一种畜禽粪污培养微藻同时生产生物质能源的方法及制备得到的生物质能源

摘要

本发明涉及一种畜禽粪污培养微藻同时生产生物质能源的方法及制备得到的生物质能源；所述方法包括如下步骤：(1)将畜禽粪污进行一级污水处理得到上清液和下沉淀；(2)将步骤(1)中得到的上清液进行二级污水处理，得到上清液出水；(3)将步骤(1)得到的下沉淀进行厌氧消化，收集得到液态产物、气态产物和剩余物；(4)将步骤(1)中的上清液单独稀释制备培养液I，将步骤(1)中的上清液、步骤(2)中上清液出水和步骤(3)中的液态产物混合制备培养液II，接种微藻进行培养；(5)将步骤(4)中培养后的微藻进行后处理得到生物质能源；本发明方法既完成了畜禽粪污的处理，又积累了大量生物质能源，还实现了碳、氮、磷的循环利用，具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及生物能源技术领域，尤其涉及一种畜禽粪污培养微藻同时生产生物质能源的方法及制备得到的生物质能源。

背景技术

随着畜禽养殖业规模的不断扩大，导致了畜禽场的粪污排放不断提高，与此同时粪污肆意排放带来的环境问题也日益突出。目前养殖畜禽的过程中，养殖户大多采取传统的养殖习惯处理禽畜粪污，即在露天的条件下直接进行清理，或者随意排放到河流中，畜禽粪污富含有机质和氮、磷、重金属等污染物，未经处理的畜禽粪污直接排放到大气、河流和土壤中会导致空气质量变差、水体富营养化、水质恶化、侵蚀土壤、病原微生物增加、药物残留和重金属超标等问题，如不及时有效地处理，既会污染环境也会浪费潜在的可利用资源，进一步会影响畜禽养殖业可持续发展。

为解决畜禽粪污排放带来的环境污染问题，通常采用土地还原方式处理畜禽粪便，这种方法简单易行，可以改良土地，提高农作物种植的产量。但是土壤的承载能力是有限的，粪污中的潜在资源也没有得到充分的利用。因此提出了从畜禽粪污中回收能源的方法，主要有热化学转化和生物化学转化，其中生物质能具有可再生性、低污染性、广泛分布性、总量十分丰富和广泛应用性等特点，被认为拥有极大的潜力。同时微藻是生物质能源中十分重要的一种，具有生长周期短、适应性强、光合效率高、不占用耕地、易于大规模养殖等多种优势。

目前，也有技术将粪污和微藻培养联系起来。

CN102618446A公开了一种利用粪便污水培养产油微藻的方法，它包括：(1)粪便污水的前处理；(2)微藻扩种和驯化培养；(3a)微藻扩大培养；(3b)微藻扩大培养；(4)微藻脂质含量的积累；(5)微藻的浓缩；(6)微藻的收集；总共6个步骤。该方法利用粪便资源化处理过程中排出的符合排放标准的液体来培养微藻，节约了微藻培养过程中培养用水和试剂，同时无需灭菌即可使用，缩短生产工艺，降低获取微藻生物柴油的成本，同时液体中的氮磷作为微藻培养时的营养物质，进一步降低污水中各项指标，净化污水水质。另外利用粪便资源化处理过程中产生的沼气作为供热燃料、沼气提纯时分离得到的CO

