申请日2017.10.11
公开(公告)日2017.12.19
IPC分类号C02F3/32; C12N11/04; C12N11/10; A23K10/16; A23K50/75
摘要
本发明提供一种污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法，通过从藻类中分离出粗蛋白产品和高蛋白产物，使得家禽饲料中的蛋白含量高于传统饲料，为家禽饲养提供足够的蛋白质，同时该蛋白质的来源于藻类，因而可以减少玉米和豆粕使用量。本发明还介绍了一种污水培养微藻的方法，利用改性壳聚糖、改性蒙脱石制备成吸附膜组装而成的中空吸附柱对污水中的金属离子进行吸附，通过泵负压作用使污水透过吸附柱，污水在吸附柱中停留，与固定化微藻接触，微藻利用污水中的有机营养物质进行生长繁殖。利用该方法进行污水处理，能有效的除去污水中的金属离子、碳、氮、磷等物质，同时能大规模培养微藻，达到污水处理与微藻培养双重目的。
权利要求书
1.一种污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在污水反应池底安装带气孔蛇形管道，气孔均朝下，蛇形管与臭氧发生装置连接;
(2)吸附柱的制备与安装：
a.称取50份壳聚糖，加入到60ml 95%的乙醇溶液中浸泡，恒温60℃溶胀2h;将150份香草醛溶解于400ml 95%的乙醇中，倒入壳聚糖的浸泡液得混合液;将混合液放置于微波快速反应装置中，设定加热温度70℃，反应10min，微波功率300w，搅拌;反应完成，冷却后过滤，乙醇洗，水洗，真空干燥至恒重，得改性壳聚糖粉末;
b.称取天然蒙脱石20份，称取天然蒙脱石质量的5%的氢氧化钠，按固液质量比1:10加入200ml蒸馏水，调节pH为5.6，在恒温水浴中60℃搅拌反应1h，在80℃下恒温干燥，细磨过100目筛子，得到钠改性蒙脱石;
c.取细胞浓度为105/ml的微藻溶液，在无菌条件下，与海藻酸钠溶液、改性壳聚糖1:1:1混合均匀得到混合液;将混合液通过注射器滴入氯化钙溶液进行固化20~30min，得到海藻酸钙凝珠;将海藻酸钙凝珠用蒸馏水洗涤2~3次，即可得到固定化微藻胶球;
所述海藻酸钠浓度为20~25mg/ml;所述的氯化钙溶液浓度为18~22mg/ml;
所述混合液与氯化钙溶液体积比为1：(1.5~2);
d.取聚偏氟乙烯粉末40~80份，溶于25~50份邻苯二甲酸二丁酯中，加入50~100份改性壳聚糖粉末，50~100份改性蒙脱石粉末，2~10份京尼平，在氮气保护下于210~223℃油浴中搅拌4~6h混合成均一溶液后，静置脱泡得到聚合物;将聚合物通过5‰计量精度的失重秤喂料机喂入双螺杆挤出机，在250~300rpm和2~5MPa的混炼捏合作用下，使物料充分混合均匀成均一稳定的铸膜液，铸膜液通过纺丝计量泵以90~100g/min的速度精确计量进入喷头，内腔以36~50ml/min流速的氮气作为中空支撑体，经过一定高度的空气段蒸发后进入298K的水浴中发生相分离和固化，以25m/min的速度通过收集轮将粗中空纤维膜收集;
e.将d制备得到的粗中空纤维膜浸入95%工业乙醇中24小时，萃取邻苯二甲酸二丁酯稀释剂，期间需更换乙醇2次，确保稀释剂萃取干净，将萃取完毕的中空纤维膜用清水漂洗干净即得到中空纤维膜;
f.取中空纤维膜，组装成双层膜柱，双层膜中间留有3~7cm宽的空间，最外层膜底部设置有排出阀，得到吸附柱;
g.将多个吸附柱用铁架垂直固定，最里层中空部分并联与抽水泵连接，放置于反应池中;
(3)将固定化微藻细胞填充于吸附柱双层膜的中间空间，封好吸附柱;
