专利名称：一种利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统及方法
技术领域：
本发明涉及环境工程及生物能源技术领域，更具体地，涉及光生物反应器技术领域，特别是指一种利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统及方法。
背景技术：
当今，能源紧缺，环境污染和粮食不足是三大世界难题。微藻在解决上述难题中具有非常重要的作用。微藻是一种能进行光合自养的微生物，具有高效的光利用率，以及快速高效地从环境中吸取营养物质(如CO2、氮、磷等)并转化成有机化合物的能力，在生态系统中处于初级生产者，在整个物质循环中作用巨大，生产效率高，发展前景诱人。微藻培养只需要一些简单的营养，铵盐或硝酸盐，磷酸盐及一些微量金属元素，最重要的是还需要大量的co2。而且微藻也可应用到环境工程中，进行污水处理来帮助净化水。微藻能够降低污水中导致富营养化的物质的浓度，如硝酸盐、磷酸盐等。另外，微藻还对重金属具有很强的吸收能力，还能进行重金属或放射性物质的富集从而达到清除效果。且微藻富含油脂、蛋白质、碳水化合物、微量元素及其它生物活性物质，因而其不仅可作为饵料，且是食品和生物能源的主要来源之一。当前，环境污染严重，大量的污水得不到有效的处理，工厂产生大量的CO2温室气体得不到处理。藻类培养对于污水处理、(X)2减排及清洁生物能源生产与利用方面的重要作用、以及改善生态环境的重大意义，使微藻的研究与开发成为目前最热门的研究与应用领域之一。虽然微藻具有较高的环境和经济价值，但是真正要实现微藻产业化经济性利用，仍受限于微藻工业化规模培养的光生物反应器的研制。为了解决存在的上述问题，需要提供一种利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，在污水处理的同时，实现生产生物能源与其他副产品(如，蛋白质、化妆品原料及动物饲料等)，降低生产成本，可达到废物资源的综合利用，实现节能减排的绿色生产，适用从实验室到工业规模化微藻培养。
发明内容
本发明的主要目的就是针对以上存在的问题与不足，提供一种利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统和方法，在污水处理的同时，实现生产生物能源与其他副产品(如， 蛋白质、化妆品原料及动物饲料等)，降低生产成本，可达到废物资源的综合利用，实现节能减排的绿色生产，适用从实验室到工业规模化微藻培养，设计巧妙独特，适于大规模推广应用。在本发明的第一方面，提供了一种利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特点是，包括光生物反应器、第一光源装置、CO2供气装置、积油罐、第二光源装置、污水沉淀池、藻液混合罐、第一藻液分离装置和第二藻液分离装置，所述第一光源装置设置在所述光生物反应器中，所述第二光源装置设置在所述积油罐中，所述CO2供气装置分别气路连接所述光生物反应器和所述积油罐，所述污水沉淀池管路连接所述积油罐并通过所述藻液混合罐管路连接所述光生物反应器，所述光生物反应器通过所述第一藻液分离装置分别管路连接所述藻液混合罐和所述积油罐，所述积油罐管路连接所述第二藻液分离装置。为了更好地分散通入的(X)2气体，较佳地，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括至少一个(X)2气体分布器，所述(X)2气体分布器设置在所述光生物反应器内并与位于所述光生物反应器外的所述(X)2供气装置管路连接。所述(X)2气体分布器可以采用任何合适的形状，更佳地，所述(X)2气体分布器是环形(X)2气体分布器。所述(X)2气体分布器可以采用任何合适的大小，更佳地，所述(X)2气体分布器的直径与所述光生物反应器的长或宽之比为0. 2 0. 6，与所述光生物反应器的底部相距10 50cm,且所述(X)2气体分布器上的孔隙直径为0. 2 2. 0mm。为了更好地培养微藻，更佳地，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括搅拌装置，所述搅拌装置包括驱动部件和与所述CO2气体分布器的数目相同的搅拌桨，所述搅拌桨设置在所述(X)2气体分布器的上方，所述驱动部件位于所述光生物反应器外并局部穿设所述光生物反应器连接所述搅拌桨。所述光生物反应器的容积可以任意，较佳地，所述光生物反应器的容积为IOOm3 10000m3。所述光生物反应器的形状可以是任何合适的形状，较佳地，所述光生物反应器是封闭槽式光生物反应器，且是至少两个U形连接形成的迂回曲折的槽体。所述封闭槽式光生物反应器可以透明，也可以不透明，更佳地，所述封闭槽式光生物反应器是透明的封闭槽式光生物反应器，可以采用玻璃或聚合物等其它透明材质，所述第一光源装置是太阳光光源和/或LED三色冷光源。例如所述太阳光光源可以采用菲涅尔聚光器进行太阳光的收集，所述LED三色冷光源可以是防水、防腐及防爆的LED红、橙和蓝三色冷光光源，功率为100 400W。所述积油罐可以透明，也可以不透明，更佳地，所述积油罐是透明的积油罐，所述第二光源装置是太阳光光源和/或LED三色冷光源。