一种膜光生物反应器中利用市政污水高密度培养微藻的方法与流程

本发明涉及一种膜光生物反应器中利用市政污水高密度培养微藻的方法，属于环境工程和微藻培养技术领域。

背景技术：

藻细胞含蛋白质、维生素、微量元素及多糖等多种营养成份。微藻在生长繁殖过程中需吸收利用大量碳氮磷等营养物质。如何减少培养过程中营养盐和淡水的使用，是实现微藻规模化、商业化利用过程的关键。

基于微藻对碳氮磷的较高吸收率特性，利用污水培养微藻近年来得到广泛研究。市政污水供应量大，且生活污水管网体系使之更加易于形成规模化的供应，同时市政污水污染程度相对较低、生化活性较高，易于实现微藻的培养。利用市政污水培养微藻既可获得微藻生物量、获得蛋白质、多糖等产品，降低生产成本，又可回收利用污水中氮磷等营养物质，净化污水。

但是，与藻类培养基相比，市政污水的氮磷含量相对较低，利用市政污水培养微藻的过程中，如果无法实现藻水分离，则难以为微藻的生长提供足量持续的营养盐。且排水的同时易将藻细胞带出，反应器中难以保持藻细胞的高密度培养，同时导致出水水质达不到排放要求。为解决这个问题，利用膜光生物反应器(membrane photobioreactor,MPBR)培养微藻成为较优选择。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的主要目的是通过污水资源化利用来培养微藻，获得微藻生物量，降低微藻生产成本。通过选取初沉池出水，添加NaHCO₃，将其作为螺旋藻培养基。以生物量表征螺旋藻的生长情况，检测MPBR进出水中的NH₄⁺-N、TN、TP、HCO₃^-表征污水中碳氮磷利用情况。

本发明的膜光生物反应器中利用市政污水高密度培养微藻的方法，是在市政污水中添加0.8g/L～8g/L的NaHCO₃得到微藻培养基，然后将微藻培养基添加到膜光生物反应器中，将藻细胞接种于膜生物反应装置中，控制水力停留时间7d～1.5d，培养微藻；通过气体供给装置在光生物反应装置中连续曝气，曝气量为0.2vvm～0.4vvm；微藻培养过程中通过膜组件的过滤作用，将藻细胞截留在反应器中，排出污水；同时可排出浓藻液，实现微藻采收。

在本发明的一种实施方式中，所述市政污水为无锡太湖新城污水处理厂初沉池出水。

在一种实施方式中，所述市政污水的水质参数如下：pH范围为7.2～7.7，HCO₃^-浓度范围为0.2～0.4g/L，COD浓度范围为125～230mg/L，NH₄⁺-N浓度范围为13～36mg/L，TN浓度范围为18～50mg/L，TP浓度范围为1.9～3.1mg/L。

在本发明的一种实施方式中，所述市政污水为无锡太湖新城污水处理厂初沉池出水。

在一种实施方式中，藻细胞的接种密度为0.3g/L～0.6g/L；光强为3000lux～6000lux，光源为自然光源或人造光源，光暗比为12:12～16:8；温度为25℃～35℃。

在一种实施方式中，藻细胞的接种密度为0.5g/L，于光强3000Lux，温度(30±1)℃，光暗比16/8条件下培养。

在一种实施方式中，微藻培养期间利用空气泵以曝气的方式向光生物反应器中不间断通入空气，气速为1.63L/min。

在一种实施方式中，当藻细胞进入对数期(浓度较高且生长速率较快)时，采用半连续培养方式培养螺旋藻；通过膜组件的过滤作用，将藻细胞截留在反应器中，排出污水；初始水力停留时间(hydraulic detention time，HRT)设置为7d，根据微藻生长和出水水质逐渐减小HRT；HRT＝1.75d时，采用连续培养方式培养螺旋藻，同时排出浓藻液，实现微藻采收。

