申请日2007.05.31
公开(公告)日2007.11.07
IPC分类号C02F3/32
摘要
本发明属于环保技术领域，尤其涉及利用微藻处理污水的装置及其处理方法。为提供一种可以充分提高光合作用效率，大幅提高微藻的密度和产量，近而大副提高污水的处理效率、缩短处理时间的利用微藻处理污水的装置及其处理方法，本发明采用的技术方案是：包括培养基，培养基包括碳源、氮源、磷源、铁源、无机盐，其中所述的碳源为碳酸钠、碳酸氢钠，碳酸、二氧化碳或其混合物;所述的氮源选自有机氮化合物、无机氮化合物或其混合物;所述的铁源为有机铁化合物、无机铁化合物或其混合物;所述的无机盐为一种或多种选自下列的物质：钠盐、钾盐、镁盐、钙盐、锰盐、钻盐、钼酸盐、锌盐、硼化物、铁盐、铜盐或其混合物。本发明主要用于污水处理。
权利要求书
1、利用微藻处理污水的装置，其特征是，包括培养基，培养基包括碳源、氮源、磷源、鉄源、 无机盐，其中所述的碳源为碳酸钠、碳酸氢钠，碳酸、二氧化碳或其混合物;所述的氮 源选自有机氮化合物、无机氮化合物或其混合物;所述的鉄源为有机铁化合物、无机鉄 化合物或其混合物;所述的无机盐为一种或多种选自下列的物质：钠盐、钾盐、镁盐、 钙盐、锰盐、钻盐、钼酸盐、锌盐、硼化物、鉄盐、铜盐或其混合物。
2、根据权利要求1所述的利用微藻处理污水的装置，其特征是，所述的无机氮化合物包括硝 酸盐、铵盐或其混合物，有机氮化合物为尿素。
3、根据权利要求1所述的利用微藻处理污水的装置，其特征是，所述的碳源浓度为0-50mM/L， 所用的氮源浓度是0.01-50mM/L;所述的磷源浓度为0.01-1.0mM;所述的无机盐浓度， 以钠盐为标准，为0.01-100ppm。
4、根据权利要求1所述的利用微藻处理污水的装置，其特征是，培养基pH值为5.0-11.0。
5、利用微藻处理污水的处理方法，其特征是，包括微藻的预培养和利用微藻处理污水步骤， 微藻的预培养包括下述步骤：
A藻藻类进行驯化、筛选;
B驯化后藻类在权利要求1培养基中在微藻逐级培养系统中进行预培养;
C藻种的室外开放式培养。
6、根据权利要求5所述的利用微藻处理污水的处理方法，其特征是，利用微藻处理污水，包 括下述步骤：
1利用微藻处理污水;
2采用浮游动物虑食水处理后的微藻;
3浮游动物的收集;
4浮游动物的加工。
7、根据权利要求5所述的利用微藻处理污水的处理方法，其特征是，所述的培养温度为5-45 ℃，优选为10-30℃，更优选为15-25℃。
8、根据权利要求5所述的利用微藻处理污水的处理方法，其特征是，所述的培养是在通气或 者不通气并且搅拌条件下进行的，所述的培养是在人工光源或自然光源下培养的，所述 的培养是在冲气或者不冲气并且搅拌条件下进行的，培养系统为封闭式的或开放的培养 设施。
9、根据权利要求6所述的利用微藻处理污水的处理方法，其特征是，所述的浮游动物的收集 是采用过滤的方法，采用的过滤装置为100-300目，即孔径为150-50uM。
说明书
利用微藻处理污水的装置及其处理方法
技术领域
本发明属于环保技术领域，涉及污水处理技术，尤其涉及利用微藻处理污水的装置及其 处理方法。
背景技术
水是人类赖以生存的最基本的自然资源，是其它任何资源所无法替代的。我国是一个缺 水的国家，人均水资源占有量大约是世界平均水平的25%，而随着经济的发展，缺水状况也 将会越来越严重。因此，为了从根本上解决缺水问题，有效的节约现有水资源，保持经济可 持续发展，必须坚持优化用水和水的循环再利用道路。而日趋恶化的水环境更加剧了可利用 水资源的不足，越来越成为经济和社会发展的重要制约因素。因而珍惜水资源，建立水污染 防治体系，遏制水环境恶化趋势显得十分迫切。
同时，我国是世界上环境污染最为严重的国家之一，全国每年污水排放达360亿吨，其 中仅10%的生活污水和70%的工业废水得到处理，约有一半工业污水处理设施的出水达不到国 家排放标准。其它未经处理的污水直接排入江河湖海，致使我国的水环境遭受严重污染和破 坏。一些地区的饮用水源受到严重污染，对人民健康造成严重危害。
