申请日2011.01.14
公开(公告)日2013.11.20
IPC分类号C12P7/64; C02F3/34
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。
权利要求书
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， 所述CO2供气装置提供体积浓度15.0～30.0%的CO2气体，所述光生物反应器的容积为 100m3～10000m3，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。
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 CO2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CO2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 CO2气体分布器是环形CO2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 CO2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CO2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CO2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。
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 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。
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 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。
8.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。
9.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光 生物反应器的顶端的气体收集管中。
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光敏探头、温度计、pH电极及溶氧 电极四种仪器都具备且每种仪器至少设置一个，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。
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 CO2供气装置包括工业CO2废气储罐、空气压缩机和气体混合罐，所述工业CO2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。
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 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。
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 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。
14.根据权利要求13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。
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收集罐，所述第二藻液分离装置管 路连接所述收集罐。
说明书
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、CO2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CO2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CO2气体分布器，所述CO2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CO2供气装置管路连接。
所述CO2气体分布器可以采用任何合适的形状，更佳地，所述CO2气体分布器是环形 CO2气体分布器。
所述CO2气体分布器可以采用任何合适的大小，更佳地，所述CO2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CO2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CO2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100m3～ 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CO2供气装置可以是任何合适的装置，较佳地，所述CO2供气装置包括工业CO2废气储罐、空气压缩机和气体混合罐，所述工业CO2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CO2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CO2气体可以是任何来源的CO2气体。较佳地，所述CO2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30.0～50.0mg/L，氨氮为 10.0～16.0mg/L，总磷浓度为2.0～4.0mg/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(Chaetoceros Gracilis)、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)、杜氏 藻(Dunaliella sp.)和棱形藻(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1.0×107cfu/ml～ 6.0×107cfu/ml，所述培养的条件为：光照周期为10h∶14h～16h∶8h，光照强度为5000lux～ 15000lux，培养温度为20～30℃，pH为6.5～8.5，CO2气体通气量为0.01～0.2VVm。
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(Chlorella vulgaris)， 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 Culture Collection，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12～24h。
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CO2气体分布器分布CO2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、气泡分布均匀，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、CO2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100m3～10000m3)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CO2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15.0mg/L，氨氮浓度小于1.0mg/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%(v/v))，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 1.0×108cfu/ml～5.0×108cfu/ml，其油脂含量为25%～40%(W))，批处理时间可缩短到 12～24h，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。