(4)开启污水泵将污水注入反应池，待污水没至吸附柱50~70%时，停止抽水;打开臭氧发生装置，臭氧充气量为15~40g/h，作用时间为10~20min/h，待臭氧作用5h后，打开抽水泵，调节流量为1~1.4L/min，工作时间15~30min，休息时间40~60min，使污水进入吸附柱与固定化微藻进行反应后，将反应后的污水排入净水池;
(5)运行4~7天后，停止充入臭氧，停止污水泵，停止抽水泵，将固定化微藻通过吸附柱底部排出阀排出，收集;中空纤维膜用2~5wt%HCl清洗2小时，然后用2000~3000mg/L NaClO+1000~2000mg/L NaOH清洗2小时，每支组件清洗通量为15~30L/h，温度23~25℃，洗脱液收集后用于金属离子回收;
(6)收集固定化微藻进行破壁处理，利用热风干燥将微藻干燥并粉碎，取微藻粉100~200份，加入10~20份酶活力为1400~1800U/g的纤维素酶和酶活力为60000~70000U/g的中性蛋白酶1:1组合，混匀反应4~6h后，5000~6000rpm下离心10~20分钟，得到上清液Ⅰ和沉淀Ⅰ;
(7)将上清液Ⅰ加入到等体积的4℃冷乙醇中混合12~14h后，过滤浓缩至原体积的1/5~1/4，然后进行冷冻干燥，得到微藻粉末即家禽饲料添加剂。
2.根据权利要求1所述的一种污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法，其特征在于：吸附柱外设置有太阳能led灯，利用太阳能蓄电板提供电源，在阴雨天气时为微藻生长提供光源，所述光源强度为6000~10000lux。
3.根据权利要求1所述的一种污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法，其特征在于：吸附柱中固定化微藻填充量50~70%，吸附柱中空部分与两层膜中间空间部分不相通。
4.根据权利要求1所述的一种污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法，其特征在于：臭氧作用时间为5h/天。
5.根据权利要求1所述的一种污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法，其特征在于：所述的聚偏氟乙烯分子量为30KDa~40Kda，聚偏氟乙烯浓度为30~35wt%。
6.根据权利要求1所述的一种污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法，其特征在于：所述吸附柱制备方法中，制备生态膜液水浴温度大于或者等于制备铸膜液的水浴温度。
7.根据权利要求1所述的一种污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法，其特征在于：邻苯二甲酸二丁酯、改性壳聚糖、改性蒙脱石粉末重量份数比为1:2:2~2:2:5。
说明书
一种污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法
技术领域
本发明属于饲料生产技术及污水处理技术领域，特别涉及利用污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法。
背景技术
家禽饲料一向用麦子、稻谷或米糠、麸皮。一般饲料组成：能量饲料，米糠、豆萁糠、柴糠和麸皮等，占50~60%;植物性蛋白质饲料，豆饼、菜籽饼和棉仁饼，占10~20%;家禽性蛋白质饲料主要原料来自与粮食作物，不利于人类生存的长期需求。