我国的江河湖库水体污染主要包括氮磷等营养物和有机物污染两方面。总氮、总磷在水 体中的污染会造成水体的富营养化，引起“水华”或者“赤潮”，给水域生态、生活生产以及 人体健康也造成严重危害。对于富营养化的控制，发达国家以控制营养盐为主，大多采取“高 强度治污-自然生态恢复”的技术路线，即控制外源污染输入并配合生态恢复措施，在这方 面已经取得较大成效。对受污染的江河湖库水体进行修复以及减少污染向环境中的排放已是 社会经济发展及生态环境建设的迫切需要。
目前污水主要采用厌氧或需氧微生物降解技术除去污水中的有机物，因此处理过的污水 中仍然含有过量的硝酸、盐氨和磷酸盐，所以，废水二级处理后水的进一步脱氮和除磷的问 题成为国内外研究的难点和重点。如果采用物理或化学方法除去这些离子，一是成本非常高， 二是容易造成二次污染和这些营养物质的浪费。目前我国的污水处理厂设计采用的脱氮除磷 工艺主要通过聚磷菌在厌氧和好氧的循环实现磷的去除，通过硝化菌和反硝化菌实现脱氮。 现行各工艺均包含着空间或时间上厌氧、缺氧、好氧三种状态的交替，由于每种细菌对营养 物质和生长条件有不同的需要，而不同微生物都要参与到系统的高效脱氮除磷流程中，因此要 保证所有的微生物是不可能的，这就使得系统很难达到高效运行。而且同样存在着工艺复杂、 需要人为充气或加入有机碳源，而且造成氮磷营养的浪费。近几十年来，利用微藻处理含有 氮和磷的二级和三级污水由于具有投资少、成本低以及容易操作等特点，越来越引起了人们 的注意并且得到了广泛的研究。许多研究表明，许多微藻在生长过程中可以有效的吸收和同 化水中的氮和磷等营养成分，因此具有处理含有氮、磷等成分的可能性，可以同时除去污水 中的有机物，藻类净化水质的机理是通过光合作用向水体供氧，增加水体的溶解氧，使好氧 菌能够不断地进行有机质的降解，而藻类则利用细菌降解有机质产生的CO2。此外，微藻属 于一类生物多样性复杂的、远远还没有得到开发的生物资源，因此可以通过筛选不同的微藻 品系、微藻与微藻的组合以及微藻与细菌相结合来处理特定的污水。大量研究还表明，微藻 除了可以用来处理含有氮磷等无机营养成分的污水外，微藻还有可能用来处理高浓度的有机 污水。由于藻类可以进行光合作用，因此，生物-生态水体修复的工程造价相对较低，不需 耗能或低耗能，运行成本低廉。再有，所需的微藻种类具有来源广、繁殖快的特点，例如能 在一定条件下，对其进行筛选、定向驯化、富集培养。另外，这种处理技术不向水体投放药 剂，不会形成二次污染。最后，作为自养光合生物，可以在处理污水的同时用来生产生物量， 而后者则可以应用于动物的饲料、饲料添加剂或者用来提取精细化工产品和新型生物能源。 污水处理后繁殖的微藻还可以作为水中富有生物的食物，而后者则可以直接作为经济水产品 的鲜活饵料或经过采收加工。所以，这种廉价实用技术十分适用我国的污水处理工作。
虽然可以用开放性的培养池，即所谓的高效氧化塘(HROP)来培养微藻并处理农业、工业和 城市污水，但由于污水处理过程完成后，从处理过的水体中回收微藻非常的复杂，因此限制 了微藻在污水处理中的应用。目前主要采用三种方法来除去水体中的微藻：砂过滤法、离心 法和化学絮凝法，这些方法或者是效率低、成本高，或者是产生大量含有微藻的污泥而产生 二次污染。因此利用微藻处理污水后的的处理问题成为利用微藻处理污水实际应用的一大瓶 颈，为此研究人员提出了采用固定华技术处理污水的概念。所谓微藻固定化培养，既在利用 微藻处理污水之前，把正在生长的微藻固定在一定的基质中然后再进行污水处理被认为是一 种比较可行的方法，因为采用固定化培养的微藻处理污水可以免去污水处理后，藻、水的分 离问题。目前所有有关微藻固定化培养处理方面都处在实验室阶段，而且所研究的微藻的种 类非常有限，而且不太成熟。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种可以充分提高光合作用效率，大 幅提高微藻的密度和产量，近而大副提高污水的处理效率、缩短处理时间的利用微藻处理污 水的装置及其处理方法，本发明采用的技术方案是：利用微藻处理污水的装置，包括培养基， 培养基包括碳源、氮源、磷源、鉄源、无机盐，其中所述的碳源为碳酸钠、碳酸氢钠，碳酸、 二氧化碳或其混合物;所述的氮源选自有机氮化合物、无机氮化合物或其混合物;所述的鉄 源为有机鉄化合物、无机鉄化合物或其混合物;所述的无机盐为一种或多种选自下列的物质： 钠盐、钾盐、镁盐、钙盐、锰盐、钻盐、钼酸盐、锌盐、硼化物、鉄盐、铜盐或其混合物。