为了更好地控制培养温度，较佳地，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括温度控制装置，所述温度控制装置包括多级温控夹套或盘管，所述多级温控夹套或盘管设置在所述封闭槽式光生物反应器的外壁上。优选地，本发明的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统的升温方式为利用热电厂产生的余热或加热器进行升温。为了吸收掉培养微藻产生的氧气，较佳地，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括氧分离器，所述氧分离器内置于所述光生物反应器的顶端的气体收集管中。所述氧分离器优选为装有吸收氧气的强还原剂的装置。为了及时了解培养状况，较佳地，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括至少一个光敏探头、温度计、PH电极及溶氧电极，所述光敏探头、所述温度计、所述 PH电极及所述溶氧电极分别穿设所述光生物反应器的器壁且其探头部位位于所述光生物反应器内。所述(X)2供气装置可以是任何合适的装置，较佳地，所述(X)2供气装置包括工业(X)2废气储罐、空气压缩机和气体混合罐，所述工业(X)2废气储罐和所述空气压缩机分别气路连接所述气体混合罐，所述气体混合罐分别气路连接所述光生物反应器和所述积油罐。为了便于排出分离的污水，较佳地，所述第一藻液分离装置设置有第一出水口，所述第二藻液分离装置设置有第二出水口。为了将经光生物反应器培养的培养液中的污水去除，较佳地，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括澄清池，所述光生物反应器通过所述澄清池管路连接所述第一藻液分离装置。为了便于排出分离的污水，更佳地，所述澄清池设置有第三出水口。为了便于收集第二藻液分离装置分离的藻体，较佳地，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括收集罐，所述第二藻液分离装置管路连接所述收集罐。在本发明的第二方面，提供了一种采用上述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统处理污水并生产生物油脂的方法，其特点是，在所述光生物反应器中接种微藻，所述 CO2供气装置提供15. 0% 30. 0% (v/v) CO2气体，所述污水沉淀池容纳市政污水和/或工业污水经污水处理厂处理后的二级出水，将所述二级出水和所述(X)2气体通入所述光生物反应器中培养所述微藻，所述光生物反应器的出水经所述第一藻液分离装置得到浓缩藻液，一部分所述浓缩藻液进入所述藻液混合罐与来自所述污水沉淀池的所述二级出水混合后进入所述光生物反应器，将所述二级出水和所述CO2气体通入所述积油罐，另一部分所述浓缩藻液进入所述积油罐进行培养，所述积油罐的出水经所述第二藻液分离装置得到用于提取藻油的藻体。所述(X)2气体可以是任何来源的(X)2气体。较佳地，所述(X)2气体是将工厂排放的废气与空气混合而成。可以直接混合，也可以对废气做一定处理(如，除尘、除硫等)后再混合，从而有效利用废气，并减少污染。所述二级出水是污水处理厂二级处理工艺的二沉池出水，不同污水处理厂的二级出水中氮磷等含量一般相差不大。一般地，所述二级出水中总氮为30. 0 50. Omg/L，氨氮为 10. 0 16. Omg/L,总磷浓度为 2. 0 4. Omg/L, pH 为 6. 5 8. 5。所述微藻可以采用任何合适的微藻，一般要求是含油脂高、CO2耐受能力强及氮磷去除率高的优势藻种，较佳地，所述微藻选自自养小球藻(Chlorella autotuophica), 微拟球藻(Nannochloropsis salina)、布朗葡萄藻(Botyococcus Braunii)、纤细角毛藻(ChaetocerosGracilis)、海绿球藻(Halochlorococcum marinum)、球等鞭金藻(Isochrysis galbana Parke)、新月菱形藻(Nitzschia closterium)、三角褐指藻 (Phaeodactylum tricornutum Bohlin) ^ ! (Dunaliella sp.)禾口_形_ (Nitzschia sp.)的一种或几种。所述普通小球藻可以采用任何合适的普通小球藻，更佳地，所述普通小球藻是小球藻C9-JN2010，保藏编号为=CCTCC NO =M 2010373，初始接种密度为1. OX 107cfu/ml 6.0X107cfu/ml，所述培养的条件为光照周期为IOh 14h 16h 8h，光照强度为 50001ux 150001ux，培养温度为20 30°C，pH为6. 5 8. 5，CO2气体通气量为0. 01 0. 2VVmο所述普通小球藻是从黄海海域的海水中分离并经过人工选育得到的，命名为小球藻C9-JN2010，为绿色、单个球形藻体、壁薄，学名分类为一种普通小球藻(Chlorellavulgaris)，其于2010年12月31日保藏在中国典型培养物保藏中心(China Center for Type CultureCollection，简称 CCTCC)，菌种保藏登记号为 CCTCC NO :M 2010373。