微藻是具有光合作用的本领的原生植物，微藻繁殖生存能力极强，能够从废水中吸收各种无机元素和有机物，微藻含有多种维生素和蛋白质以及多糖物质，现有技术中，微藻养殖多处于实验室阶段，天然的微藻数量少，不适合大规模副产物的生产。
随着我国经济发展，畜禽养殖污水、市政污水及工业污水日渐增多成为主要污染源，这些污水流量大，COD、碳、氮、磷含量高，同时含有各种重金属物质。传统的好气活性污泥处理技术投入成本高，运行能耗大，污泥处理麻烦，活性污泥中的微生物不能完全利用污水中的物质，大部分碳、氮、磷等营养物质还残留水中。以污水作为廉价的培养基规模化养殖处理污水是国内外的研究热点。
发明专利申请号CN201510390515.1一种废水微藻加工饲料的方法，该方法是将废水培养、收集、沉淀的微藻与玉米皮、枯草芽孢杆菌混匀后，在地面上堆积有氧发酵，利用发酵过程中产生的高温充分杀灭病菌;降温后有氧发酵的微藻物料再与生猪全价配合饲料混合，混合过程中添加植物乳杆菌和长柄木霉，调节水分含量至40-50%，进行厌氧发酵至pH3.5-5.0时取出饲喂生猪。本发明提高了废水的利用率，降低了微藻的干燥费用，杀灭废水中的病原菌，提高了微藻利用的生物安全性，促进了微藻的饲料化利用。该废水微藻加工的饲料的有益菌含量升高，生猪的生产性能提高。专利申请号CN201210448432.X，一种家禽饲料及其制备方法，通过从藻类中分离出粗蛋白产品和高蛋白产物，使得家禽饲料中的蛋白含量高于传统饲料，为家禽饲养提供足够的蛋白质，同时该蛋白质的来源与藻类，因而可以减少玉米和豆粕使用量;除了生产家禽饲料之外，其副产品脱蛋白后的多糖溶液中可以进行脱色得到精制多糖。专利申请号CN201510996151.1微藻饲料添加剂及饲料，提高蛋类蛋黄中的ω-3多不饱和脂肪酸和β-胡萝卜素的含量，提高禽类的机体免疫力，促进对营养物质的消化吸收，有效提高蛋禽类的产蛋性能。
现有技术中，利用微藻培养还处于实验室阶段，中式阶段和工业化大规模培养少有报道，利用何种物质培养微藻也是现阶段研究的热点;利用微藻处理污水是目前研究的热点，微藻利用污水中的有机物质大量繁殖，达到污水处理目的，但是微藻的收集又成为新的问题，同时，对于微藻自身营养价值的利用研究的报道目前也较少。
发明内容
为弥补现有技术的空缺，填补利用污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂研究少的缺陷，本发明提供一种污水养殖微藻生产家禽饲料添加剂的方法。
利用本发明处理后的污水，BOD<110mg/L，COD<380mg/L，悬浮物<20mg/L，氨氮<40mg/L，总磷<4mg/L。处理后的污水可用于灌溉、养殖、清洗等;培养出来的微藻重金属含量低，蛋白质、多糖物质及其维生素物质含量均达到饲料添加剂的标准，为饲料添加剂市场提供技术支持。
本发明是通过这样实现：
(1)在污水反应池底安装带气孔蛇形管道，气孔均朝下，蛇形管与臭氧发生装置连接;
(2)吸附柱的制备与安装：
a.称取50份壳聚糖，加入到60ml 95%的乙醇溶液中浸泡，恒温60℃溶胀2h;(2)将150份香草醛溶解于400ml 95%的乙醇中，倒入壳聚糖的浸泡液得混合液;(3)将混合液放置于微波快速反应装置中，设定加热温度70℃，反应10min，微波功率300w，搅拌;(4)反应完成，冷却后过滤，乙醇洗，水洗，真空干燥至恒重，得改性壳聚糖粉末;
b.称取天然蒙脱石20份，称取天然蒙脱石质量的5%的氢氧化钠，按固液质量比1:10加入200ml蒸馏水，调节pH为5.6，在恒温水浴中60℃搅拌反应1h，在80℃下恒温干燥，细磨过100目筛子，得到钠改性蒙脱石;
