会不同。本发明解决了生活污水处理过程碳回收率低、CO2固定率低和微藻油脂成本高的问题。本发明对COD可以满足污水综合排放标准(GB8978-2002)的二级标准。本发明耐冲击负荷大，适用于进水流量变化较大的地区。产生的微藻生物质收集后，可以提取油脂，将油脂作为生物柴油的生产原料，并可将提取油脂后的剩余物进行厌氧发酵生产沼气或乙醇,真正达到废物的资源化。
图I为试验一中所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的装置示意图；其中I为反应器主体，2为进液管,3为出液管,4为盖,5为进气管,6为布气装置,7为出气管和8为热传感器；图2为试验一中小球藻的生长曲线图，其中，^_为通气速率为O. 05vvm的小球藻的生长曲线，^ 一为通气速率为O. Ivvm的小球藻的生长曲线，▲ 为通气速率为O. 2vvm的小球藻的生长曲线一为通气速率为O. 3vvm的小球藻的生长曲线；——鐵——为通气速率为O. 4vvm的小球藻的生长曲线；图3为试验一中CO2的固定曲线图，其中，_■_为通气速率为O. 05vvm的CO2的固定率曲线图，^为通气速率为O. Ivvm的CO2的固定率曲线，^邊^为通气速率为O. 2vvm的CO2的固定率曲线,I吣为通气速率为O. 3vvm的CO2的固定率曲线，~为通气速率为O. 4vvm的CO2的固定率曲线；图4为试验一中生活污水COD去除情况曲线图，其中，为通气速率为O. 05vvm的生活污水COD去除率曲线，^为通气速率为O. Ivvm的生活污水COD去除率曲线，，*^为通气速率为O. 2vvm的生活污水COD去除率曲线，^为通气速率为O. 3vvm的生活污水COD去除率曲线，^~为通气速率为O. 4vvm的生活污水COD去除率曲线；
图5为试验一中废水中有机碳及无机碳的固定情况柱状图，其中，^为生活污水中有机碳的含量，czi为烟道气中无机碳的含量；
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式中一种废气和废水稱合低碳排能源化的方法是按以下步骤实现的一、取污水处理厂一级处理后的废水进行灭菌预处理，然后导入反应器中，将微藻以体积比为10% 50%的接种量接种于反应器中的废水中，得混合液；二、将废气通入混合液中，进行培养微藻，同时将反应器内培养微藻过程中的余气排出并且收集；三、将步骤二中收集的余气与进气混合后重新通入反应器中的混合液中，当微藻培养至OD658值基本稳定即进入稳定期后，将混合液排出，并收集混合液中的微藻，将收集得到的微藻脱水至微藻恒重后，对微藻进行油脂提取，即完成废气和废水耦合低碳排能源化。本发明的有益效果如下微藻被认为是未来重要的生物能源原料之一，本发明利用微藻这一特点，能够在实现废气和废水耦合低碳排的同时获得微藻生物质，并从中提取油脂作为生物柴油的原料。利用微藻对废气和废水耦合低碳排能源化的方法既减少了的CO2排放量，又促进了微藻的生长。同时，人类生活会产生大量废水，造成了严重的环境问题。部分藻类可以利用废水中的有机物进行异养生长，因此，利用市政废水及废气培养微藻，既能实现废气和废水耦合低碳排，又能收集微藻的油脂作为生物柴油的原料实现能源化，从而降低微藻生物柴油的成本，并实现了废水废气的资源化。本发明利用废气和废水耦合低碳排能源化的方法，结果表明当废气通入速率不同时，对小球藻固定废气中的无机碳含量的影响不同，收集的微藻油脂含量也会不同。本发明解决了生活污水处理过程碳回收率低、CO2固定率低和微藻油脂成本高的问题。本发明对COD可以满足污水综合排放标准(GB8978-2002)的二级标准。本发明耐冲击负荷大，适用于进水流量变化较大的地区。产生的微藻生物质收集后，可以提取油脂，将油脂作为生物柴油的生产原料，并可将提取油脂后的剩余物进行厌氧发酵生产沼气或乙醇,真正达到废物的资源化。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中所述的废水为生活污水、啤酒废水、糖蜜废水或工业废水。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤一中所述的灭菌处理为高压蒸汽灭菌、次氯酸钙灭菌、Cl2灭菌、二氧化氯灭菌、臭氧灭菌或紫外线灭菌。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是步骤一中所述的反应器为平板式光生物反应器、管道式生物反应器、薄膜袋光生物反应器或以透明材料覆盖的藻类塘。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是所述的微藻 为小球藻、栅藻、盐藻、纤维藻、葡萄藻、鞘藻或螺旋藻。其它步骤及参数与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤二中的进气是分别以O. 05vvm、0. lvvm、0. 2vvm、0. 3vvm或O. 4vvm的通气速率通入反应器的。其它
