微藻固定化方法、固定化微藻及在水污染治理中的应用

摘要

本发明公开了一种微藻固定化方法及利用该方法固定化的微藻在缓流型水体污染治理中的应用，涉及水环境治理领域。首先进行微藻的富集培养，再离心收集，配制成微藻悬浮液；微藻悬浮液与海藻酸钠配制的固定化溶液混合后涂刷于薄片海绵上，从而完成微藻的固定化。在水污染的治理中，通过专门设计的海绵安装架，将固定有微藻的海绵按特定的排列方式安放于污染水体中，从而利用海绵的空隙进行物质交换，微藻通过光合作用吸收二氧化碳释放氧气，污水中的氮和一部分磷被微藻吸收用于生物量的增加，一部分磷被海绵吸附以此达到脱磷除氮的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及水环境治理领域，具体涉及一种微藻固定化方法、固定化微藻及其在水污染治理中的应用。

背景技术

微藻是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰富、光合利用度高的自养植物，通过细胞代谢产生多糖、蛋白质、色素等，使其在食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有很好的开发前景。

特别是在环境监测和净化领域，微藻有其独特的作用。比如，微藻的生长状况能直接反映水质情况，判断空气中的毒性气体，打破常规气体样品的分析和检测方式。微藻在水中的生长活动，可脱氮除磷，分解难降解有机物，去除Co、Mn、Hg等重金属离子。微藻还能吸收一定浓度NOx, SOx, H

然而，微藻在水污染治理的实际应用中却存在很大的局限性：如果向流动性水体中直接投放，微藻随即就会随水流走，完全起不到水质净化的作用；另外，如果水体中的微藻完成水质净化的使命后，如果任其生长又存在微藻泛滥的问题，不仅起不到净化水质的作用，反而会导致水体藻浊化；即使微藻的生长得到控制，如不及时将其中水中分离，其死亡分解后，又会将其吸收的元素重新释放到水中。因此，要想很好的利用微藻进行水质净化，必须解决两个问题：（1）保证投入水体的微藻不会随水漂走；（2）投入水体中的微藻可以方便的与水分离。

为了解决上述问题，在微藻的固定化方面，人们进行了广泛的探索。在不同的细胞固定技术中，主动包埋是适用于大多数藻类的固定化方法。海藻酸钠在所有包埋材料中应用最为广泛。目前最常见也是最成熟的方式就是用海藻酸钠将微藻制成固定化小球，固定化小球在生物反应器中对污水的净化具有较为显著的效果，但运用到自然水体中，仍然存在易随水漂流且水、藻难以分离的问题。

发明内容

本发明是基于现有技术存在的问题，提供一种微藻的固定化方法及固定化微藻在水污染治理中的应用，解决微藻在流动型水体的污染治理应用中易流失和难以从水中分离的问题。

一种微藻的固定化方法，包括以下步骤：

S1：选取优质微藻藻种并活化，接种培养，使种子液的浓度在8-11g/L；

S2：将步骤S1培养至生长对数期的微藻种子液接入150L的种子罐中进行培养，培养温度30-35℃，罐压0.03-0.08MPa，风量1.0-2.0vvm，DO≥20%，pH5.5-7.5；