c.取细胞浓度为105/ml的微藻溶液，在无菌条件下，与海藻酸钠溶液、改性壳聚糖1:1:1混合均匀得到混合液;将混合液通过注射器滴入氯化钙溶液进行固化20~30min，得到海藻酸钙凝珠;将海藻酸钙凝珠用蒸馏水洗涤2~3次，即可得到固定化微藻胶球;
所述海藻酸钠浓度为20~25mg/ml;所述的氯化钙溶液浓度为18~22mg/ml;
所述混合液与氯化钙溶液体积比为1：(1.5~2);
d.取聚偏氟乙烯粉末40~80份，溶于25~50份邻苯二甲酸二丁酯中，加入50~100份改性壳聚糖粉末，50~100份改性蒙脱石粉末，2~10份京尼平，在氮气保护下于210~223℃油浴中搅拌4~6h混合成均一溶液后，静置脱泡得到聚合物;将聚合物通过5‰计量精度的失重秤喂料机喂入双螺杆挤出机，在250~300rpm和2~5MPa的混炼捏合作用下，使物料充分混合均匀成均一稳定的铸膜液，铸膜液通过纺丝计量泵以90~100g/min的速度精确计量进入喷头，内腔以36~50ml/min流速的氮气作为中空支撑体，经过一定高度的空气段蒸发后进入298K的水浴中发生相分离和固化，以25m/min的速度通过收集轮将粗中空纤维膜收集;
e.将d制备得到的粗中空纤维膜浸入95%工业乙醇中24小时，萃取邻苯二甲酸二丁酯稀释剂，期间需更换乙醇2次，确保稀释剂萃取干净，将萃取完毕的中空纤维膜用清水漂洗干净即得到中空纤维膜。
f.取中空纤维膜，组装成双层膜柱，双层膜中间留有3~7cm宽的空间，最外层膜底部设置有排出阀，得到吸附柱;
g.将多个吸附柱用铁架垂直固定，最里层中空部分并联与抽水泵连接，放置于反应池中;
(3)将固定化微藻细胞填充于吸附柱双层膜的中间空间，封好吸附柱;
(4)开启污水泵将污水注入反应池，待污水没至吸附柱50~70%时，停止抽水;打开臭氧发生装置，臭氧充气量为15~40g/h，作用时间为10~20min/h，待臭氧作用5h后，打开抽水泵，调节流量为1~1.4L/min，工作时间15~30min，休息时间40~60min，使污水进入吸附柱与固定化微藻进行反应后，将反应后的污水排入净水池;
(5)运行4~7天后，停止充入臭氧，停止污水泵，停止抽水泵，将固定化微藻通过吸附柱底部排出阀排出，收集;中空纤维膜用2~5wt%HCl清洗2小时，然后用2000~3000mg/L NaClO+1000~2000mg/L NaOH清洗2小时，每支组件清洗通量为15~30L/h，温度23~25℃，洗脱液收集后用于金属离子回收。
该清洗工艺能提高拉伸强度的保持率为80%~82.9%。
(6)收集固定化微藻进行破壁处理，利用热风干燥将微藻干燥并粉碎，取微藻粉100~200份，加入10~20份酶活力为1400~1800U/g的纤维素酶和酶活力为60000~70000U/g的中性蛋白酶1:1组合，混匀反应4~6h后，5000~6000rpm下离心10~20分钟，得到上清液Ⅰ和沉淀Ⅰ;
(7)将上清液Ⅰ加入到等体积的4℃冷乙醇中混合12~14h后，过滤浓缩至原体积的1/5~1/4，然后进行冷冻干燥，得到微藻粉末即家禽饲料添加剂;
(8)将微藻粉末添加到家禽饲料中，添加量为10%~15%，喂食家禽即可。
作为本发明的进一步改进，所述改性壳聚糖的制备方法如下：
(1)称取50份壳聚糖，加入到60ml 95%的乙醇溶液中浸泡，恒温60℃溶胀2h;(2)将150份香草醛溶解于400ml 95%的乙醇中，倒入壳聚糖的浸泡液得混合液;(3)将混合液放置于微波快速反应装置中，设定加热温度70℃，反应10min，微波功率300w，搅拌;(4)反应完成，冷却后过滤，乙醇洗，水洗，真空干燥至恒重，得改性壳聚糖粉末。
