本發(fā)明涉及一種膜光生物反應(yīng)器中利用市政污水高密度培養(yǎng)微藻的方法，屬于環(huán)境工程和微藻培養(yǎng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

藻細胞含蛋白質(zhì)、維生素、微量元素及多糖等多種營養(yǎng)成份。微藻在生長繁殖過程中需吸收利用大量碳氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)。如何減少培養(yǎng)過程中營養(yǎng)鹽和淡水的使用，是實現(xiàn)微藻規(guī)?；?、商業(yè)化利用過程的關(guān)鍵。

基于微藻對碳氮磷的較高吸收率特性，利用污水培養(yǎng)微藻近年來得到廣泛研究。市政污水供應(yīng)量大，且生活污水管網(wǎng)體系使之更加易于形成規(guī)?；墓?yīng)，同時市政污水污染程度相對較低、生化活性較高，易于實現(xiàn)微藻的培養(yǎng)。利用市政污水培養(yǎng)微藻既可獲得微藻生物量、獲得蛋白質(zhì)、多糖等產(chǎn)品，降低生產(chǎn)成本，又可回收利用污水中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，凈化污水。

但是，與藻類培養(yǎng)基相比，市政污水的氮磷含量相對較低，利用市政污水培養(yǎng)微藻的過程中，如果無法實現(xiàn)藻水分離，則難以為微藻的生長提供足量持續(xù)的營養(yǎng)鹽。且排水的同時易將藻細胞帶出，反應(yīng)器中難以保持藻細胞的高密度培養(yǎng)，同時導致出水水質(zhì)達不到排放要求。為解決這個問題，利用膜光生物反應(yīng)器(membrane photobioreactor,MPBR)培養(yǎng)微藻成為較優(yōu)選擇。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的主要目的是通過污水資源化利用來培養(yǎng)微藻，獲得微藻生物量，降低微藻生產(chǎn)成本。通過選取初沉池出水，添加NaHCO₃，將其作為螺旋藻培養(yǎng)基。以生物量表征螺旋藻的生長情況，檢測MPBR進出水中的NH₄⁺-N、TN、TP、HCO₃^-表征污水中碳氮磷利用情況。

本發(fā)明的膜光生物反應(yīng)器中利用市政污水高密度培養(yǎng)微藻的方法，是在市政污水中添加0.8g/L～8g/L的NaHCO₃得到微藻培養(yǎng)基，然后將微藻培養(yǎng)基添加到膜光生物反應(yīng)器中，將藻細胞接種于膜生物反應(yīng)裝置中，控制水力停留時間7d～1.5d，培養(yǎng)微藻；通過氣體供給裝置在光生物反應(yīng)裝置中連續(xù)曝氣，曝氣量為0.2vvm～0.4vvm；微藻培養(yǎng)過程中通過膜組件的過濾作用，將藻細胞截留在反應(yīng)器中，排出污水；同時可排出濃藻液，實現(xiàn)微藻采收。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述市政污水為無錫太湖新城污水處理廠初沉池出水。

在一種實施方式中，所述市政污水的水質(zhì)參數(shù)如下：pH范圍為7.2～7.7，HCO₃^-濃度范圍為0.2～0.4g/L，COD濃度范圍為125～230mg/L，NH₄⁺-N濃度范圍為13～36mg/L，TN濃度范圍為18～50mg/L，TP濃度范圍為1.9～3.1mg/L。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述市政污水為無錫太湖新城污水處理廠初沉池出水。

在一種實施方式中，藻細胞的接種密度為0.3g/L～0.6g/L；光強為3000lux～6000lux，光源為自然光源或人造光源，光暗比為12:12～16:8；溫度為25℃～35℃。

在一種實施方式中，藻細胞的接種密度為0.5g/L，于光強3000Lux，溫度(30±1)℃，光暗比16/8條件下培養(yǎng)。

在一種實施方式中，微藻培養(yǎng)期間利用空氣泵以曝氣的方式向光生物反應(yīng)器中不間斷通入空氣，氣速為1.63L/min。

在一種實施方式中，當藻細胞進入對數(shù)期(濃度較高且生長速率較快)時，采用半連續(xù)培養(yǎng)方式培養(yǎng)螺旋藻；通過膜組件的過濾作用，將藻細胞截留在反應(yīng)器中，排出污水；初始水力停留時間(hydraulic detention time，HRT)設(shè)置為7d，根據(jù)微藻生長和出水水質(zhì)逐漸減小HRT；HRT＝1.75d時，采用連續(xù)培養(yǎng)方式培養(yǎng)螺旋藻，同時排出濃藻液，實現(xiàn)微藻采收。