通过高密度分割培养，批处理时间可缩短到12 Mh。本发明的有益效果在于a.本发明的光生物反应器、第一光源装置、CO2供气装置、积油罐、第二光源装置、 污水沉淀池、藻液混合罐、第一藻液分离装置和第二藻液分离装置，所述第一光源装置设置在所述光生物反应器中，所述第二光源装置设置在所述积油罐中，所述CO2供气装置分别气路连接所述光生物反应器和所述积油罐，所述污水沉淀池管路连接所述积油罐并通过所述藻液混合罐管路连接所述光生物反应器，所述光生物反应器通过所述第一藻液分离装置分别管路连接所述藻液混合罐和所述积油罐，所述积油罐管路连接所述第二藻液分离装置， 从而通过光生物反应器处理污水并培养微藻，其中一部分微藻浓缩后与二级污水混合后返回光生物反应器再培养，另一部分进入积油罐培养积油，在污水处理的同时，实现生产生物能源与其他副产品(如，蛋白质、化妆品原料及动物饲料等)，降低生产成本，可达到废物资源的综合利用，实现节能减排的绿色生产，适用从实验室到工业规模化微藻培养，设计巧妙独特，适于大规模推广应用。b.本发明的光生物反应器为透明的封闭槽式光生物反应器，所述第一光源装置是太阳光光源和/或LED三色冷光源，利用(X)2气体分布器分布(X)2气体，并在上方设置搅拌桨，在封闭槽式光生物反应器的四周设有温度控制装置且采用热电厂产生的余热或加热器进行升温，反应器内部构件较少，光的利用效率高、气泡分布均勻，气液混合和传质效果良好，整个培养系统剪切力非常小，利于微藻的生长，结构合理，操作方便，具有优良的藻细胞生长环境，光、(X)2利用效率高，动力消耗小，反应器占用空间小，设备成本低，适用于实验室到工业化规模(槽式光生物反应器的容积为IOOm3 IOOOOm3)微藻培养，适于大规模推广应用。c.本发明的处理污水并生产生物油脂的方法将市政污水和工业污水二级出水为培养基，不需要外加氮磷等营养元素，可以减轻水资源负担和降低污水处理及生物能源生产的成本，在进行污水处理和(X)2减排的同时可获得生物能源，设计独特巧妙，是一种绿色生产、低成本的污水再利用与生物能源生产技术，适于大规模推广应用。d.采用本发明的处理污水并生产生物油脂的方法，能实现氮、磷及CO2高去除效率(如，水中总氮浓度低于15. Omg/L，氨氮浓度小于1. Omg/L,总磷浓度低于0. 5mg/L, 污水中的氮磷含量分别降低了 80. 0% 98.0% (W)和80. 0% 99. 5% (W)，CO2浓度降低30.0% 75.0% (ν/ν))，并且藻浓度及油脂的含量高(分别为光反应器内的藻浓度达 1.0Χ 108cfu/ml 5. 0 X 108cfu/ml，其油脂含量为25 % 40 % (W)),批处理时间可缩短到 12 Mh，可达到保护环境和生物资源再生产的双重效果，实现较高的经济和社会综合效益，适于大规模推广应用。
图1是本发明的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统的一具体实施例的各部件连接示意图。图2是图1所示的具体实施例的透明的封闭槽式光生物反应器的立体示意图。
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图3是图2所示的透明的封闭槽式光生物反应器的主视示意图。图4是图2所示的透明的封闭槽式光生物反应器的俯视示意图。图5是图2所示的透明的封闭槽式光生物反应器的侧视示意图。图6A是采用本发明的处理污水并生产生物油脂的方法分割培养小球藻 C9-JN2010处理污水的氮、磷及(X)2去除效果示意图。图6B是采用本发明的处理污水并生产生物油脂的方法分割培养小球藻 C9-JN2010处理污水的生物量及胞内脂肪积累效果示意图。图7A是采用本发明的处理污水并生产生物油脂的方法连续培养小球藻 C9-JN2010处理污水的氮、磷及(X)2去除效果示意图。图7B是采用本发明的处理污水并生产生物油脂的方法连续培养小球藻 C9-JN2010处理污水的生物量及胞内脂肪积累效果示意图。图8A是采用本发明的处理污水并生产生物油脂的方法分批培养小球藻 C9-JN2010处理污水的氮、磷及(X)2去除效果示意图。图8B是采用本发明的处理污水并生产生物油脂的方法分批培养小球藻 C9-JN2010处理污水的生物量及胞内脂肪积累效果示意图。图9A是分别采用本发明的槽式光生物反应器与普通气升式光反应器分批培养小球藻C9-JN2010处理污水的氮、磷及(X)2去除效果示意图。图9B是分别采用本发明的槽式光生物反应器与普通气升式光反应器连续培养小球藻C9-JN2010处理污水的生物量效果示意图。图9C是分别采用本发明的槽式光生物反应器与普通气升式光反应器分批培养小球藻C9-JN2010处理污水的胞内脂肪积累效果示意图。
储罐
器 种口
盘管
其中上述图中的附图标记表示的部件为 1.光生物反应器 2.积油罐
4.气体混合罐 8.污水沉淀池 12.泵
16.搅拌桨
20.排料口
5.第一光源装置 9.空气压缩机 13.阀门
17.氧分离器
3.工业CO2废气
6.澄清池7.藻液混合罐
10.第一藻液分离装置11.藻液收集罐 14.气体流量计
18. CO2 进气口
21.循环水进口 22.循环水出口
24. 28. 32.