在一种实施方式中，所述方法是采用半连续培养；所述半连续培养为每天定时将反应器中污水排出，同时加入相同体积的市政污水，维持反应器中藻液体积不变。

在一种实施方式中，所述方法是采用半连续培养或者连续培养。

在一种实施方式中，所述是采用半连续培养；半连续培养的具体方法是：将螺旋藻接种至添加1g/L NaHCO₃的市政污水中，当MPBR藻密度达到1g/L～1.2g/L时，进行半连续培养，初始HRT设置为7d，根据每天微藻的生长情况和污水中NH₄⁺-N的去除情况逐渐减小HRT至1.5d，保持反应器的稳定运行。

在一种实施方式中，所述方法是采用连续培养；所述连续操作培养为利用蠕动泵，持续将反应器中污水排出，同时利用蠕动泵持续向反应器中加入相同体积的市政污水，维持反应器中藻液体积不变。

在一种实施方式中，所述连续培养的具体方法是：将螺旋藻接种至添加0.8g/L NaHCO₃的市政污水中，当MPBR藻密度达到1.8g/L～2.0g/L时，进行连续培养，HRT为1.75d，微藻停留时间为25d，每天采收藻液，保持反应器的稳定运行。

在一种实施方式中，所述水力停留时间为反应器中藻液总体积与每天加入至反应器中污水的体积之比，计算公式：

式中HRT-水力停留时间，d；V-反应器中藻液总体积，7L；V_in-每天加入至反应器中污水的体积，L/d。

在一种实施方式中，所述微藻为螺旋藻。

在一种实施方式中，所述膜组件安装在光生物反应器中。

在一种实施方式中，所述方法是利用PVDF平板膜进行藻水分离，膜孔径为1μm。

在一种实施方式中，培养和采收过程中连续曝气，使藻液混合均匀同时减少膜污染。

在一种实施方式中，所述膜光生物反应器包括光生物反应装置、光照装置、气体供给装置、膜渗透装置、渗透液收集装置；所述光照装置位于光生物反应装置外侧；所述光生物反应装置上部设有进样口和出气口，下部设有出样口和膜组件卡槽，底部设有微孔曝气管；所述气体供给装置通过管道与光生物反应装置底部的微孔曝气管相连；所述膜渗透装置安装在光生物反应装置中；所述膜渗透装置和渗透液收集装置通过蠕动泵相连。

在一种实施方式中，所述光生物反应装置，顶部法兰固定并密封，法兰上插入溶氧检测探头、pH检测探头和CO₂检测探头。根据溶氧检测探头、pH检测探头的在线监测数值，随时调控培养液的溶氧浓度和pH值，维持微藻适宜的生长条件。

在一种实施方式中，所述光生物反应器，为9.0L光生物反应器(有效体积为7.0L)，于GXZ-380B光照培养箱中进行恒温培养。

本发明还要求保护所述方法在食品、化工、药物制备方面的应用。

本发明的优点和效果：

(1)本发明利用市政污水培养螺旋藻，基本能达到Zarrouk培养基的培养效果，且能够减少化学药品、淡水的使用，降低微藻生产成本。

(2)市政污水不需灭菌即可用于培养。

(3)通过膜组件的过滤作用，将藻细胞截留在反应器中，实现微藻高密度培养；同时将处理过的污水排出，实现对污水的处理。

附图说明

图1：膜光生物反应器结构示意图；其中：1光生物反应装置，2膜渗透装置，3法兰，4微孔曝气管，5出样口，6膜组件卡槽，7进样口，8出气口，9气体供给装置，10气体流量计，11光照装置，12蠕动泵，13渗透液收集装置；

