一种实现原位固液分离的膜微藻光生物反应器及其培养方法
【专利摘要】一种实现原位固液分离的膜微藻光生物反应器，包括液位平衡水箱、反应器主体、微孔扩散器、中空纤维膜组件、恒流泵等。膜微藻光生物反应器的培养方法，培养液通过液位平衡水箱进入反应器主体，为微藻提供生长所需的营养并使液位保持在恒定，培养的藻液由安装于反应器中间的中空纤维膜组件实现原位固液分离，在恒流泵的抽滤作用下，水经膜组件由恒流泵排出，微藻细胞则被保留在反应器内，并定期进行微藻细胞的收获。本发明提出一种新型能实现原位固液分离的膜微藻光生物反应器，结构简单，操作方便，在利用氮磷含量较低的城市污水处理厂出水等进行微藻培养时能以较高的水力负荷运行，从而极大地提高了光生物反应器的运行效率。
【专利说明】一种实现原位固液分离的膜微藻光生物反应器及其培养方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及藻类培养反应器【技术领域】，尤其是涉及一种实现原位固液分离的膜微藻光生物反应器。
[0002]本发明还涉及一种利用上述装置进行微藻培养的方法。
【背景技术】
[0003]微藻具有生长迅速、光合效率高等特点，能有效利用太阳能通过光合作用将无机营养盐、co2、h2o等物质转化为有机化合物，因含油量高、易于培养、单位面积产量高、不占耕地等优点而被认为是目前已知的唯一可能替代化石燃料的原料。此外，微藻在生长过程中还能固定空气中CO2为减轻温室效应做出贡献。
[0004]在微藻的规模化培养中封闭式的光生物反应器因其可人为控制微藻生长条件，从而获得较高的藻细胞生长速率，并且可避免杂藻和细菌的污染。此外，光生物反应器结构简单，可以根据生产需要进行放大，适合于微藻的高效大规模培养。目前，生产过程中的高成本是微藻制备生物柴油产业发展的主要限制因素，而其中微藻培养成本占生物柴油生产总成本的70%以上。微藻培养中的成本主要来自于培养所消耗的氮磷等无机营养盐和淡水资源。
[0005]为了降低微藻的培养成本，人们尝试采用城市污水经二级处理出水、水产养殖废水等含有一定量的氮 磷营养盐且水质澄清透明的废水进行微藻的培养，这样既能够极大地降低微藻生物柴油的生产成本，并且也有利于地表水质的改善。但由于相比于人工配制的微藻培养液，这些废水中氮磷浓度较低，微藻的生长速率缓慢，反应器的生产能力较低，而且也难以获得高浓度的微藻培养液，不利于后续微藻细胞的收获。要想在光生物反应器中保持较高的微藻生长速率就需要相应增加反应器的进水流量从而增加氮磷供应量，传统的光生物反应器没有固液分离功能，反应器中的水力停留时间和徽藻的停留时间是相同的，加大进水流量会导致微藻在反应器中的停留时间变短，使反应器中的藻液浓度减小，导致单位体积反应器的微藻生产能力降低。因此，传统用于培养微藻的光生物反应器较难满足采用低氮磷含量的水体进行微藻培养的需要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种具有原位固液分离功能的微藻光生物反应器，通过安装在反应器中的浸没式膜组件能实现水和徽藻的原位分离，微藻在反应器中的停留时间和浓度可进行人工调控，使反应器在利用低氮磷含量的城市污水二级处理出水等作为营养液进行微藻培养时能以较高的水力负荷运行，从而极大地提高了光生物反应器的运行效率。
[0007]本发明的另一目的在于提供利用该反应器进行微藻培养的方法。
[0008]为实现上述目的，本发明提供的浸没式膜微藻光生物反应器，其主要结构包括:进水池、水泵、液位平衡水箱、反应器主体、中空纤维膜组件、恒流泵、液体流量计、出气管、微孔扩散器、空气流量计、空压机、取样及微藻排放管。
[0009]本发明提供的利用该反应器进行微藻培养的方法，营养液由水泵吸入液位平衡水箱，液位平衡水箱出水端通过进水管与反应器主体下端相连通，营养液由液位平衡水箱自流连续进入膜微藻光生物反应器主体，为反应器中的微藻提供生长所需的营养液并使水位保持在恒定位置。反应器主体外壳为圆柱形有机玻璃容器。反应器主体底部装有连通空压机的微孔扩散器，产生的微小气泡对混合液起到搅拌作用，保持藻细胞的悬浮，并为其生长提供所需的碳源，通气量控制在0.20~0.65vvm，气体由设置于反应器主体外壳顶部侧面的出气管排出。反应器中培养的藻液经安装于中间的浸没式中空纤维膜组件实现原位固液分离，不含微藻的出水经浸没式膜组件和与其连接的恒流泵从反应器中连续排出，微藻细胞则被中空纤维膜组件隔离而被保留在反应器内。反应器中培养的高浓度微藻由取样及微藻排放管定期从反应器中排出，以实现微藻细胞的收获和反应器内微藻的更新。