光敏探头气体收集管压力计
25. 29. 33.
温度计人孔
26. pH电极 30.排气口
15. CO2气体分布
19.进料口 /接
23.温控夹套/
27.溶氧电极 31. CO2检测仪
第二藻液分离装置
具体实施例方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。其中相同的部件采用相同的附图标记。
请参见图1-5所示，本发明的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统包括光生物反应器1，其是透明的封闭槽式光生物反应器，做成迂回曲折波浪状，请参见图2和图4所示，具体是两个U形连接形成的迂回曲折的槽体，从而形成4个内腔，相互平行设置，其内的培养基将沿内腔迂回曲折流动，可在紧凑的空间内加速热传递和增加受光面积，工业CO2废气储罐3与空气压缩机9分别气路连接所述气体混合罐4，所述气体混合罐4分别气路连接所述光生物反应器1和所述积油罐2，安设在光生物反应器1内的第一光源装置5和积油罐 2内的第二光源装置(未示出)为太阳光源或/和100W的防水、防腐和防爆型LED三色冷光源，LED三色光源通过导线与控制系统(未示出)相连接，光生物反应器1通过澄清池6 管路连接所述第一藻液分离装置10，所述污水沉淀池8管路连接所述积油罐2并通过所述藻液混合罐7管路连接所述光生物反应器1，所述第一藻液分离装置10分别管路连接所述藻液混合罐7和所述积油罐2，所述积油罐2通过所述第二藻液分离装置33管路连接收集罐11。所述(X)2气体分布器15设置在所述光生物反应器1内并与位于所述光生物反应器 1外的所述气体混合罐4管路连接。所述CO2气体分布器15是环形CO2气体分布器。所述 CO2气体分布器15的直径与所述光生物反应器1的每个内腔的长或宽之比为0. 2 0. 6， 与所述光生物反应器1的底部相距10 50cm，且所述(X)2气体分布器15上的孔隙直径为 0. 2 2. 0mm。所述搅拌桨16设置在所述(X)2气体分布器15的上方，所述驱动部件(未示出)位于所述光生物反应器1外并局部穿设所述光生物反应器1连接所述搅拌桨16，所述驱动部件通过导线与控制系统相连接。所述光生物反应器1的容积为100m3，其工作体积为 90m3。在所述光生物反应器的外壁上设置有多级温控夹套或盘管23，在夹套/盘管23的两端分别设有循环水进口 21和循环水出口 22，可以利用热电厂产生的余热或加热器进行升温，在光生物反应器1的左右两侧器壁上分别设置有进料口 /接种口 19和排料口 20，进料口 /接种口 19连接污水沉淀池8，污水培养基和藻种可以通过进料口 /接种口 19泵入光生物反应器1，在排料口 20设有取样口(未示出)进行取样检测，培养完成的藻液通过排料口 20排出，然后流至澄清池6 ；在光生物反应器1的器壁四周设有光敏探头M、温度计25、pH 电极26和溶氧电极27，并通过导线与控制系统相连接；在光生物反应器1的上面设有气体收集管观，气体收集管观内设有氧分离器17进行氧气的收集，另外在气体收集管观的侧面设有人孔四，而在气体收集管观的顶端设有排气口 30，使多余的气体排出，在排气口 30 上分别设有压力计32和(X)2检测仪31，(X)2检测仪31通过导线与控制系统相连接；在光生物反应器1的正面设有(X)2进气口 18并通过导气管穿设光生物反应器1的器壁从而与其内的(X)2气体分布器15相连接，CO2进气口 18与气体混合罐4连接。且所有的气体管路上分别设有流量计14和阀门13，液体输送管路上分别设有液泵12和阀门13进行流量控制。在光生物反应器1内接种微藻，将工业排放的(X)2废气压缩在工业(X)2废气储罐3 中，并与由空气压缩机9压缩好的空气在气体混合罐4中进行混合，采用阀门13和流量计 14来控制气体的流量大小使CO2浓度为15% 30% (ν/ν)，然后分别通入光生物反应器1 和积油罐2，将光生物反应器1培养好的藻液泵入澄清池6澄清后获得三级处理水并从第三出水口排出，沉降在澄清池6低部的藻泥泵入第一藻液分离装置10，通过第一藻液分离装置10的截留作用获得三级处理污水进入第一出水口排出，而浓缩得到的浓藻液分两部分，一部分泵入藻液混合罐7，同时把污水沉淀池8的ニ级出水泵入藻液混合罐7进行混合， 随后将返混的藻液泵入光生物反应器1，并通过控制流速调整回流比以控制光生物反应器 1的藻細胞密度可进行分割或连续培养，另一部分浓藻液泵入积油罐2内进行培养积油，随后将积油的藻液泵入第二藻液分离装置33，再通过第二藻液分离装置33的截留作用获得三级处理污水进入第二出水ロ排出，浓缩得到的浓藻液泵入到收集罐11，收集后进行藻油的炼制。下面具体以普通小球藻-小球藻C9-JN2010 (保藏编号为CCTCC NO =M 2010373) 为例，采用本发明的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统处理污水并生产生物油脂，初始接种密度为1. ο X IO7CfuAil 6. 