CN104152356A公开了利用鸡粪降解液异养培养微藻的方法，包括以下步骤：①鸡粪降解；取养鸡场的新鲜鸡粪，用蒸馏水稀释、搅匀得到鸡粪稀释液；取鸡粪稀释液转移入三角瓶中，在三角瓶的瓶口用纱布封住瓶口，然后将三角瓶分别转移至摇床中，在40rpm～60rpm的转速下降解4～6天后获得降解后的物料，过滤得到低氮降解液，低氮降解液杀菌后转移至冰箱保存待用；另取鸡粪稀释液转移入三角瓶中，在三角瓶的瓶口用纱布封住瓶口，然后将三角瓶分别转移至摇床中，在240rpm～260rpm的转速下降解4～6天后获得降解后的物料，过滤得到高氮降解液，高氮降解液杀菌后转移至冰箱保存待用；②微藻异养培养；先对微藻种子进行摇床培养，在三角瓶中装入微藻培养液，从保贮斜面上取微藻细胞接种到三角瓶中的对应微藻的培养液中，然后将三角瓶放在摇床上，设置转速140～160转/分钟，培养温度28℃～32℃，培养65～75h；然后将摇床上培养后得到的微藻液以8％～12％(v/v)接种量接种到培养罐中，培养罐中已加入对应微藻的培养液,微藻异养培养180～220h后完成微藻的异养培养；其中异养培养过程中，在异养培养开始至第100～120小时内，以14～16mL/L/Day向培养体系添加步骤①准备的高氮降解液，然后从第100～120小时直至培养期结束，以14～16mL/L/Day向培养体系添加步骤①准备的低氮降解液。这种方法虽然可以培养微藻，但是还不宜大规模生产。

因此，针对以上不足，需要提供一种成本低、操作简便、环保的培养微藻的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有的畜禽养殖业产生的大量粪污未经处理就直接排放导致污染环境，采用常规粪污处理方法浪费粪污的潜在资源，以及传统微藻培养成本高、操作难、培养后微藻产脂率低的问题，针对现有技术中的缺陷，提供一种畜禽粪污培养微藻同时生产生物质能源的方法及制备得到的生物质能源，以达到培养出高生物量和高产脂率的微藻并同时能够制备生物质能源和副产物的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种畜禽粪污培养微藻同时生产生物质能源的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将畜禽粪污进行一级污水处理得到上清液和下沉淀；

(2)将步骤(1)中得到的上清液进行二级污水处理，得到上清液出水；

(3)将步骤(1)得到的下沉淀进行厌氧消化，收集得到液态产物、气态产物和剩余物；

(4)将步骤(1)中的上清液与水混合制备培养液I，接种微藻进行培养；

或者，将步骤(1)中的上清液、步骤(2)中上清液出水和步骤(3)中的液态产物混合制备培养液II，接种微藻进行培养；

(5)将步骤(4)中培养后的微藻进行后处理得到生物质能源。

本发明提供的方法，在产生生物质能源的同时，厌氧消化后产生的剩余物通过堆肥法可制备有机生物肥料，增加了可利用的副产物，厌氧消化后产生的剩余物可作为微藻混合热解时的原料，为后续操作提供了多样的选择。通过一级污水处理和二级污水处理的步骤，得到微藻培养液，能够大大提高培养出的微藻的生物量，相比于传统方法，不仅能够充分能源，而且还能形成循环利用能源的工艺，得到有价值的副产物，形成良性循环，是一种具有良好应用价值的方法。

优选地，步骤(1)中所述畜禽粪污包括猪粪污、鸡粪污或鸭粪污中的任意一种或至少两种的组合。

在本发明中，畜禽粪污不仅仅局限于上述所列举的畜禽，还可以是其他常见的畜和禽的粪污。

优选地，步骤(1)中所述一级污水处理的方法为离心分离。在本发明中，离心分离起到了物理分离的作用，将固态物质和液态物质进行分离，使得能够顺利收集上清液和下沉淀。

优选地，所述离心分离的转速为8000～12000r/min，例如可以是8000r/min、9000r/min、10000r/min、11000r/min或12000r/min等。

优选地，所述离心分离的时间为10～20min，例如可以是10min、12min、15min、18min或20min等。

优选地，步骤(1)中所述上清液中，铵态氮的浓度为474～480mg/L，例如可以是474mg/L、475mg/L、476mg/L、477mg/L、478mg/L、479mg/L或480mg/L等。在本发明中，铵态氮的含义为：以铵盐形式形式存在的氮元素，在整体上清液中的浓度。

优选地，步骤(1)中所述上清液中，总氮的浓度为512～526mg/L，例如可以是512mg/L、513mg/L、514mg/L、515mg/L、516mg/L、517mg/L、518mg/L、519mg/L、520mg/L、521mg/L、522mg/L、523mg/L、524mg/L、525mg/L或526mg/L等。在本发明中，总氮的含义为，上清液中，以任意形式存在的氮元素的总和。