所述的无机氮化合物包括硝酸盐、铵盐或其混合物，有机氮化合物为尿素。
所述的碳源浓度为0-50mM/L，所用的氮源浓度是0.01-50mM/L;所述的磷源浓度为 0.01-1.0mM;所述的无机盐浓度，以钠盐为标准，为0.01-100ppm。
培养基pH值为5.0-11.0。
包括微藻的预培养和利用微藻处理污水步骤，微藻的预培养包括下述步骤：
A藻藻类进行驯化、筛选;
B驯化后藻类在权利要求1培养基中在微藻逐级培养系统中进行预培养;
C藻种的室外开放式培养。
利用微藻处理污水，包括下述步骤：
1利用微藻处理污水;
2采用浮游动物虑食水处理后的微藻;
3浮游动物的收集;
4浮游动物的加工。
所述的培养温度为5-45℃，优选为10-30℃，更优选为15-25℃。
所述的培养是在通气或者不通气并且搅拌条件下进行的，所述的培养是在人工光源或自 然光源下培养的，所述的培养是在冲气或者不冲气并且搅拌条件下进行的，培养系统为封闭 式的或开放的培养设施。
所述的浮游动物的收集是采用过滤的方法，采用的过滤装置为100-300目，即孔径为 150-50uM。
本发明可以带来以下效果：
本发明在培养基中只需添加一些无机盐，不许添加有机物作为营养，以光能作为能源， 具有投资少、成本低、培养简单等优点。
本发明采用光生物反映器，采用自动化控制，不但可以稳定的控制污水处理参数，提高 处理效率，还可以减少劳动强度。
本发明采用多级培养模式培养微藻，可以缩短微藻的预培养时间。
具体实施方式
本发明提供了一种淡水微藻用的培养基，包括碳源、氮源、磷源、鉄源、无机盐，其中 所述的碳源包括碳酸钠、碳酸氢钠，碳酸、二氧化碳或其混合物;所述的氮源选自有机氮化 合物、无机氮化合物或其混合物;混合物;所述的无机氮化合物包括硝酸盐、硫酸按、氯化 铵或其混合物，有机氮化合物包括尿素、脯氨酸、精氛酸、天冬氛酸、酪氛酸、蛋白陈、谷 氨酸或其混合物。所述的鉄源为有机鉄化合物、无机鉄化合物或其混合物;所述的无机盐这 为一种或多种选自下列的物质：钠盐、钾盐、镁盐、钙盐、锰盐、钻盐、钼酸盐、锌盐、硼 化物、铜盐及其混合物。
在本发明的培养基中，其中所述的碳源浓度为0-50mM/L，所用的氮源浓度是0.01-50mM; 所述的磷源浓度为0.001-0.5mM;所述的鉄源浓度为0.01-20uM;所述的无机盐浓度，以钠盐 为标准，为0.01-100ppm。其pH值为3.0-12.0;温度为5-45oC，光照为自然光照或者人工 光照
本发明还提供了一种在上述的培养基中培养微藻的方法。这种方法是在通气和机械搅拌 条件进行。所述的微藻是蓝藻和绿藻中的一种，富含营养成分尤其是蛋白质和不饱和脂肪酸 小球藻(Chlorella衣藻Chlamydomonas，红球藻Haematococcus，Scenedesmus， Synechococcus，Phormidium，Anabaena，Synechococcus sp.strain PCC 7942)等。藻种 保存在固体斜面或液体培养基中。
本发明的目的是提供一种培养微藻同时除去污水中的总氮总磷的方法，微藻培养过程中 不需添加有机碳源，它是采用封闭式或者开放式培养系统，培养微藻，该方法采用光能自养 方法培养微藻，与其它方法相比，在培养基中只需添加一些无机盐，不许添加有机物作为营 养，以光能作为能源，具有投资少、成本低、培养简单等优点。