0 X IO7CfuAil，培养的条件为光照周期为 IOh 14h 16h 8h，光照强度为50001ux 150001ux，培养温度为20 ；35°C，pH为 6. 5 8. 5，CO2气体通气量为0. 01 0. 2VVm0废水中氮、磷的转化率即去除率是衡量本エ艺污水处理效果的ー项重要指标，计算方法如下所示氮、磷的转化率(%) = (C1-C2) X 100% /C1式中=C1-废水培养基中初始氮、磷的含量，mg ；C2-处理后废水培养液中氮、磷的含量，mg。废气中(X)2的转化率即CO2减排量是衡量本エ艺废气处理效果的ー项重要指标，计算方法如下所示CO2 的转化率(％ ) = (C1-C2) X 100% /C1式中=C1-电厂废气中(X)2的体积浓度，％ ；C2-处理后废气中CO2的体积浓度，％。微藻油脂的含量或油脂的得率是衡量本エ艺的综合经济效益的ー项重要指标，计算方法如下所示油脂的得率(％) = Hi1AiciX 100%式中mQ-提取油脂的藻体干重，g ；Hi1-粗油脂的质量，g。实施例1摇瓶种液培养采用緑藻通用的f/2培养基(pH7. 0)，种子罐培养及光生物反应器1 培养均采用污水培养基(PH7.0)。污水培养基是以过滤除杂菌或杂藻后的市政污水和エ业污水经污水处理厂处理的ニ级出水(总氮为30. 0 50. Omg/L,氨氮为10. 0 16. Omg/L,总磷浓度为2.0 4. Omg/L)形成的培养基，通过进料ロ/接种ロ 19加入到光生物反应器1中并进行灭菌，初始接种密度为6. OX 107Cfu/ml，搅拌转速为120rpm，光照强度为150001ux， 光照周期为16h 8h，培养温度为30°C，pH为7. OjCO2气体的(X)2浓度为30% (ν/ν)，通气量为0. IVVm,分割培养前，培养4 后所述光生物反应器1内藻浓度高达2. OX 108CfU/ml， 且所述生物光反应器1内的氮、磷的含量符合国家A类排放水标准(总氮浓度为15. Omg/L, 氨氮浓度为1. Omg/L，总磷浓度为0.5mg/L)时进行发酵液分割，取出1/3 2/3所述发酵液进行浓缩获得浓缩发酵液，将一部分所述浓缩发酵液返回所述光生物反应器1中并往所述光生物反应器1中补加污水沉淀池8的ニ级出水，保持所述培养基的总量100%，继续培养至所述光生物反应器1内的藻浓度达5. OX 108CfU/ml。将剩余的所述浓缩发酵液泵入具有污水培养基(其中补加2. 5%海盐(W))的积油罐2中在通气量为0. 2VVm的(X)2浓度为 30.0% (ν/ν)的所述CO2气体下ニ步发酵进行油脂积累48h，之后收集藻体提取藻油。利用上述エ艺培养小球藻C9-JN2010，氮、磷及(X)2的去除率及油脂积累关系见图 6A-6B所示。由图6A分析可知，在0 4 培养过程中，随着培养时间延长，小球藻C9-JN2010 对氮、磷及CO2的消耗速度加快，在4 消耗速度最快，达到最大值分别为90. 0% (W)、 93.0% (W)和70% (v/v)，且藻体浓度达到2.0X108cfu/ml，随后进行分割，取出其中2/3 发酵液进行浓缩后，将其中的1/3返回反应器并充入无盐的新鮮市政污水，保持培养基总量100%，另外一部分通入积油罐2 二次发酵积油48h。由图6B分析可知，最终藻浓度达 5. OX 108CfU/ml，油脂含量最高达到40.0% (W)。以后按上述再次进行分割培养，半连续培养，连续分割10次。实施例2采用连续发酵方式并以过滤除杂菌或杂藻后的市政污水和エ业污水是经污水处理厂处理的ニ级出水为培养基，向该培养基中接种小球藻C9-JN2010，其中，初始接密度为 3. 5 XlO7CfuAil，光照周期为14h 10h，光照强度为50001ux，培养温度为25°C，pH为8. 5， CO2气体的(X)2浓度为25. 0% (ν/ν)，通气量为0. 2VVm，连续培养480h，氮、磷去除效果，CO2 的转化率(％ (ν/ν))及油脂积累关系见图7Α-7Β所示。由图7Α分析得知，在连续培养前期，随着培养的时间延长，其对氮、磷及(X)2的利用加快。在0 120h氮的利用速度不断加快，随后去除率达到80. 0% (W)，在120 288h 还不稳定，随后氮去除率趋于稳定在80.0% (W)。在0 磷的利用速度不断加快，随后去除率达到80.0% (W)，96 21 还不稳定，随后磷去除率趋于稳定在80.0% (W)。在 0 96h CO2利用速度不断加快，随后去除率达到65. 0% (ν/ν)，在96 240h还不稳定，随后CO2去除率趋于稳定在65. 0% (ν/ν)。由图7Β分析得知，在连续培养前期，随着培养的时间延长，藻細胞生长速率及油脂的积累速率加快。在0 藻体生长速度不断加快，藻体浓度达3. OX 108Cfu/ml，在 96 MOh还不稳定，随后藻体浓度趋于稳定在3. OX 108cfu/ml。在0 19 油脂积累速度不断加快且油脂含量高达25. 