优选地，步骤(1)中所述上清液中，磷酸盐中的磷在上清液中的浓度为30～32mg/L，例如可以是30mg/L、31mg/L或32mg/L等。在本发明中，磷酸盐中的磷，指的是上清液中所含有的磷酸盐中的磷元素。

在本发明中，铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别都会影响微藻生长。铵态氮的浓度是影响微藻活力的关键因素，高浓度的铵态氮起抑制作用。初始氮磷比会影响营养物的吸收和藻类的生长，最合适的氮磷比为16:1左右。因此，控制铵态氮、总氮和磷酸盐磷在上述范围内，可以保持氮磷比在最合适的范围内。

优选地，步骤(2)中所述二级污水处理的方法包括活性污泥法或生物膜法。

在本发明中，二级污水处理的过程，可有效去除上清液中溶解性的和胶体状态的可生化有机物以及一些悬浮固体和杂质，同时也能去除一部分磷素和氮素。

在本发明中，上清液出水：基本达到排放标准，可用于农业灌溉。用做制备微藻培养液可提供营养物质和微量元素，例如可以是氨基酸、维生素、铁、锰、钴、锌和钼等。

液态产物：液态产物中富含碳源、氮源等，正好为微藻的生长提供养料，但其中较高的氮磷比和较少的微量元素阻碍了藻类生物量的生长；上清液和上清液出水含有微藻生长所需的微量营养素和微量金属。

优选地，步骤(3)中所述液态产物中，铵态氮的浓度为714～726mg/L，例如可以是714mg/L、716mg/L、720mg/L、723mg/L、725mg/L或726mg/L等。

优选地，步骤(3)中所述液态产物中，总氮的浓度为788～796mg/L，例如可以是788mg/L、790mg/L、791mg/L、793mg/L、795mg/L或796mg/L等。

优选地，步骤(3)中所述液态产物中，磷酸盐中的磷在液态产物中的浓度为32～33mg/L，例如可以是32mg/L、32.3mg/L、32.6mg/L或33mg/L等。

优选地，步骤(3)中所述气态产物经过厌氧消化后得到含甲烷的沼气。

优选地，步骤(3)中所述剩余物通过堆肥法制备成有机生物肥料或者，所述剩余物用作步骤(5)中微藻后处理的原料。

优选地，所述培养液I中上清液与水的体积比为1:4～19，例如可以是1:4、1:6、1:10、1:11、1:14、1:16或1:19等。

步骤(4)中，液态产物和上清液出水、上清液混合的作用，可以稀释浑浊的液态产物，提高透光率同时提供营养物质和微量元素，例如可以是氨基酸、维生素、铁、锰、钴、锌和钼等。

优选地，所述培养液II中液态产物、上清液和上清液出水的体积比为1:(0.2～0.7):(3.8～18.3)，例如可以是1:0.2:3.8、1:0.4:5.2、1:0.7:18.3、1:0.6:10等。在本发明中，控制3种液体成分在上述比例之中，可以使得培养液中的氮磷比控制在16:1左右，达到最佳培养的效果。

在本发明中，培养液I培养得到高生物量的微藻。上清液中铵态氮的浓度过高，抑制微藻生长，用水稀释制备成培养液，适宜微藻培养。

培养液II培养得到高质量脂质和高产脂率的微藻。

优选地，所述培养液I和培养液II均使用pH值调节剂调节pH值为6.5～7.5，例如可以是6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7、7.1、7.2、7.3、7.4或7.5等。

在本发明中，pH值调节剂可以是氢氧化钠或者盐酸等常用的碱性试剂或酸性试剂。本发明中，调节pH值在上述范围内，更加适宜微藻生长，保证生物活性，吸收营养物质，净化污水。

优选地，步骤(4)中所述微藻包括链带藻、小球藻、微绿球藻或葡萄藻中的任意一种或至少两种的组合。

在本发明中，步骤(4)中所选用的微藻一般具有生长速度快、含油量高、耐污染和良好的单位面积产油能力的特点，包括但不限于上述所列举的微藻类型。微藻在畜禽废水中培养，可以充分利用其中的氮、磷和金属营养元素，使微藻可以积累丰富的脂质、蛋白质、碳水化合物，还可以实现畜禽废水的处理。