[0010]上述技术方案中，所述中空纤维膜组件为圆柱形，膜组件为微滤膜或超滤膜，孔径
0.001-0.2 U H10膜组件在反应器中起到固液分离的效果，其作用主要在于实现了反应器中水力停留时间和固体停留时间的分离，培养液在反应器主体内的停留时间控制在I~3d，微藻在反应器主体内的停留时间控制在10~36d。在操作过程中可根据进水含氮磷量等的水质特点，调节进出水流量从而改变反应器的水力负荷，达到运行的高效率。
[0011]上述技术方案中，所述反应器主体的外壳为透明有机玻璃材质，能透射外界光源的光照，外界光源可采用荧光灯或LED灯等，均匀分布在外筒的四周并通过支架固定，保证反应器在各个方向获得均匀的光照，为微藻生长提供光源。反应器外壁处的光照强度为2000-60001ux，光暗比设置为(10~14)L:(14~10)D，可有效促进微藻的生长繁殖。
[0012]上述技术方案中 ，所述微藻培养液可采用氮磷等营养盐含量较低的城市污水二级处理出水、水产养殖废水等，替代人工配制的微藻培养液，从而极大地降低了微藻培养的成本，另一方面，通过反应器中微藻的培养，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，有效改善了水质。
[0013]上述技术方案中，所述微藻可采用栅藻、螺旋藻、小球藻、席藻、念珠藻、色球藻等生长繁殖速率较快的藻种，最大限度发挥膜微藻光生物反应器的运行效率。在利用含有一定量污染物质的城市污水二级处理出水等进行微藻培养时，由实验根据耐污性能、生长速率、油脂含量、氮磷去除率等指标确定栅藻和小球藻为优选藻种。
[0014]与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果:
[0015]1、本发明提供的浸没式膜微藻光生物反应器由于能分别控制水力停留时间和微藻停留时间，相比于传统光生物反应器能以更高的水力负荷运行，因而在利用含氮磷量较低的城市污水二级处理出水、水产养殖废水等进行微藻培养时具有突出的优势，处理城市污水二级处理出水时水力负荷可达到0.5~2.0m3 / (m3 ? d)，在进水氮磷浓度远小于传统微藻培养液的情况下，为反应器提供的氮磷营养负荷仍能分别达到7.0~40.5g N /(m3 ? d)和0.6~2.3g P / (m3 ? d)，从而实现反应器的高效运行。
[0016]2、本发明提供的浸没式膜微藻光生物反应器能实现在反应器内微藻和培养液的原位分离，可分别对培养液和微藻在反应器中的停留时间进行控制，在加大进水流量提高反应器营养盐负荷的同时，反应器内的微藻不会随出水流失，采用含氮磷量较低的城市污水二级处理出水等进行培养时，微藻浓度可维持在3500-6000mg / L的高水平，使单位体积反应器具有更高的氮磷吸收速率和微藻生产速率。对氮的吸收速率达到4.3~10.5g N /(m3 ? d)对磷的吸收速率达到0.1~0.3g P / (m3 ? d)，微藻生产速率达到50~94g /(m3 ? d)。
[0017]3、应用本发明提供的浸没式膜微藻光生物反应器可实现废水深度净化和微藻生物燃料生产的耦合，出水TN浓度可降至5mg / L以下，TP浓度可降至0.3mg / L以下，为废水的回用提供了一种高效、低耗的水质深度净化技术。同时，通过实验研究表明，在微藻培养方面采用低氮磷含量的废水相比于人工配制的培养液不仅可以极大地节省培养成本，而且较低的氮磷营养环境有效促进了微藻细胞对油脂的积累，微藻的油脂含量可提高4%~10%。
[0018]下面结合附图及其所对应的【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]附图为本发明的实现原位固液分离的膜微藻光生物反应器结构示意图
[0020]其中:1_反应器主体、2-微孔扩散器、3-中空纤维膜组件、4-出气管、5-取样及微藻排放管、6-空气流量计、7-空压机、8-进水池、9-水泵、10-液位平衡水箱、11-恒流泵、12-液体流量计。
【具体实施方式】
[0021]实施例1:
[0022]参照附图，一种实现原位固液分离的膜微藻光生物反应器，进水池8中的微藻培养液通过水泵9进入液位平衡水箱10，液位平衡水箱10的出水端通过进水管与反应器主体I下端相连通，从而为反应器内输入微藻培养液并使水位保持在恒定位置。反应器主体I外筒为透明有机玻璃材质，上端侧面设有一出气管4，顶部设有一采样及微藻排放管5，底部设有一微孔扩散器2，微孔扩散器2通过一空气流量计6与空压机7连接。反应器主体I内部设有一中空纤维膜组件3，并通过出水管依次连接恒流泵11和液体流量计12。
[0023]取某城市污水处理厂出水作为微藻培养液,水质为NH4+-N6.1~12.5mg / L,NCV-N4.2 ~10.8mg / L, NO2^-N0.2 ~1.3mg / L, PO广-P0.1 ~0.9mg / L, SS4.6 ~15.5mg / L，C0D25~80mg / L，pH值6.4~7.8。由进水池8通过水泵9及液位平衡水箱10进入光生物反应器主体1，调节空气流量计6控制由微孔扩散器2进入反应器内的空气流量，使反应器内的微藻保持在悬浮生长状态，通气量控制在0.20~0.35vvm，通过恒流泵11及其连接的中空纤维膜组件3连续将反应器内的液体排出，中空纤维膜组件3为微滤膜，材质为聚丙烯，孔径0.05-0.2 u m，通过调节恒流泵11的流量使城市污水处理厂出水在反应器内的水力停留时间控制在I~2d，对应的水力负荷为0.5~1.0m3 / (m3 -d)。在进水氮磷浓度远小于传统微藻培养液的情况下，为反应器提供的氮磷营养负荷仍能分别达到
9.4~18.5gN/ (m3*d)和0.3~0.9g P / (m3 ? d)，促进了反应器内微藻的高速繁殖。反应器内培养的微藻由于无法通过中空纤维膜组件3而被保留在反应器内，从而使反应器内的微藻浓度不断上升，达到利用低氮磷含量的城市污水处理厂出水培养高浓度微藻的效果，采用小球藻进行培养时微藻浓度可达到3500-6000mg / L，培养得到的高浓度藻液定期由取样及微藻排放管5从反应器中排出，以实现微藻细胞的收获和反应器内微藻的更新。[0024]本发明所述膜微藻光生物反应器实现了培养液和微藻的原位固液分离，即使采用上述氮磷含量较低的城市污水处理厂出水进行徽藻培养时单位体积反应器对氮磷的吸收速率和微藻生产速率均达到较高水平。对氮的吸收速率达到5.2~7.5g N / (m3 ? d)，对磷的吸收速 率达到0.1~0.3g P / (m3 ? d),微藻生产速率达至Li 51~74g/ (m3 ? d),稳定运行阶段出水TN浓度小于5mg/L，出水TP浓度小于0.3mg / L，既能用于微藻的培养，同时也能应用在污水的深度脱氮除磷操作中。
【权利要求】
1.一种实现原位固液分离的膜微藻光生物反应器，包括顶部设有出气管和取样及微藻排放管的反应器主体，所述的反应器主体底部设有微孔扩散器并联通空气流量计和空压机，其特征在于反应器主体内安装有中空纤维膜组件，所述中空纤维微滤膜组件连接恒流泵和液体流量计，反应器主体筒状外壳外部设有液位平衡水箱，所述液位平衡水箱出水端通过进水管与反应器主体下端相连通。
2.如权利要求1所述的实现原位固液分离的膜微藻光生物反应器，其特征在于，所述中空纤维膜组件为圆柱形，膜组件为微滤膜或超滤膜，膜组件安装的顶端高度低于液位平衡水箱的顶端高度。
3.一种利用权力要求I所述反应器进行微藻培养的方法，其特征在于微藻培养液经水泵及液位平衡水箱自流连续进入反应器主体内，通过安装于反应器底部的微孔扩散器向反应器内提供微气泡，反应器中培养所获得的高浓度藻液定期从取样及微藻排放管排出，不含微藻的出水经浸没式膜组件和与其连接的恒流泵从反应器中连续排出。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于培养液在膜微藻光生物反应器主体内的停留时间控制在I~3d,微藻在膜微藻光生物反应器主体内的停留时间控制在10~36d。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于反应器内从微孔扩散器提供的通气量控制在0.20 ~0.65vvm。
【文档编号】C12N1/12GK103789195SQ201410027055
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】高锋, 李晨, 金卫红, 邓一兵 申请人:浙江海洋学院