0% (W), 192h以后藻体油脂的含量趋于稳定在25. 0% (W)0实施例3采用分批发酵方式并以过滤除杂菌或杂藻后的市政污水和エ业污水是经污水处理厂ニ级出水为培养基，向该培养基中接种小球藻C9-JN2010，其中，初始接密度为 1.0 XlO7CfuAil，光照周期为IOh 14h，光照强度为75001UX，培养温度为20°C，pH为6. 5， CO2的浓度为15. 0% (ν/ν)，通气量为0. OlVVm，分批培养480h，氮、磷去除效果，CO2的转化率(％ (ν/ν))及油脂积累关系见图8Α-8Β所示。由图8Α分析得知，在培养前期，随着培养的时间延长，其对氮、磷及(X)2的利用加快。在0 16 内氮的利用速度不断加快且去除率高达98. 0% (W)，随后在168 21 内一直保持在此水平，但在MOh开始下降为91.0% (W)，之后一直保持在此水平。在0 168h内磷的利用速度不断加快且去除率高达99. 5% (W),随后在168 内一直保持在此水平，但在观他略有下降，为98. 0% (W)，之后一直保持在此水平。在0 16 内CO2 利用速度不断加快且去除率高达75. 0% (ν/ν)，并在168 MOh内保持稳定，随后利用速度逐渐减慢，最终CO2去除率只有30.0% (ν/ν) 0由图8Β分析得知，在分批培养前期，随着培养的时间延长，藻细胞生长速率及油脂的积累速率加快。在分批培养过程中，在0 120h藻体生长不断加快且藻体浓度最大达1. IX 108CfU/ml，在120h 16 内維持在此水平，随后藻体浓度开始下降，最终为 5. 2X 107CfU/ml。在0 16 内藻体油脂积累速度不断加快且藻体油脂含量高达30. 0% (W)，随后一直保持在此水平。实施例4根据上述方法，分别采用本发明的透明槽式光生物反应器和气升式光生物反应器进行普通小球藻C9-JN2010(保藏编号为CCTCC NO =M 2010373)的分批培养，培养周期为 MOh，氮、磷去除效果，CO2的转化率(％ )及油脂积累关系见图9A-9C所示。由图9A分析得知，采用槽式光生物反应器分批培养过程中，氮、磷及(X)2的利用速度较快且除率最高分别达98. 0%,99. 5%和75. O%，而采用普通气升式光生物反应器分批培养过程中，氮、磷及(X)2的利用速率较慢，其去除率最高分别为82. 0%、85. 0%和65. 0%。由图9B分析得知，采用槽式光生物反应器分批培养过程中，藻体生长也较快，在 O 96h内，随着培养时间的延长，藻体生长速度较快，最终藻的生物量最高1. 2X IO8Cfu/ ml，随后藻体生物量开始下降，而采用普通气升式光生物反应器分批培养过程中，藻体生长也较快，在O 144h内，随着培养时间的延长，藻体生长速度较快，最终藻的生物量最高 1. OX 108cfu/ml，随后藻体生物量开始下降。由图9C分析得知，采用槽式光生物反应器分批培养过程中，在O 144h内，随着培养时间的延长，藻体細胞内油脂积累速度较快，最终藻的油脂含量最高达30.0%，随后细胞内油脂含量开始下降，而采用普通气升式光生物反应器分批培养过程中，在O 144h内， 藻体細胞内油脂积累速度较快，最终藻的油脂含量最高达25.0%，随后細胞内油脂含量开始下降。因此，本发明的以市政污水和エ业污水为培养基并利用普通小球藻C9-JN2010 高密度培养エ艺进行污水处理，向该培养基中接种小球藻C9-JN2010，其中，初始接密度为 1.0X107cfu/ml 6. 0X107cfu/ml，光照周期为 IOh 14h 16h 8h，光照强度为 50001ux 150001ux，培养温度为 20 30°C，pH 为 6. 5 8. 5, CO2 (15. 0% 30. 0% (v/v)) 通气量为0. 01 0. 2VVm,培养480h后，藻细胞浓度高，且所述生物光反应器1内的氮、磷等含量符合国家A类排放水标准(总氮浓度为15. Omg/L,氨氮浓度为1. Omg/L,总磷浓度为 0. 5mg/L)。通过小球藻的深度处理后，水中总氮浓度低于15. Omg/L，氨氮浓度小于1. Omg/ L，总磷浓度低于0. 5mg/L，污水中的氮磷含量分別降低了 80. 0% 98. 0% (W)和80. 0%~ 99. 5% (W)，CO2浓度降低30. 0% 75. 0% (ν/ν)，pH为7. O 8. O。通过小球藻的生长积累油脂，最终积油罐2内的藻浓度达1.0X 108Cfu/ml 5. OX 108Cfu/ml，油脂含量可达 25.0% 40.0% (W)。能实现CO2减排和生物能源生产、氮、磷及CO2高去除效率，并且藻浓度、油脂的含量高，达到保护环境和生产生物资源的双重效果，操作简便快速、成本低、无污染、社会和经济综合效益高，适于大规模推广应用。而采用槽式光生物反应器与普通气升式光生物反应器分别培养普通小球藻C9-JN2010，槽式光生物反应器与普通气升式光生物反应器相比，槽式光生物反应器更有利于藻細胞的生长和細胞内油脂的积累，生物量和藻細胞内油脂含量最高分别为1. 