在一種實施方式中，所述方法是采用半連續(xù)培養(yǎng)；所述半連續(xù)培養(yǎng)為每天定時將反應(yīng)器中污水排出，同時加入相同體積的市政污水，維持反應(yīng)器中藻液體積不變。

在一種實施方式中，所述方法是采用半連續(xù)培養(yǎng)或者連續(xù)培養(yǎng)。

在一種實施方式中，所述是采用半連續(xù)培養(yǎng)；半連續(xù)培養(yǎng)的具體方法是：將螺旋藻接種至添加1g/L NaHCO₃的市政污水中，當MPBR藻密度達到1g/L～1.2g/L時，進行半連續(xù)培養(yǎng)，初始HRT設(shè)置為7d，根據(jù)每天微藻的生長情況和污水中NH₄⁺-N的去除情況逐漸減小HRT至1.5d，保持反應(yīng)器的穩(wěn)定運行。

在一種實施方式中，所述方法是采用連續(xù)培養(yǎng)；所述連續(xù)操作培養(yǎng)為利用蠕動泵，持續(xù)將反應(yīng)器中污水排出，同時利用蠕動泵持續(xù)向反應(yīng)器中加入相同體積的市政污水，維持反應(yīng)器中藻液體積不變。

在一種實施方式中，所述連續(xù)培養(yǎng)的具體方法是：將螺旋藻接種至添加0.8g/L NaHCO₃的市政污水中，當MPBR藻密度達到1.8g/L～2.0g/L時，進行連續(xù)培養(yǎng)，HRT為1.75d，微藻停留時間為25d，每天采收藻液，保持反應(yīng)器的穩(wěn)定運行。

在一種實施方式中，所述水力停留時間為反應(yīng)器中藻液總體積與每天加入至反應(yīng)器中污水的體積之比，計算公式：

式中HRT-水力停留時間，d；V-反應(yīng)器中藻液總體積，7L；V_in-每天加入至反應(yīng)器中污水的體積，L/d。

在一種實施方式中，所述微藻為螺旋藻。

在一種實施方式中，所述膜組件安裝在光生物反應(yīng)器中。

在一種實施方式中，所述方法是利用PVDF平板膜進行藻水分離，膜孔徑為1μm。

在一種實施方式中，培養(yǎng)和采收過程中連續(xù)曝氣，使藻液混合均勻同時減少膜污染。

在一種實施方式中，所述膜光生物反應(yīng)器包括光生物反應(yīng)裝置、光照裝置、氣體供給裝置、膜滲透裝置、滲透液收集裝置；所述光照裝置位于光生物反應(yīng)裝置外側(cè)；所述光生物反應(yīng)裝置上部設(shè)有進樣口和出氣口，下部設(shè)有出樣口和膜組件卡槽，底部設(shè)有微孔曝氣管；所述氣體供給裝置通過管道與光生物反應(yīng)裝置底部的微孔曝氣管相連；所述膜滲透裝置安裝在光生物反應(yīng)裝置中；所述膜滲透裝置和滲透液收集裝置通過蠕動泵相連。

在一種實施方式中，所述光生物反應(yīng)裝置，頂部法蘭固定并密封，法蘭上插入溶氧檢測探頭、pH檢測探頭和CO₂檢測探頭。根據(jù)溶氧檢測探頭、pH檢測探頭的在線監(jiān)測數(shù)值，隨時調(diào)控培養(yǎng)液的溶氧濃度和pH值，維持微藻適宜的生長條件。

在一種實施方式中，所述光生物反應(yīng)器，為9.0L光生物反應(yīng)器(有效體積為7.0L)，于GXZ-380B光照培養(yǎng)箱中進行恒溫培養(yǎng)。

本發(fā)明還要求保護所述方法在食品、化工、藥物制備方面的應(yīng)用。

本發(fā)明的優(yōu)點和效果：

(1)本發(fā)明利用市政污水培養(yǎng)螺旋藻，基本能達到Zarrouk培養(yǎng)基的培養(yǎng)效果，且能夠減少化學藥品、淡水的使用，降低微藻生產(chǎn)成本。

(2)市政污水不需滅菌即可用于培養(yǎng)。

(3)通過膜組件的過濾作用，將藻細胞截留在反應(yīng)器中，實現(xiàn)微藻高密度培養(yǎng)；同時將處理過的污水排出，實現(xiàn)對污水的處理。

附圖說明

圖1：膜光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；其中：1光生物反應(yīng)裝置，2膜滲透裝置，3法蘭，4微孔曝氣管，5出樣口，6膜組件卡槽，7進樣口，8出氣口，9氣體供給裝置，10氣體流量計，11光照裝置，12蠕動泵，13滲透液收集裝置；