本发明采用多级式微藻培养系统，采用大面积开放式和封闭式养殖微藻的相结合的方法 及设施，封闭式培养是指在封闭的透明容器。开放式培养指在露天或温室内的培养池中培养， 在培养殖池：池体有钢筋混凝土或土壤建成的池子，覆盖或不覆盖塑料或橡胶质的薄膜，中 间有隔离带，池中有搅拌装置，使培养液循环流动;池上设置由钢材或其它材料等作骨架， 玻璃钢、玻璃、有机玻璃或者塑料薄膜作壁、顶的罩棚，棚的四周由通气窗口。这种养殖池 长年不用维修，可减少培养液污染，延长养殖生产期。本发明方法能够在温度较低的情况下， 利用浅水道式光生物反应反应器提前开始扩种养殖，有效地缩短了扩种周期，就为室外大面 积的养殖和生产提供了高密度的、优质的种源，从而节约了处理时间。
本发明采用多级培养模式培养微藻，可以缩短微藻的预培养时间。包括下列步骤：
藻种的筛选;
微藻在光生物反应器中进行封闭式培养;
微藻再温室或室外的开放式培养池中进行培养;
采用浓缩的方法，或者直接把微藻转移至污水中;
本发明延长了微藻的培养周期，提高了微藻的生长繁殖速度。
本发明利用微藻迅速除去污水中的总氮、总磷。
本发明解决了污水处理后微藻和水分离的问题，采用浮游动物如轮虫、水蚤等动物滤食 掉水中的微藻，处理后的水可以用作水产养殖，改善水的物理化学特性。包括下列步骤;
浮游生物的筛选、驯化
浮游动物的预培养
浮游动物在经过微藻处理后含有微藻的污水中的培养
浮游动物的收集利用与水的分离
本发明解决了处理后水中浮游动物的处理问题，可以通过浮游动物的收集加工为水产养 殖提供饵料，也可以为水产养殖提供鲜活饵料，采收加工，处理后作为鱼粉替代品、饲料， 冷冻饵料，获取廉价动物蛋白。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
将小球藻培养在表一所示的培养基中，接种密度为500万细胞/ml，培养5-10天后，将小 球藻液转移至氮浓度为mg/ml，磷浓度为mg/ml的污水中，污水已经160目～200目筛绢(孔径 为120um)的筛网过滤，再经过5-10天，接入轮虫，密度为0.2-2个轮虫/ml，经过7-10天后，水 体用200-300目筛网过滤，水可以用作水产养殖或者排放。
母液 最终浓度
NaNO3 1.5g 1.5g/L
CaCl2 18g/500ml 1ml/L 36mg/L
Na2CO3 10/500ml 1ml/L 20mg/L
MgSO4.7H2O 37.5g/500ml 1ml/L 75mg/L
K2HPO4 15.25g/500ml 1ml/L 30.5mg/L
或者：
K2HPO4·3H2O 20g/500ml 1ml /L 40mg/L
Fe-EDTA mix 1ml/L
A5+Co 1ml/L
Fe-EDTA
Na2EDTA 0.1g/100ml 1ppm
Fe.NH3Citrate 0.1g/100ml 1ppm
Citric Acid 0.6g/100ml 6ppm
微量元素
g/L Final Concentration
H3BO3 2.86 2.86ppm
MnCl2.2H2O 1.81 1.81ppm
ZnSO4.7H2O 0.22 0.22ppm
Na2MoO4.2H2O 0.39 0.39ppm
CuSO4.5H2O 0.079 0.079ppm
Co(NO3)2.6H2O 0.494 0.494ppm
实施实例2
将小球藻培养在表二所示的培养基中，接种密度为500万细胞/ml，分别在5℃、45℃， 优选为10℃、30℃，更优选为15℃、25℃，培养5-10天后，将小球藻液转移至氮浓度为mg/ml， 磷浓度为mg/ml的污水中，污水已经120目(孔径为120um)的筛网过滤，温度分别在5℃、45 ℃，优选为10℃、30℃，更优选为15℃、25℃，再经过5-10天，接入轮虫，密度为0.2-2个 轮虫/ml，经过7-10天后，水体用200-300目筛网过滤，水可以用作水产养殖或者排放。
Stock solutions Per 400ml Final Conc(mg/L)