优选地，步骤(4)在接种微藻前，还包括将培养液灭菌和光照室温培养的步骤。

优选地，所述灭菌的温度为120～140℃，例如可以是120℃、125℃、130℃、135℃或140℃等。

优选地，所述灭菌的时间为10～50min，例如可以是10min、20min、30min、40min或50min等。

优选地，所述光照的光照强度为1000～6000lx，例如可以是1000lx、2000lx、3000lx、4000lx、5000lx或6000lx等。

优选地，所述光照的光暗比为(12h～14h):(12h～10h)，例如可是12h：12h、13h:11h或14h:10h等。

本发明中光暗比指的是，光照与黑暗状态的时间比例。

优选地，所述室温的温度为25～30℃，例如可以是25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃等。

优选地，所述光照室温培养的时间为10～20天，例如可以是10天、11天、14天、15天、18天或20天等。

在本发明中，步骤(5)中微藻对培养液中氮元素和磷元素的去除率大于90％。

优选地，步骤(5)中所述后处理的方法为：依次进行离心、干燥和热解。

在本发明中，离心后的培养液可继续用于步骤(3)培养基的配置中或作为达标废液排放。

优选地，所述离心的转速为6000～10000r/min，例如可以是6000r/min、7000r/min、8000r/min、9000r/min或10000r/min等。

优选地，所述热解的温度为300～1000℃，例如可以是300℃、500℃、800℃或1000℃等。

步骤(5)中微藻收集后干燥并制成颗粒0.3～0.6mm的藻粉，在300～1000℃和恒流的氦气或氮气保护的条件下进行热解，得到生物炭、生物油和不可凝气体，气态产物用冷凝装置进行收集，固体产物待热解装置冷却后进行收集。

另一方面，本发明提供了一种如上所述的方法制备得到的生物质能源。

实施本发明的方法，具有以下有益效果：

(1)本发明中，相比传统微藻培养液，在类似的初始铵态氮浓度下，以畜禽场采集到的粪污为原料制备出的微藻培养液，在培养微藻后，获得显著较高生物量、高质量脂质和高产脂率的微藻。

相比于现有的其他方法，本发明充分资源化禽畜粪污，且培养出的微藻的生物量大大提高。可根据培养后微藻状态的需要，选择合适的工艺路线，进一步提升能源化的效果。

(2)本发明中，将通过离心法收集的培养液和上清液出水都可再次用于微藻的培养液的制备，节约培养微藻的成本，加强微藻在培养液中的适应性，不断提升粪污的处理能力和微藻的产量，形成良性循环，进而提升生物质能源的产量。

(3)通过本方法，微藻对培养液中氮和磷元素的去除率大于90％，将畜禽粪污中的碳、氮、磷资源富集到了粪污厌氧消化和微藻热裂解的产物中，既完成了畜禽粪污的处理，又积累了大量生物质能源，还实现了碳、氮、磷的循环利用，缓解了畜禽粪污不当处理造成的环境污染和潜在资源的浪费。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种畜禽粪污培养微藻同时生产生物质能源的方法，包括以下步骤：

利用畜禽粪污培养高生物量和高质量脂质高产脂率微藻：将从猪场采集到的粪污以10000r/min的转速，离心15分钟，收集上清液和下沉淀。

取部分上清液与去离子水在容器中以体积比1:19制备微藻培养液，同时用1M氢氧化钠溶液调节培养液的pH值为7，在130℃下灭菌30分钟，待恢复至室温后，接种链带藻进行培养，在光照强度5000lx，温度25℃以及光暗比12h:12h的条件下培养15天，经检测培养后上清液的铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别为476mg/L、518mg/L和31mg/L，微藻对培养液中氮和磷元素的去除率大于90％，微藻生物量为0.35g/L，相比于较蓝绿培养基培养后的微藻生物量0.25g/L高。