圖2：三種培養(yǎng)條件下螺旋藻的生長；

圖3：添加NaHCO₃污水中碳氮磷的變化；

圖4：不同HRT下微藻生物量、pH值以及出水中氨氮變化；

圖5：連續(xù)培養(yǎng)過程中微藻生物量變化。

具體實施方案

下面是對本發(fā)明進行具體描述。

實施例1：

本發(fā)明所使用的膜光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示(與CN 204727884U中圖1的反應(yīng)器基本一致)。

所述膜光生物反應(yīng)器包括光生物反應(yīng)裝置1、光照裝置11、氣體供給裝置9、膜滲透裝置2、滲透液收集裝置13；所述光照裝置11位于光生物反應(yīng)裝置1外側(cè)；所述光生物反應(yīng)裝置1上部設(shè)有進樣口7和出氣口8，下部設(shè)有出樣口5和膜組件卡槽6，底部設(shè)有微孔曝氣管4；所述氣體供給裝置9通過管道與光生物反應(yīng)裝置1底部的微孔曝氣管4相連；所述膜滲透裝置2安裝在光生物反應(yīng)裝置1中；所述膜滲透裝置2和滲透液收集裝置13通過蠕動泵相連。

所述光生物反應(yīng)裝置1，頂部法蘭3固定并密封，法蘭3上插入溶氧檢測探頭、pH檢測探頭和CO₂檢測探頭。根據(jù)溶氧檢測探頭、pH檢測探頭的在線監(jiān)測數(shù)值，隨時調(diào)控培養(yǎng)液的溶氧濃度和pH值，維持微藻適宜的生長條件。

實施例2：碳源添加對螺旋藻的生長及污水中營養(yǎng)鹽去除的影響

(1)碳源添加對螺旋藻生物量的影響

本實施例中所用的螺旋藻Spirulina platensis，其購自中科院水生生物研究所淡水藻種庫，編號FACHB-901；所用市政污水取自無錫太湖新城污水處理廠初沉池出水，水質(zhì)指標如表1所示。

表1市政污水水質(zhì)

利用污水培養(yǎng)微藻過程中微藻生物量變化如圖2所示。圖2結(jié)果表明，未添加碳源的污水原水中螺旋藻生物量持續(xù)下降，生長至第3天死亡，表明污水原水無法直接用于培養(yǎng)螺旋藻。

添加8g/LNaHCO₃污水中，螺旋藻前4天生長緩慢，可能是螺旋藻需適應(yīng)污水環(huán)境因而延遲期較長；4天后生物量逐漸增加，培養(yǎng)至12天，污水中微藻生物量最高為1.509g/L，由此得到補加8g/L NaHCO₃后，初沉池出水可以用于螺旋藻的培養(yǎng)。第13天微藻開始死亡，可能是污水中的營養(yǎng)物質(zhì)耗盡引起的。與Zarrouk培養(yǎng)基中螺旋藻生長12天的生物量(1.741g/L)相比，污水中所獲得的微藻生物量略低。

(2)添加碳源污水中碳氮磷的變化

碳氮磷是螺旋藻生長繁殖所必需的營養(yǎng)元素，碳氮磷的缺乏會影響螺旋藻的生長，甚至引起藻細胞的死亡。培養(yǎng)過程中對污水中的NH₄⁺-N、TN、TP以及HCO₃^-進行分析。結(jié)果如圖3所示：隨著微藻的生長，污水中幾種營養(yǎng)鹽的濃度均逐漸下降。培養(yǎng)至第8天污水中NH₄⁺-N消耗完全。從TN的變化看，8天后TN濃度依然減小，可能是微藻利用污水中的有機氮進行了短期的生長繁殖。

培養(yǎng)至第10天污水中TP從初始1.555g/L減少至0.011g/L，第12天污水中檢測不到磷源的存在。污水中可供微藻生長利用的氨氮、磷源分別在第8天、第10天基本耗盡，導致微藻生物量12天后急劇下降，第14天死亡。

HCO₃^-從初始6.786g/L下降至第12天的3.187g/L，培養(yǎng)液中仍有一定濃度的HCO₃^-剩余，污水中碳源能夠滿足螺旋藻的生長需求。

實施例3：MPBR半連續(xù)培養(yǎng)過程中適宜水力停留時間的確定

將螺旋藻接種至添加1g/L NaHCO₃的市政污水中(水質(zhì)指標見表1)，當MPBR藻密度達到1g/L～1.2g/L時，進行半連續(xù)培養(yǎng)，初始HRT設(shè)置為7d，根據(jù)每天微藻的生長情況和污水中NH₄⁺-N的去除情況逐漸減小HRT至1.5d，保持反應(yīng)器的穩(wěn)定運行。其中，藻細胞的接種密度為0.5g/L，于光強3000Lux，溫度(30±1)℃，光暗比16/8條件下培養(yǎng)。