图2：三种培养条件下螺旋藻的生长；

图3：添加NaHCO₃污水中碳氮磷的变化；

图4：不同HRT下微藻生物量、pH值以及出水中氨氮变化；

图5：连续培养过程中微藻生物量变化。

具体实施方案

下面是对本发明进行具体描述。

实施例1：

本发明所使用的膜光生物反应器结构如图1所示(与CN 204727884U中图1的反应器基本一致)。

所述膜光生物反应器包括光生物反应装置1、光照装置11、气体供给装置9、膜渗透装置2、渗透液收集装置13；所述光照装置11位于光生物反应装置1外侧；所述光生物反应装置1上部设有进样口7和出气口8，下部设有出样口5和膜组件卡槽6，底部设有微孔曝气管4；所述气体供给装置9通过管道与光生物反应装置1底部的微孔曝气管4相连；所述膜渗透装置2安装在光生物反应装置1中；所述膜渗透装置2和渗透液收集装置13通过蠕动泵相连。

所述光生物反应装置1，顶部法兰3固定并密封，法兰3上插入溶氧检测探头、pH检测探头和CO₂检测探头。根据溶氧检测探头、pH检测探头的在线监测数值，随时调控培养液的溶氧浓度和pH值，维持微藻适宜的生长条件。

实施例2：碳源添加对螺旋藻的生长及污水中营养盐去除的影响

(1)碳源添加对螺旋藻生物量的影响

本实施例中所用的螺旋藻Spirulina platensis，其购自中科院水生生物研究所淡水藻种库，编号FACHB-901；所用市政污水取自无锡太湖新城污水处理厂初沉池出水，水质指标如表1所示。

表1市政污水水质

利用污水培养微藻过程中微藻生物量变化如图2所示。图2结果表明，未添加碳源的污水原水中螺旋藻生物量持续下降，生长至第3天死亡，表明污水原水无法直接用于培养螺旋藻。

添加8g/LNaHCO₃污水中，螺旋藻前4天生长缓慢，可能是螺旋藻需适应污水环境因而延迟期较长；4天后生物量逐渐增加，培养至12天，污水中微藻生物量最高为1.509g/L，由此得到补加8g/L NaHCO₃后，初沉池出水可以用于螺旋藻的培养。第13天微藻开始死亡，可能是污水中的营养物质耗尽引起的。与Zarrouk培养基中螺旋藻生长12天的生物量(1.741g/L)相比，污水中所获得的微藻生物量略低。

(2)添加碳源污水中碳氮磷的变化

碳氮磷是螺旋藻生长繁殖所必需的营养元素，碳氮磷的缺乏会影响螺旋藻的生长，甚至引起藻细胞的死亡。培养过程中对污水中的NH₄⁺-N、TN、TP以及HCO₃^-进行分析。结果如图3所示：随着微藻的生长，污水中几种营养盐的浓度均逐渐下降。培养至第8天污水中NH₄⁺-N消耗完全。从TN的变化看，8天后TN浓度依然减小，可能是微藻利用污水中的有机氮进行了短期的生长繁殖。

培养至第10天污水中TP从初始1.555g/L减少至0.011g/L，第12天污水中检测不到磷源的存在。污水中可供微藻生长利用的氨氮、磷源分别在第8天、第10天基本耗尽，导致微藻生物量12天后急剧下降，第14天死亡。

HCO₃^-从初始6.786g/L下降至第12天的3.187g/L，培养液中仍有一定浓度的HCO₃^-剩余，污水中碳源能够满足螺旋藻的生长需求。

实施例3：MPBR半连续培养过程中适宜水力停留时间的确定

将螺旋藻接种至添加1g/L NaHCO₃的市政污水中(水质指标见表1)，当MPBR藻密度达到1g/L～1.2g/L时，进行半连续培养，初始HRT设置为7d，根据每天微藻的生长情况和污水中NH₄⁺-N的去除情况逐渐减小HRT至1.5d，保持反应器的稳定运行。其中，藻细胞的接种密度为0.5g/L，于光强3000Lux，温度(30±1)℃，光暗比16/8条件下培养。