运用生物膜法，将部分上清液进行二级污水处理，收集上清液出水。将下沉淀进行厌氧消化，收集液态产物与上清液以及上清液出水以体积比1：0.7：18.3制备微藻培养液，同时用1M氢氧化钠溶液调节培养液的pH值为7，经检测厌氧消化液液态产物中的铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别为720mg/L、790mg/L和33mg/L，在130℃下灭菌30分钟，待恢复至室温后，接种链带藻进行培养，在光照强度5000lx，温度25℃以及光暗比12h：12h的条件下培养15天，经检测微藻对培养液中氮和磷元素的去除率大于90％，培养后微藻脂质含量为28％，相较上清液培养后的微藻脂质含量22.4％高。

制备生物质能源和副产物：厌氧消化后产生的气态产物通过干式脱硫法工艺处理后生成甲烷。厌氧消化产生的剩余物通过堆肥法制备有机生物肥料。培养后的微藻，在10000r/min的转速下，通过离心的方法进行收集，干燥并制成颗粒0.5mm的藻粉，热裂解装置连接气相色谱-质谱连用仪，微藻在800℃和恒流的氦气保护的条件下的进行快速热裂解，得到生物炭、生物油和不可凝气体，气态产物用冷凝装置进行收集，固体产物待热解装置冷却后进行收集。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，上清液与去离子水体积比1:11，培养后微藻生物量为0.4g/L；液态产物与上清液、上清液出水以体积比1：0.4：10.6，培养后微藻脂质含量为26.1％。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，上清液与去离子水体积比1:4，培养后微藻生物量为0.22g/L；液态产物与上清液、上清液出水以体积比1：0.2：3.8，培养后微藻脂质含量为14.8％。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，上清液与去离子水体积比为1:17，培养后微藻生物量为0.36g/L；液态产物与上清液、上清液出水以体积比1：1：17，培养后微藻脂质含量为28.6％。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，上清液与去离子水体积比为1:2，培养后微藻生物量为0.27g/L；液态产物与上清液、上清液出水以体积比1：0.1：1.9，培养后微藻脂质含量为8.6％。

实施例6

本实施例与实施例1的区别在于，调节pH值为6.5。培养后微藻生物量为0.3g/L；脂质含量为26.1％。

实施例7

本实施例与实施例1的区别在于，调节pH值为7.5。培养后微藻生物量为0.33g/L；脂质含量为27.4％。

实施例8

本实施例与实施例1的区别在于，上清液的铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别为465mg/L、510mg/L和29mg/L。培养后微藻生物量为0.30g/L。

实施例9

本实施例与实施例1的区别在于，上清液的铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别为485mg/L、529mg/L和34mg/L。培养后微藻生物量为0.32g/L。

实施例10

本实施例与实施例1的区别在于，经检测厌氧消化液液态产物中的铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别为710mg/L、780mg/L和31mg/L。培养后微藻脂质含量为26.2％。

实施例11

本实施例与实施例1的区别在于，经检测厌氧消化液液态产物中的铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别为730mg/L、800mg/L和34mg/L。培养后微藻脂质含量为27.4％。

实施例12

本实施例与实施例1的区别在于，上清液的铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别为474mg/L、512mg/L和30mg/L。培养后微藻生物量为0.33g/L；

经检测厌氧消化液液态产物中的铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别为714mg/L、788mg/L和32mg/L。培养后微藻脂质含量为27.3％。

实施例13

本实施例与实施例1的区别在于，上清液的铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别为480mg/L、526mg/L和32mg/L。培养后微藻生物量为0.38g/L；

经检测厌氧消化液液态产物中的铵态氮、总氮和磷酸盐磷的浓度分别为726mg/L、796mg/L和33mg/L。培养后微藻脂质含量为28.6％。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于，不包括二级污水处理收集的上清液出水，仅使用液态产物与上清液制备培养液培养微藻。培养后微藻脂质含量为16.7％。

对比例2

本对比例与实施例1的区别在于，不包括下沉淀得到的液态产物，仅使用上清液出水与上清液制备培养液培养微藻。培养后微藻生物量为0.23g/L。

可以看出，通过畜禽场粪污处理后培养的微藻具有高生物量和高脂质含量的特性，而且与培养液体积比有关系，畜禽场粪污处理后的上清液比例越高，培养出的微藻生物量越高，液态产物比例越高，培养出的微藻脂质含量越高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。