(1)不同HRT下微藻生物量、pH值以及出水中氨氮變化

不同HRT下MPBR中螺旋藻的生物量變化如圖4所示，當生物量達到1.105g/L時開始半連續(xù)培養(yǎng)。HRT為7d～2d(培養(yǎng)第0天至第12天)螺旋藻生長速率較快，生物量達1.995g/L；HRT<2d時螺旋藻進入穩(wěn)定期，生物量穩(wěn)定在2g/L左右。

pH變化如圖4所示，結(jié)果表明HRT＝7d至HRT＝4d(培養(yǎng)第0天至第8天)pH值變化不大，波動范圍為9.406～9.032；隨著HRT的減小，pH值波動范圍逐漸變大，當培養(yǎng)至第14天、HRT＝1.75d時，培養(yǎng)始末污水pH值變化范圍為8.478～9.066。為防止pH值下降不利于微藻的生長，當HRT＝1.5d時將每天定時進出水1次調(diào)節(jié)為每天定時進出水2次，即每12小時進出水1次，從第16天培養(yǎng)至第19天，發(fā)現(xiàn)pH值波動范圍為8.549～9.133，pH值略有升高。第20天時將每天定時進出水2次調(diào)節(jié)為每天定時進出水3次，即每8小時進出水一次，當HRT從1.5d調(diào)節(jié)為1.75d時，pH值波動范圍變小，為8.850～9.088。由此可見，少量多次的進出水方式有利于保持反應(yīng)器穩(wěn)定的運行環(huán)境，有利于微藻的生長。

初沉池污水中可供微藻利用的氮源主要為氨氮，隨著螺旋藻的生長、生物量的增大，逐漸減小HRT，測定出水中氨氮的變化，結(jié)果如圖4所示：初始HRT設(shè)置為7d時，第0天至第2天微藻逐漸適應(yīng)半連續(xù)培養(yǎng)模式，NH₄⁺-N濃度逐漸降低，出水NH₄⁺-N濃度從7.304mg/L降至0.452mg/L，達到城鎮(zhèn)污水處理廠出水一級A排放標準。第16天HRT調(diào)小為1.5d，出水中NH₄⁺-N濃度波動較大，其中第17天至第18天出水NH₄⁺-N濃度由0.735mg/L增大到10.760mg/L，表明HRT＝1.5d，微藻生物量濃度約為2g/L條件下不能充分吸收、消耗污水中NH₄⁺-N等各種營養(yǎng)鹽，導致出水NH₄⁺-N濃度升高。因此第20天后HRT調(diào)整為1.75d，運行至第24天，從第21天開始出水NH₄⁺-N濃度逐漸降低，從6.275mg/L降至第22天0.586mg/L，第23天、24天系統(tǒng)穩(wěn)定運行，出水NH₄⁺-N濃度波動范圍為0.169mg/L～0.380mg/L，達到一級A排放標準。

因此，MPBR內(nèi)利用市政污水半連續(xù)培養(yǎng)鈍頂螺旋藻，污水中添加1g/L NaHCO₃，HRT＝1.75d時可以保證反應(yīng)器的穩(wěn)定運行。每天處理污水量為4L/d，MPBR中藻密度范圍為1.8g/L～2.0g/L，出水NH₄⁺-N濃度達到一級A標準。

實施例4：MPBR連續(xù)培養(yǎng)過程中鈍頂螺旋藻的生長及污水中營養(yǎng)鹽的去除情況

將螺旋藻接種至添加0.8g/L NaHCO₃的市政污水中(水質(zhì)指標見表1)，當MPBR藻密度達到1.8g/L～2.0g/L時，進行連續(xù)培養(yǎng)，HRT為1.75d，微藻停留時間為25d，每天采收藻液，保持反應(yīng)器的穩(wěn)定運行。

(1)螺旋藻生物量變化

微藻生物量濃度達到約1.8g/L，進行連續(xù)培養(yǎng)實驗。生物量變化如圖5所示，連續(xù)培養(yǎng)至第6天，微藻生物量濃度上升至2.021g/L，設(shè)置微藻停留時間為25d，每天排出一定量藻液；連續(xù)運行至第13天，反應(yīng)器中微藻生物量能夠穩(wěn)定在1.795g/L～2.046g/L范圍內(nèi)，微藻生物質(zhì)產(chǎn)率為0.074g/L·d～0.082g/L·d。

(2)連續(xù)培養(yǎng)過程中監(jiān)測了污水中營養(yǎng)鹽的去除情況

出水NH₄⁺-N濃度達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物一級A排放標準，去除率為93.54％～98.97％；出水TN濃度達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物一級B排放標準，去除率在34.696％～56.041％范圍波動；出水TP濃度達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物一級B排放標準，去除率在45.15％～66.91％范圍波動。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動與修飾，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準。