本發明涉及一種膜光生物反應器中利用市政污水高密度培養微藻的方法，屬于環境工程和微藻培養技術領域。

背景技術：

藻細胞含蛋白質、維生素、微量元素及多糖等多種營養成份。微藻在生長繁殖過程中需吸收利用大量碳氮磷等營養物質。如何減少培養過程中營養鹽和淡水的使用，是實現微藻規模化、商業化利用過程的關鍵。

基于微藻對碳氮磷的較高吸收率特性，利用污水培養微藻近年來得到廣泛研究。市政污水供應量大，且生活污水管網體系使之更加易于形成規模化的供應，同時市政污水污染程度相對較低、生化活性較高，易于實現微藻的培養。利用市政污水培養微藻既可獲得微藻生物量、獲得蛋白質、多糖等產品，降低生產成本，又可回收利用污水中氮磷等營養物質，凈化污水。

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

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明的主要目的是通過污水資源化利用來培養微藻，獲得微藻生物量，降低微藻生產成本。通過選取初沉池出水，添加NaHCO₃，將其作為螺旋藻培養基。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。

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

在本發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參數如下：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。

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

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

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

在一種實施方式中，所述方法是采用半連續培養或者連續培養。

在一種實施方式中，所述是采用半連續培養；半連續培養的具體方法是：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，進行半連續培養，初始HRT設置為7d，根據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，保持反應器的穩定運行。

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

在一種實施方式中，所述連續培養的具體方法是：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，進行連續培養，HRT為1.75d，微藻停留時間為25d，每天采收藻液，保持反應器的穩定運行。

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

式中HRT-水力停留時間，d；V-反應器中藻液總體積，7L；V_in-每天加入至反應器中污水的體積，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，培養和采收過程中連續曝氣，使藻液混合均勻同時減少膜污染。

在一種實施方式中，所述膜光生物反應器包括光生物反應裝置、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裝置外側；所述光生物反應裝置上部設有進樣口和出氣口，下部設有出樣口和膜組件卡槽，底部設有微孔曝氣管；所述氣體供給裝置通過管道與光生物反應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。根據溶氧檢測探頭、pH檢測探頭的在線監測數值，隨時調控培養液的溶氧濃度和pH值，維持微藻適宜的生長條件。

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

本發明還要求保護所述方法在食品、化工、藥物制備方面的應用。

本發明的優點和效果：

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

(2)市政污水不需滅菌即可用于培養。

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

附圖說明

圖1：膜光生物反應器結構示意圖；其中：1光生物反應裝置，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：連續培養過程中微藻生物量變化。

具體實施方案

下面是對本發明進行具體描述。

實施例1：

本發明所使用的膜光生物反應器結構如圖1所示(與CN 204727884U中圖1的反應器基本一致)。

所述膜光生物反應器包括光生物反應裝置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位于光生物反應裝置1外側；所述光生物反應裝置1上部設有進樣口7和出氣口8，下部設有出樣口5和膜組件卡槽6，底部設有微孔曝氣管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。根據溶氧檢測探頭、pH檢測探頭的在線監測數值，隨時調控培養液的溶氧濃度和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，水質指標如表1所示。

表1市政污水水質

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

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污水環境因而延遲期較長；4天后生物量逐漸增加，培養至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。第13天微藻開始死亡，可能是污水中的營養物質耗盡引起的。與Zarrouk培養基中螺旋藻生長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。培養過程中對污水中的NH₄⁺-N、TN、TP以及HCO₃^-進行分析。結果如圖3所示：隨著微藻的生長，污水中幾種營養鹽的濃度均逐漸下降。培養至第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半連續培養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(水質指標見表1)，當MPBR藻密度達到1g/L～1.2g/L時，進行半連續培養，初始HRT設置為7d，根據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，保持反應器的穩定運行。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。

(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時開始半連續培養。HRT為7d～2d(培養第0天至第12天)螺旋藻生長速率較快，生物量達1.995g/L；HRT<2d時螺旋藻進入穩定期，生物量穩定在2g/L左右。

pH變化如圖4所示，結果表明HRT＝7d至HRT＝4d(培養第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，當培養至第14天、HRT＝1.75d時，培養始末污水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次調節為每天定時進出水2次，即每12小時進出水1次，從第16天培養至第19天，發現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次調節為每天定時進出水3次，即每8小時進出水一次，當HRT從1.5d調節為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器穩定的運行環境，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，結果如圖4所示：初始HRT設置為7d時，第0天至第2天微藻逐漸適應半連續培養模式，NH₄⁺-N濃度逐漸降低，出水NH₄⁺-N濃度從7.304mg/L降至0.452mg/L，達到城鎮污水處理廠出水一級A排放標準。第16天HRT調小為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等各種營養鹽，導致出水NH₄⁺-N濃度升高。因此第20天后HRT調整為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天系統穩定運行，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內利用市政污水半連續培養鈍頂螺旋藻，污水中添加1g/L NaHCO₃，HRT＝1.75d時可以保證反應器的穩定運行。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連續培養過程中鈍頂螺旋藻的生長及污水中營養鹽的去除情況

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

(1)螺旋藻生物量變化

微藻生物量濃度達到約1.8g/L，進行連續培養實驗。生物量變化如圖5所示，連續培養至第6天，微藻生物量濃度上升至2.021g/L，設置微藻停留時間為25d，每天排出一定量藻液；連續運行至第13天，反應器中微藻生物量能夠穩定在1.795g/L～2.046g/L范圍內，微藻生物質產率為0.074g/L·d～0.082g/L·d。

(2)連續培養過程中監測了污水中營養鹽的去除情況

出水NH₄⁺-N濃度達到城鎮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。

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