2X108cfu/ml和30. 0% (W)，均比后者提高了 20. 0%左右，同时对污水中的氮磷及CO2的去除效果也更好，最大去除率分别为98.0% (W), 99. 5% (W)和75.0% (ν/ν)，其去除率比后者分别提高了 19. 5%、17. 0%和15.4%。当本发明的微藻进行污水深度处理及生产油脂的装置的主体为封闭槽式光生物反应器吋，利用其进行微藻培养，由于封闭槽式光生物反应器能进行彻底的清洗和灭菌消毒，虽然培养条件温和，仍可保持培养全过程无污染状态；在微藻培养过程中，不需要剧烈搅拌，封闭槽式光生物反应器内培养液流体运动具有较强的规律性，剪切作用小，培养小球藻细胞时，显微镜下观察藻体細胞均为球形，表面光滑、平整均勻；由于封闭槽式光生物反应器外壁设置有多个温控夹套或盘管23，能够进行分段控温且温度控制稳定。由于封闭槽式光生物反应器的受光面积/体积比较大，使用高浓度CO2吋，能耗小且毒害微小，不易产生氧积累和毒害等条件。本发明适合进行各种微藻細胞的培养，并均可达到较高的细胞密度。反应器中没有大功率的机械搅拌，也不需要通入大量的低浓度(X)2而消耗大量的能耗。 同吋，本发明在操作上，接种、取样、收集藻体、清洗、灭菌和拆装等每个环节都十分方便快捷。本发明可単独使用，也可多个一起组合成串联或并联培养系统，能实现微藻エ业化大规模高密度培养。综上所述，本发明的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统和方法在污水处理的同吋，实现生产生物能源与其他副产品(如，蛋白质、化妆品原料及动物饲料等)，降低生产成本，可达到废物资源的综合利用，实现节能减排的緑色生产，适用从实验室到エ业规模化微藻培养，设计巧妙独特，适于大规模推广应用。在此说明书中，本发明已參照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
权利要求
1.一种利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，包括光生物反应器、第一光源装置、CO2供气装置、积油罐、第二光源装置、污水沉淀池、藻液混合罐、第一藻液分离装置和第二藻液分离装置，所述第一光源装置设置在所述光生物反应器中，所述第二光源装置设置在所述积油罐中，所述CO2供气装置分别气路连接所述光生物反应器和所述积油罐，所述污水沉淀池管路连接所述积油罐并通过所述藻液混合罐管路连接所述光生物反应器，所述光生物反应器通过所述第一藻液分离装置分别管路连接所述藻液混合罐和所述积油罐，所述积油罐管路连接所述第二藻液分离装置。
2.根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括至少一个CO2气体分布器，所述(X)2气体分布器设置在所述光生物反应器内并与位于所述光生物反应器外的所述(X)2供气装置管路连接。
3.根据权利要求2所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述ω2气体分布器是环形(X)2气体分布器。
4.根据权利要求3所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述(X)2气体分布器的直径与所述光生物反应器的长或宽之比为0. 2 0. 6，与所述光生物反应器的底部相距10 50cm，且所述(X)2气体分布器上的孔隙直径为0. 2 2. 0mm。
5.根据权利要求2所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括搅拌装置，所述搅拌装置包括驱动部件和与所述CO2气体分布器的数目相同的搅拌桨，所述搅拌桨设置在所述(X)2气体分布器的上方，所述驱动部件位于所述光生物反应器外并局部穿设所述光生物反应器连接所述搅拌O
6.根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述光生物反应器的容积为IOOm3 10000m3。
7.根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述光生物反应器是封闭槽式光生物反应器，且是至少两个U形连接形成的迂回曲折的槽体。
8.根据权利要求7所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述封闭槽式光生物反应器是透明的封闭槽式光生物反应器，所述第一光源装置是太阳光光源和/或LED三色冷光源。
9.根据权利要求7所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述积油罐是透明的积油罐，所述第二光源装置是太阳光光源和/或LED三色冷光源。
10.根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括温度控制装置，所述温度控制装置包括多级温控夹套或盘管，所述多级温控夹套或盘管设置在所述封闭槽式光生物反应器的外壁上。