步骤及参数与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤二中所述的废气为烟道气、含CO2的工业废气、空气或体积百分比含量为5%的CO2和95%的空气混合而成的。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤二中是在温度为20° (Γ40° C，光照强度为IOOOlx 200001χ，光暗周期比为8 24 :16和混合液pH为5、的条件下培养微藻的。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤三中的微藻脱水方式为废气的余热、日照或加热至25 4(TC至微藻恒重。其它步骤及参数与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至九之一不同的是废水的预处理方法是过滤、混凝沉淀、气浮或以上工艺的组合。其它步骤及参数与具体实施方式
一至九之一相同。
具体实施方式
十一(请参考附图I)本实施方式的一种废气和废水耦合低碳排能源化的装置是由反应器主体I、进液管2、出液管3、盖4、进气管5、布气装置6、出气管7和热传感器8构成，其中进液管2设置在反应器主体I下端，在与进液管2相对的反应器主体I下端设有出液口 3，在反应器主体I的顶部设有盖4，盖4上部设进气管5和出气管7，进气管5与设置在反应器主体I底部的布气装置6连接，在反应器主体I内设置热传感器8。用以下试验验证本发明的有益效果试验一本实验的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法是按照以下步骤进行的—、取污水处理厂的一级处理后的生活污水进行高压蒸汽灭菌预处理，然后导入具体实施方式
十一所述的废气和废水耦合低碳排能源化的装置的反应器主体I中，将小球藻以10%的接种量接种于反应器主体I中的生活污水中，得混合液，此时小球藻的OD值为O.15g/L ；二、将 5 % C02+95 % 的空气混合气分别以 O. 05vvm>0. lvvm>0. 2vvm>0. 3vvm 或0. 4vvm的通气速率经进气管5和布气装置6不断通入混合液中即进气，然后在温度为30°C，光照强度为25001x，光照与黑暗时间分别为12h，混合液pH为7的条件下培养小球藻，同时将反应器主体I内培养微藻过程中的余气通过出气管7排出并且收集；三、将步骤二中收集的余气与进气混合后重新通入反应器主体I中的混合液中，剩余气体排出，将小球藻培养至稳定期，即此时细胞密度在O. 3^0. 6g/L左右，培养小球藻的出水通过出液管3排出并且采用混凝-气浮法收集小球藻，将收集得到的小球藻经日照15h进行脱水至恒重后，直接对小球藻进行油脂提取，即完成烟道气和废水耦合低碳排能源化；本实施方式中所述的一级处理后的生活污水是指经过格栅、沉淀、稀释和调节pH处理后的生活污水；
步骤二中排出的废气经过气相色谱测定，二氧化碳含量为2% ^4% ；藻细胞脂含量测定采用改进的Bligh方法进行I)取烘干后的藻，于玛瑙研钵中进行研磨，研磨成细粉；2)精确称量藻粉质量m。后，向藻粉中加入O. 8mL蒸馏水，再加入ImL氯仿和2mL甲醇，振荡2min后,超声破碎2min ；3)再向溶液中加入Iml氯仿振荡lmin，加入Iml蒸馏水，再振荡lmin，然后在4000rpm/min的转速下离心IOmin ；4)离心后，取氯仿相转移到已称重(mQ)的试管中，再向原管中加入2mL氯仿，振荡Imin后,在4000rpm/min的转速下离心IOmin,将氯仿相转移到已称重(m2)的试管中，重复两次；5)将三次转移的氯仿相通过氮吹到质量恒定，称重得到Hi1,并根据公式2-3计算藻细胞脂含量。
油脂含量(％) = ^I^Lxl00%(2-3)
mc式中Hi1——带有油脂的试管重(g)；m0-试管空重(g);mc——藻粉质量(g);油脂产率可由下式计算油脂产率(mg/d) =油脂含量(％) X藻干重XlO (mgL) (2-4)本实验得到的小球藻密度、脂产率、脂含量与通气速率的关系如图2和表I所示，由图2及表I可知，通气速率对小球藻的密度及脂含量产生显著的影响。由表I可知，通气速率为O. lvvm、0. 2vvm、0. 3vvm或O. 4vvm时，小球藻密度较高，微藻生长速度较快，而O. 05vvm的通气速率时小球藻密度较慢,微藻生长速度较慢。结合表I结果可知，相比于其他四组，通气速率为O. 3vvm时,微藻生长最快,最终藻密度为O. 53g/L。通气速率为O. Ivvm时，小球藻脂含量最高，达到14. 12%，脂产率为59. 15mg/L，通气速率为O. 2vvm时，小球藻脂产率最大，达到63. 41mg/L,脂含量为14. 09%。