1 NaNO3 10.0g 250
2 MgSO4.7H2O 3.0g 25
3 NaCl 1.0g 75
4 K2HPO4 3.0g 75
5 KH2PO4 7.0g 175
6 CaCl2.2H2O 1.0g 25
per L
Trace element solution
ZnSO4.7H2O 8.82g 8.82
MnCl2.4H2O 1.44g 1.44
MoO3 0.72g 0.72
CuSO4.5H2O 1.57g 1.57
Co(NO3)2.6H2O 0.49g 0.49
Autoclave to dissolve
8 H3BO3 11.42g 11.42
9 EDTA-KOH solution
Na2EDTA 50.0g 50
KOH 31.0g 31
10 FeSO4.7H2O 4.98g 4.98
H2SO4(concentrated) 1.0ml 1.0
Final Solution
Per L
Stock solution 1-6 10.0ml each
Stock solution 7-10 1.0ml each
实施实例3
将小球藻培养在表一所示的培养基中，接种密度为500万细胞/ml，培养5-10天后，将小 球藻液转移至氮浓度为mg/ml，磷浓度为mg/ml的污水中，污水已经120目(孔径为120um)的筛 网过滤，再经过5-10天，接入轮虫，密度为0.2-2个轮虫/ml，经过7-10天后，水体用100-300 目筛网过滤，200-300目筛网尤佳，水可以用作水产养殖或者排放。
mL stock solution g/400 mL H2O Final(mg/L)
10 NaNO3 10.0 250
10 CaCl2.2H2O 1.0 25
10 MgSO4.7H2O 3.0 75
10 K2HPO4 3.0 72
10 KH2PO4 7.0 175
10 NaCl 1.0 25
2mL of PIV trace element solution
PIV metal solution.
To 1000mL of glass-distilled water，add 0.750g of Na2EDTA，and dissolve fully. Add the following salts in the amounts indicated：
Na2EDTA 1.5
FeCl3.6H2O 97mg 0.194
MnCl2.4H2O 41mg 0.082
ZnCl2 5mg 0.01
CoCl2.6H2O 2mg 0.004
Na2MoO4.2H2O 4mg 0.008
实施实例4
将微绿球藻培养在表一所示的培养基中，接种密度为500万细胞/ml，培养5-10天后，将 微绿球藻液转移至氮浓度为mg/ml，磷浓度为mg/ml的污水中，污水已经120目(孔径为120um) 的筛网过滤，再经过5-10天，接入桡足类，，经过7-10天后，当密度达到密度为1000-6000个 体/升时水体用50-120目筛网过滤，水可以直接用作水产养殖或者排放。
此外，在碳源为碳酸钠、碳酸氢钠，碳酸、二氧化碳或其混合物情况下;在氮源选自有 机氮化合物、无机氮化合物或其混合物的情况下;在鉄源为有机鉄化合物、无机鉄化合物或 其混合物的情况下;在无机盐为一种或多种选自下列的物质：钠盐、钾盐、镁盐、钙盐、锰 盐、钻盐、钼酸盐、锌盐、硼化物、鉄盐、铜盐及其混合物的情况下分别进行了试验，能够 产生培养效果，但不如前述1、2、3、4实施例的效果好。
在无机氮化合物包括硝酸盐、或铵盐或其混合物情况下，在有机氮化合物为尿素、脯氨 酸、精氛酸、天冬氛酸、酪氛酸、蛋白陈、谷氨酸或其混合物的情况下也分别进行了试验， 在碳源浓度为0、50mM/L，氮源浓度是0.01、50mM/L;磷源浓度为0.01、1.0mM;无机盐浓 度，以钠盐为标准，为0.01、100Ppm分别进行试验，不如前述1、2、3、4实施例的效果好。