S3：待步骤S2种子液培养24-32h，微藻种子液干重在20-25g/L时，将其接种至1.5方罐中异养培养，培养控制条件与步骤S2相同；

S4：待步骤S3种子液培养24-32h，微藻种子液干重在20-25g/L时，将其接种至17方罐中异养培养，培养控制条件与步骤S2相同；

S5：待步骤S4种子液培养24-32h，微藻种子液干重在20-25g/L时，将其接种至50方罐中异养培养，培养控制条件与步骤S2相同；

S6：对步骤S5培养的微藻进行离心收集，洗涤，再配制成微藻悬浮液；

S7:利用海藻酸钠配制固定化溶液，所述固定化溶液的质量分数为0.5-0.8%；

S8：将微藻悬浮液与固定化溶液混合；

S9：利用海绵作为固定化载体，并将步骤S8得到的混合液涂刷在海绵上，所述海绵为薄片状。

进一步地，所述微藻悬浮液的OD值为0.25-0.30之间。

进一步地，所述微藻悬浮液与固定化溶液的混合体积比例为1:30-80。

进一步地，所述海绵长度为1.0-2.0m，宽度为0.5-1.0m，厚度为0.3-0.5cm。

固定化微藻在缓流型水体污染治理中的应用，包括以下步骤：

（1）将固定有微藻的海绵安放于污染水体中，利用海绵的空隙进行物质交换，微藻通过光合作用吸收二氧化碳释放氧气，污水中的氮和一部分磷被微藻吸收用于生物量的增加，一部分磷被海绵吸附以此达到脱磷除氮的效果；

（2）10-15天后，将固定有微藻的海绵从水体中取出，装入新的固定有微藻的海绵，10-15天后再次取出，如此循环3-5次。

进一步地，所述固定有微藻的海绵是通过海绵安装架安放于污染水体中；所述海绵安装架包括保护网罩、转杆、上横架、下横架、螺杆和插齿；所述保护网罩的尺寸与固定有微藻的海绵的尺寸匹配，在水处理应用中，将海绵装在保护网罩中；所述转杆固定连接于保护网罩的上下两端，保护网罩上端的转杆穿过上横架，且保护网罩上端的转杆的端头安装有齿轮，保护网罩下端的转杆插入下横架；所述螺杆的螺纹与保护网罩上端的转杆的齿轮咬合，螺杆的一端设有电机，用于控制保护网罩的角度；螺杆的另一端设有转动座；所述插齿位于下横架底部，在水处理应用中，将插齿插入水体底部，从而将海绵安装架固定在水体中。

进一步地，所述保护网罩5-30个为一组，并排设置于上横架和下横架之间。

进一步地，所述保护网罩至少设置两组，且相邻两组之间的保护网罩相互交错排列。

进一步地，所述保护网罩与水流方向具有30-60°的倾斜角度，且相邻两组之间倾斜角度相反。

进一步地，其特征在于，所述保护网罩的网孔孔径为10-20cm；保护网罩的上下两端设有与转杆连接的连接部；其侧面设有开口，便于海绵的取放。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过海藻酸钠将微藻固定于海绵上，用于缓流型水体的污染治理，很好地解决了未经固定化的微藻或者常规固定化的微藻小球容易随水流失的问题；同时，微藻与水易于分离，只要取出海绵即可，既便于对微藻的生物量进行控制，也可防止微藻死亡分解后又将其吸收的氮、磷等元素重新释放到水体中。

2、本发明以薄片状海绵（厚度为0.3-0.5cm）为微藻的固定化载体，不仅具有良好的固定化效果，同时解决了较厚的海绵透光性差的问题，更利于微藻进行光合作用，微藻的脱磷除氮效果有保障。

3、本发明还设计了专用的海绵安装架，该安装架可以将固定有微藻的海绵成组的安放于污染水体中，并且海绵与水流方向可形成一定的倾斜角度，相邻两组海绵之间交错排列，倾斜角度相反。通过这种安排，可以大大提高海绵与水流的接触面积，增强水质净化效果；同时，可避免水流直接冲击海绵，避免海绵被破坏。

4、本发明利用海绵作为微藻的固定化载体，不仅便于微藻发挥脱磷除氮的作用，海绵本身的空隙也可吸附水体中的污染物，起到了增强水体净化能力的作用。

5、本发明利用保护网罩保护固定有微藻的海绵，提高了海绵的抗冲击能力。

附图说明

图1为本发明微藻固定化流程图。。

图2为本发明实施例涉及的海绵安装架的结构示意图。

图3为本发明实施例涉及的海绵安装架的俯视图。

图4为本发明实施例涉及的保护网罩示意图。

其中，1-保护网罩，2-转杆，3-齿轮，4-上横架，5-螺杆，6-电机，7-转动座，8-下横杆，9-插齿，100-网线，101-开口，102-连接部，103-海绵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