由图3可知，随通气速率的增加，小球藻对CO2的固定率减小，通气速率为O. 05vvm时，CO2平均固定率最大，为33. 25%。通气速率O. lvvm、0. 2vvm、0. 3vvm或O. 4vvm时CO2平均固定率为14.31% 24. 61%。由图4 可知，通气速率在 O. 05vvm、0. lvvm、0. 2vvm、0. 3vvm 或 0. 4vvm 时，最终 COD含量在100以下，符合污水综合排放标准二级标准。图5为小球藻对生活污水中的有机碳及烟道气中的无机碳的固定情况。通气速率在O. 05vvm、0. lvvm、0. 2vvm、0. 3vvm或0. 4vvm时，小球藻从生活污水固定的有机碳含量范围为37. 1Γ40. 97mg/L，小球藻固定的烟道气中的无机碳含量范围为115. 40^249. 70mg/L。与已有单纯的废气处理或者废水处理相比，本方法在实现低碳排的同时获得微藻生物质，并从中提取油脂作为生物柴油的原料，解决了生活污水处理过程碳回收率低、CO2固定率低和微藻油脂成本高的问题。 表I小球藻生长及油脂积累
权利要求
1.一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于对废气和废水耦合低碳排能源化的方法按以下步骤实现 一、取污水处理厂一级处理后的废水进行灭菌预处理，然后导入反应器中，将微藻以体积比为10% 50%的接种量接种于反应器中的废水中，得混合液； 二、将废气通入混合液中即进气，进行培养微藻，同时将反应器内培养微藻过程中的余气排出并且收集； 三、将步骤二中收集的余气与进气混合后重新通入反应器中的混合液中，当微藻培养至OD658值基本稳定即进入稳定期后，将混合液排出，并收集混合液中的微藻，将收集得到的微藻脱水至微藻恒重后，对微藻进行油脂提取，即完成废气和废水耦合低碳排能源化。
2.根据权利要求I所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤一中所述的废水为生活污水、啤酒废水、糖蜜废水或工业废水。
3.根据权利要求I所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤一中所述的灭菌预处理为高压蒸汽灭菌、次氯酸钙灭菌、Ci2灭菌、二氧化氯灭菌、臭氧灭菌或紫外线灭菌。
4.根据权利要求I所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤一中所述的反应器为平板式光生物反应器、管道式生物反应器、薄膜袋光生物反应器或以透明材料覆盖的藻类塘。
5.根据权利要求I所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于所述的微藻为小球藻、栅藻、盐藻、纤维藻、葡萄藻、鞘藻或螺旋藻。
6.根据权利要求I所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤二中的进气是分别以O. 05vvm、0. lvvm、0. 2vvm、0. 3vvm或0. 4vvm的通气速率通入反应器的。
7.根据权利要求I所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤二中所述的废气为烟道气、含CO2的工业废气、空气或体积百分比含量为5%的CO2和95%的空气混合而成的。
8.根据权利要求I所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤二中的培养微藻是在温度为20° (Γ40° C，光照强度为ΙΟΟΟΙχ 200001χ，光暗周期比为8^24 16和混合液pH为5、的条件下进行的。
9.根据权利要求I所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤三中的微藻脱水方式为废气的余热、日照或加热至25 40°C至微藻恒重。
10.一种废气和废水耦合低碳排能源化的装置，其特征在于利用废气和废水耦合低碳排能源化的装置是由反应器主体(I)、进液管(2)、出液管(3)、盖(4)、进气管(5)、布气装置(6)、出气管(7)和热传感器(8)构成，其中进液管(2)设置在反应器主体(I)下端，在与进液管(2)相对的反应器主体(I)下端设有出液管(3)，在反应器主体(I)的顶部设有盖(4)，盖(4)上部设进气管(5)和出气管(7)，进气管(5)与设置在反应器主体(I)底部的布气装置(6 )连接，在反应器主体(I)内设置热传感器(8 )。
全文摘要
一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法和装置，本发明涉及一种能源化的方法和装置。本发明是为了解决废水处理过程中碳回收率低、CO2固定率低和微藻油脂成本高的问题。方法(1)将经过一级处理的废水进行高压蒸汽灭菌预处理，然后导入反应器中，接种微藻培养液；(2)向反应器中通入废气，培养微藻；(3)收集培养后的微藻，将微藻经脱水至恒重后，对微藻进行油脂提取，即完成废气和废水耦合低碳排能源化。本方法所利用的一种废气和废水耦合低碳排能源化的装置是由反应器主体、进液管、出液管、盖、进气管、布气装置、出气管和热传感器构成。本发明应用于废气和废水耦合低碳能源化的领域。
文档编号C12M1/04GK102815839SQ20121030775
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者冯玉杰, 初晓婉, 李超, 于艳玲, 张大伟, 仪超 申请人:哈尔滨工业大学