(1)不同HRT下微藻生物量、pH值以及出水中氨氮变化

不同HRT下MPBR中螺旋藻的生物量变化如图4所示，当生物量达到1.105g/L时开始半连续培养。HRT为7d～2d(培养第0天至第12天)螺旋藻生长速率较快，生物量达1.995g/L；HRT<2d时螺旋藻进入稳定期，生物量稳定在2g/L左右。

pH变化如图4所示，结果表明HRT＝7d至HRT＝4d(培养第0天至第8天)pH值变化不大，波动范围为9.406～9.032；随着HRT的减小，pH值波动范围逐渐变大，当培养至第14天、HRT＝1.75d时，培养始末污水pH值变化范围为8.478～9.066。为防止pH值下降不利于微藻的生长，当HRT＝1.5d时将每天定时进出水1次调节为每天定时进出水2次，即每12小时进出水1次，从第16天培养至第19天，发现pH值波动范围为8.549～9.133，pH值略有升高。第20天时将每天定时进出水2次调节为每天定时进出水3次，即每8小时进出水一次，当HRT从1.5d调节为1.75d时，pH值波动范围变小，为8.850～9.088。由此可见，少量多次的进出水方式有利于保持反应器稳定的运行环境，有利于微藻的生长。

初沉池污水中可供微藻利用的氮源主要为氨氮，随着螺旋藻的生长、生物量的增大，逐渐减小HRT，测定出水中氨氮的变化，结果如图4所示：初始HRT设置为7d时，第0天至第2天微藻逐渐适应半连续培养模式，NH₄⁺-N浓度逐渐降低，出水NH₄⁺-N浓度从7.304mg/L降至0.452mg/L，达到城镇污水处理厂出水一级A排放标准。第16天HRT调小为1.5d，出水中NH₄⁺-N浓度波动较大，其中第17天至第18天出水NH₄⁺-N浓度由0.735mg/L增大到10.760mg/L，表明HRT＝1.5d，微藻生物量浓度约为2g/L条件下不能充分吸收、消耗污水中NH₄⁺-N等各种营养盐，导致出水NH₄⁺-N浓度升高。因此第20天后HRT调整为1.75d，运行至第24天，从第21天开始出水NH₄⁺-N浓度逐渐降低，从6.275mg/L降至第22天0.586mg/L，第23天、24天系统稳定运行，出水NH₄⁺-N浓度波动范围为0.169mg/L～0.380mg/L，达到一级A排放标准。

因此，MPBR内利用市政污水半连续培养钝顶螺旋藻，污水中添加1g/L NaHCO₃，HRT＝1.75d时可以保证反应器的稳定运行。每天处理污水量为4L/d，MPBR中藻密度范围为1.8g/L～2.0g/L，出水NH₄⁺-N浓度达到一级A标准。

实施例4：MPBR连续培养过程中钝顶螺旋藻的生长及污水中营养盐的去除情况

将螺旋藻接种至添加0.8g/L NaHCO₃的市政污水中(水质指标见表1)，当MPBR藻密度达到1.8g/L～2.0g/L时，进行连续培养，HRT为1.75d，微藻停留时间为25d，每天采收藻液，保持反应器的稳定运行。

(1)螺旋藻生物量变化

微藻生物量浓度达到约1.8g/L，进行连续培养实验。生物量变化如图5所示，连续培养至第6天，微藻生物量浓度上升至2.021g/L，设置微藻停留时间为25d，每天排出一定量藻液；连续运行至第13天，反应器中微藻生物量能够稳定在1.795g/L～2.046g/L范围内，微藻生物质产率为0.074g/L·d～0.082g/L·d。

(2)连续培养过程中监测了污水中营养盐的去除情况

出水NH₄⁺-N浓度达到城镇污水处理厂污染物一级A排放标准，去除率为93.54％～98.97％；出水TN浓度达到城镇污水处理厂污染物一级B排放标准，去除率在34.696％～56.041％范围波动；出水TP浓度达到城镇污水处理厂污染物一级B排放标准，去除率在45.15％～66.91％范围波动。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。