香草醛接枝改性的壳聚糖，具有更好的成膜性能，同时能很好除去Cu2+、Zn2+，对有机物COD的吸附率能达到25mg/g;
作为本发明的进一步改进，所述改性蒙脱石制备方法如下：
称取天然蒙脱石20份，称取天然蒙脱石质量的5%的氢氧化钠，按固液质量比1:10加入200ml蒸馏水，调节pH为5.6，在恒温水浴中60℃搅拌反应1h，在80℃下恒温干燥，细磨过100目筛子，得到钠改性蒙脱石。
特定配比的原料进行钠改的性蒙脱石，对Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+的吸附率分别可达99.2%、99.8%、99.5%和99.3%。
作为本发明的进一步改进，所述固定化微藻制备方法如下：
取细胞浓度为103/ml的微藻溶液，在无菌条件下，与海藻酸钠溶液、改性壳聚糖1:1:1混合均匀得到混合液;将混合液通过注射器滴入氯化钙溶液进行固化20~30min，得到海藻酸钙凝珠;将海藻酸钙凝珠用蒸馏水洗涤2~3次，即可得到固定化微藻胶球。所述海藻酸钠浓度为20~25mg/ml;所述的氯化钙溶液浓度为18~22mg/ml;所述混合液与氯化钙溶液体积比为1：(1.5~2)。
作为本发明的进一步改进，所述的聚偏氟乙烯乙烯分子量为30KDa~40Kda，聚偏氟乙烯浓度为30~35wt%。
聚合物分子量大小影响聚偏氟乙烯体系粘度和膜孔径大小，进而影响纯水通过率。当聚合物分子量增大，体系粘度增加，限制贫相液滴和晶核的生长，聚合物浓相固化时所对应液滴和球晶尺寸较小，对应的膜孔径较小。
作为本发明的进一步改进，邻苯二甲酸二丁酯、改性壳聚糖、改性蒙脱石粉末重量分数比为1:2:2~2:2:5。
分子量为30KDa~40Kda、浓度为30~35wt%的聚偏氟乙烯乙烯，与邻苯二甲酸二丁酯、改性壳聚糖、改性蒙脱石粉末重量份数比为1:2:2~2:2:5，制备出来的膜的性能为：纯水通量580~800Lm-2h-1(298K)，平均孔径0.101~0.115μm，拉伸强度15.2~20.4N，孔隙率70~80%。
作为本发明的进一步改进，吸附柱中空部分与两层膜中间空间部分不相通。
作为本发明的进一步改进，所述吸附柱中固定化微藻填充量50~70%。
作为本发明的进一步改进，所述臭氧作用时间为5h/天。
本发明通过对壳聚糖和蒙脱石进行改性，然后与聚偏氟乙烯混合制成吸附柱膜，利用固定化微藻填充双层膜组装成的吸附柱，污水经过吸附柱外层膜的吸附作用，98%左右的重金属离子被吸附，吸附后的污水进入到吸附柱内部与固定化微藻进行反应，微藻能利用污水中的有机碳氮磷物质进行生长繁殖，进一步除去污水中的碳氮磷物质。微藻处理后的污水再次经过吸附柱内层膜后排出，几乎已经不含重金属、碳、氮、磷等污染物质。
本发明的优点：
1.利用吸附柱吸附重金属离子后的污水培养微藻，降低了重金属离子在微藻中的富集，再利用微藻生产家禽饲料添加剂，通过本发明养殖的微藻生长量大，易于收集，毒害性低，复合绿色环保、可持续发展的要求。
2.本发明通过对壳聚糖和蒙脱石作进行改性作为膜材料，能很好的吸附重金属离子，可有效地吸附废水中铅、隔、镍、钼等重金属离子，同时蒙脱石还有除毒功能，进一步净化污水。
3.本发明利用污水进行微藻养殖，既能对污水进行净化，又能大规模培养微藻用于饲料添加剂生产，达到了资源再利用的可持续发展要求。
4.本发明制备的吸附柱是有机-无机杂化膜，集中了聚偏氟乙烯分离膜的优点以及壳聚糖、蒙脱石的吸附性能，膜物理性能稳定，纯水通量和亲水性有一定程度的提高。
5.本发明的吸附柱具有耐压性能好、无需支撑体、膜组件可做成任意大小和形状、膜组件内装填密度大、单位体积膜面积和通量大等优点。