11.根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括氧分离器，所述氧分离器内置于所述光生物反应器的顶端的气体收集管中。
12.根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括至少一个光敏探头、温度计、PH电极及溶氧电极，所述光敏探头、所述温度计、所述PH电极及所述溶氧电极分别穿设所述光生物反应器的器壁且其探头部位位于所述光生物反应器内。
13.根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述(X)2供气装置包括工业(X)2废气储罐、空气压缩机和气体混合罐，所述工业(X)2废气储罐和所述空气压缩机分别气路连接所述气体混合罐，所述气体混合罐分别气路连接所述光生物反应器和所述积油罐。
14.根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述第一藻液分离装置设置有第一出水口，所述第二藻液分离装置设置有第二出水口。
15.根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括澄清池，所述光生物反应器通过所述澄清池管路连接所述第一藻液分离装置。
16.根据权利要求15所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于， 所述澄清池设置有第三出水口。
17.根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其特征在于，所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统还包括收集罐，所述第二藻液分离装置管路连接所述收集罐。
18.一种采用根据权利要求1所述的利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统处理污水并生产生物油脂的方法，其特征在于，在所述光生物反应器中接种微藻，所述CO2供气装置提供15. 0 30. 0% (v/v) CO2气体，所述污水沉淀池容纳市政污水和/或工业污水经污水处理厂处理后的二级出水，将所述二级出水和所述(X)2气体通入所述光生物反应器中培养所述微藻，所述光生物反应器的出水经所述第一藻液分离装置得到浓缩藻液，一部分所述浓缩藻液进入所述藻液混合罐与来自所述污水沉淀池的所述二级出水混合后进入所述光生物反应器，将所述二级出水和所述(X)2气体通入所述积油罐，另一部分所述浓缩藻液进入所述积油罐进行培养，所述积油罐的出水经所述第二藻液分离装置得到用于提取藻油的藻体。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述二级出水中总氮为30.0 50. Omg/L，氨氮为 10. 0 16. Omg/L,总磷浓度为 2. 0 4. Omg/L。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述微藻选自自养小球藻、微拟球藻、 布朗葡萄藻、纤细角毛藻、海绿球藻、球等鞭金藻、新月菱形藻、三角褐指藻、杜氏藻和棱形藻的一种或几种。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述普通小球藻是小球藻C9-JN2010， 保藏编号为CCTCC NO =M 2010373，初始接种密度为 1. 0X107cfu/ml 6. 0X107cfu/ml，所述培养的条件为光照周期为IOh 14h 16h 8h，光照强度为50001UX 150001UX，培养温度为20 30°C，pH为6. 5 8. 5，CO2气体通气量为0. 01 0. 2VVm。
全文摘要
本发明提供了一种利用微藻处理污水并生产生物油脂的系统，其第一和第二光源装置分别设置在光生物反应器和积油罐中，CO2供气装置分别气路连接光生物反应器和积油罐，污水沉淀池管路连接积油罐并通过藻液混合罐管路连接光生物反应器，光生物反应器通过第一藻液分离装置分别管路连接藻液混合罐和积油罐，积油罐管路连接第二藻液分离装置，还提供了利用上述系统处理污水并生产生物油脂的方法，利用本发明，在污水处理的同时，实现生产生物能源与其他副产品(如，蛋白质、化妆品原料及动物饲料等)，降低生产成本，可达到废物资源的综合利用，实现节能减排的绿色生产，适用从实验室到工业化规模微藻培养，设计巧妙独特，适于大规模推广应用。
文档编号C02F3/34GK102583767SQ20111000837
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者夏小乐, 张玲, 李宇佶, 李昌灵, 杨海麟, 王武, 辛瑜 申请人:江南大学