微藻的培养和固定化：

S1：选取优质微藻藻种并活化，接种培养，使种子液的浓度在8-11g/L；

S2：将步骤S1培养至生长对数期的微藻种子液接入150L的种子罐中进行培养，培养温度30-35℃，罐压0.03-0.08MPa，风量1.0-2.0vvm，DO≥20%，pH5.5-7.5；

S3：待步骤S2种子液培养24-32h后，微藻种子液干重在20-25g/L时，将其接种至1.5方罐中异养培养，培养控制条件与步骤S2相同；

S4：待步骤S3种子液培养24-32h后，微藻种子液干重在20-25g/L时，将其接种至17方罐中异养培养，培养控制条件与步骤S2相同；

S5：待步骤S4种子液培养24-32h，微藻种子液干重在20-25g/L时，将其接种至50方罐中异养培养，培养控制条件与步骤S2相同；

S6：对步骤S5培养的微藻进行离心收集，洗涤，再配制成OD值为0.25-0.30之间微藻悬浮液；

S7：利用海藻酸钠配制固定化溶液，所述固定化溶液的质量分数为0.5-0.8%；

S8：将微藻悬浮液与固定化溶液混合，混合体积比例为1:30-80；

S9：利用海绵103作为固定化载体，将步骤S8得到的混合液涂刷在薄片状的海绵103上。

固定化微藻在水体污染治理中的应用：

某流经城区的河道，河道最窄处10米，最宽处13米，平均深度1.5米，流速小于1m/s。

根据河道的情况，我们制作了长度为10米的海绵安装架，该安装架包括保护网罩1、转杆2、上横架4、下横架8、螺杆5和插齿9；所述转杆2固定连接于保护网罩1的上下两端，保护网罩1上端的转杆2穿过上横架4，且保护网罩1上端的转杆2的端头安装有齿轮3，保护网罩1下端的转杆2插入下横架8；所述螺杆5的螺纹与保护网罩1上端的转杆2的齿轮3咬合，螺杆5的一端设有电机6，用于控制保护网罩1的角度；螺杆5的另一端设有转动座7；所述插齿9位于下横架8底部。

所述上横架4与下横架8分别由两根横杆连接而成，每根横杆上排列有15个保护网罩1，每个保护网罩1长1m，宽0.5m，厚2cm；并在每个保护网罩1中，从其侧面的开口101装有同样尺寸的固定有微藻的海绵103。

同一根横杆上的保护网罩1之间的距离为0.5m，两根横杆上的保护网罩1之间相互交错排列。

将海绵安装架横置于河道最窄处，插齿9插入河床，从而将海绵安装架固定在河道中。

开启电机6，带动螺杆5转动，螺杆5再通过与其咬合的齿轮3带动转杆2转动，转杆2带动与其连接的保护网罩1转动，使首先接触上游水流的那一组保护网罩1与水流方向成30°倾角倾斜；采用同样的方式，使另一组保护网罩1与原水流方向成60°倾角倾斜。

10-15天后，开启电机6，将保护网罩1转动为与水流水平方向，且开口101面向来水方向，将固定有微藻的海绵103从水体中取出；然后，放入新的固定有微藻的海绵103，重新将保护网罩1调整为原来的倾斜角度，10-15天后，再次取出海绵103；根据水质监测情况，重复上述过程。

本发明解决了微藻在自然水体污染治理应用中存在的几个问题：（1）微藻易随水流失，流失后对水污染的治理几乎起不到任何作用；（2）便于微藻与水分离，既可以控制微藻在水中的生物量，防止其导致水体发展成为藻浊型水体，同时防止其死亡分解后向水体中重新释放其所吸收的氮、磷等元素；（3）通过专门的海绵安装架，可将固定有微藻的海绵按特定的排列方式安放于污染水体中，从而利用海绵的空隙进行物质交换，微藻通过光合作用吸收二氧化碳释放氧气，污水中的氮和一部分磷被微藻吸收用于生物量的增加，一部分磷被海绵吸附以此达到脱磷除氮的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。