專利名稱：一種利用沼液培養(yǎng)自養(yǎng)型淡水微藻提純沼氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于清潔能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提純沼氣的方法。
背景技術(shù)：
沼氣發(fā)酵又稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵，是指有機(jī)物質(zhì)(如人畜家禽糞便、秸稈、雜草等)在一定的水分、溫度和厭氧條件下，通過各類微生物的分解代謝，最終形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合氣體(沼氣)的過程。但從沼氣池中直接產(chǎn)出的沼氣屬于粗品沼氣，甲烷含量?jī)H為60%，二氧化碳含量則占30%-40%，還有少量硫化物雜質(zhì)。是一種低熱值氣體，使用范圍極其有限，且效率低。優(yōu)質(zhì)成品沼氣需去除這部分CO2，提高其成分中甲烷的相對(duì)含量，增加其熱值。目前，國(guó)內(nèi)外沼氣純化的技術(shù)主要是脫硫工藝，對(duì)于占較大比例的二氧化碳的去除還多停留在理論研究階段。同時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)生的沼液有機(jī)污染物比較多，B0D、C0D等含量非常高，要做到達(dá)標(biāo)排放，難度相當(dāng)大。通常用沼液處理工藝有SBR (進(jìn)水立即曝氣反應(yīng)、靜置厭氧、然后再曝氣、沉淀、 出水、閑置)-接觸生物氧化-沉淀池-MBR-消毒，才能達(dá)標(biāo)排放。工藝復(fù)雜，成本較高。自養(yǎng)型微藻可在光合作用下固定CO2,并利用無機(jī)氮、磷等無機(jī)鹽為營(yíng)養(yǎng)源，具有光合作用效率高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、生物產(chǎn)量高的特點(diǎn)，它固定(X)2和儲(chǔ)存太陽能的效率是陸生植物的10-50倍，是理想的生物質(zhì)能源材料。沼液中有較高含量的氮磷無機(jī)鹽，本發(fā)明利用發(fā)酵的沼液作為自養(yǎng)型淡水微藻的培養(yǎng)基，同時(shí)把沼氣中的CO2作為自養(yǎng)型淡水微藻培養(yǎng)的(X)2來源，既解決了自養(yǎng)型淡水微藻培養(yǎng)的培養(yǎng)基成本問題，又提高了沼氣的純度和質(zhì)量，還減少了沼液的環(huán)境污染，達(dá)到改善環(huán)境，增加經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種環(huán)保、清潔、成本低的沼氣提純方法。本發(fā)明針對(duì)導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的藍(lán)藻的利用以及自養(yǎng)型淡水微藻培養(yǎng)基的高成本問題及沼氣發(fā)酵的廢液?jiǎn)栴}和沼氣中甲烷含量低的問題而提出的一種構(gòu)建清潔無污染的能源循環(huán)的方法。本發(fā)明提供的沼氣提純方法，是將沼氣發(fā)酵和自養(yǎng)型淡水微藻光合培養(yǎng)結(jié)合，利用微藻的光合作用消耗沼氣發(fā)酵產(chǎn)生二氧化碳，對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行提純；同時(shí)自養(yǎng)型淡水微藻收獲作為沼氣發(fā)酵的原料，是一種能源循環(huán)利用的方法。其步驟包括沼氣發(fā)酵、 沼液的處理、自養(yǎng)型淡水微藻的接種和沼氣的引入、微藻固定二氧化碳、自養(yǎng)型淡水微藻收獲作為沼氣發(fā)酵的原料；
1)沼氣發(fā)酵按現(xiàn)有常規(guī)方法將有機(jī)物質(zhì)(如人畜家禽糞便、秸稈、雜草等，在一定的水分、溫度和厭氧條件下)發(fā)酵獲得沼氣和沼液；
2)沼液的處理對(duì)得到的沼液過濾，去除殘余的固體顆粒，以水稀釋沼液，至原沼液濃度的10%—100%，作為自養(yǎng)型淡水微藻的全營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基；
3)自養(yǎng)型淡水微藻的接種和沼氣的引入將處理后的沼液裝入自養(yǎng)型淡水微藻培養(yǎng)用的光生物反應(yīng)器，接入新鮮擴(kuò)配的自養(yǎng)型淡水微藻藻種，將沼氣從反應(yīng)器底部引入光生物反應(yīng)器；
4)微藻固定二氧化碳利用沼氣中的(X)2作為碳源，進(jìn)行光合自養(yǎng)生長(zhǎng)固定(X)2方式的微藻培養(yǎng)，控制微藻培養(yǎng)的溫度和光照強(qiáng)度，培養(yǎng)溫度為20-30°C，自養(yǎng)型淡水微藻的一個(gè)生長(zhǎng)周期在十二天左右，在培養(yǎng)早期(第1-3天)光照強(qiáng)度為1000LX-2000LX，到培養(yǎng)中后期 (第4-12天)增大光強(qiáng)到4000Lx-8000Lx，12h/d連續(xù)光照；
5)自養(yǎng)型淡水微藻收獲作為沼氣發(fā)酵的原料經(jīng)過2-4周的培養(yǎng)，微藻生長(zhǎng)停滯后，停止光照和引入沼氣，對(duì)藻液進(jìn)行氣浮處理，上層較濃稠的微藻漿作為沼氣發(fā)酵的原料；下層的稀藻液還可作為接種藻液。本發(fā)明使用的自養(yǎng)型淡水微藻既可以來自于淡水域等野生環(huán)境，也可從各大藻種保藏中心或市售獲得。具體藻種可以是耐二氧化碳濃度高的小球藻(Chlorella)以及給太湖流域造成重大困擾的藍(lán)藻等。本發(fā)明中，可通過沼氣引入自養(yǎng)型淡水微藻培養(yǎng)的光生反應(yīng)器的氣體流速 (100-500mL/min)及停留時(shí)間(30min-lh)來控制沼氣的提純度。其中氣體流速越慢，停留時(shí)間越長(zhǎng)，處理效果越好。上述利用循環(huán)體系可按以下步驟進(jìn)行
本發(fā)明中，步驟1的沼氣發(fā)酵按常規(guī)方法獲得沼氣和沼液，如將人畜糞、秸稈、生活垃圾等廢棄生物質(zhì)和水混合，接入?yún)捬趸钚晕勰啵?5°c厭氧發(fā)酵10-20天，獲取沼氣和沼液。也可用實(shí)驗(yàn)室小規(guī)?？焖佼a(chǎn)氣方法獲取沼氣和沼液，如在馴化后的厭氧活性污泥中按 1 1的比例接入10%葡萄糖，351厭氧發(fā)酵，？!1為6.5-7.8.停留時(shí)間1天，即可產(chǎn)生沼氣。 沼氣的主要成分為CH4和CO2，含量分別在60%和30%左右。本發(fā)明中，步驟3的自養(yǎng)型淡水微藻的接種和沼氣的引入可將處理后的沼液裝入自養(yǎng)型淡水微藻培養(yǎng)用的光生物反應(yīng)器，接入新鮮擴(kuò)配的自養(yǎng)型淡水微藻藻種，將沼氣從光生物反應(yīng)器底部引入反應(yīng)器，經(jīng)藻細(xì)胞吸收后的沼氣再通過下一級(jí)光生物反應(yīng)器。經(jīng)自養(yǎng)型淡水微藻3-5次吸收后的沼氣可作為清潔能源使用，除直接燃燒用于炊事、烘干農(nóng)副產(chǎn)品、供暖、照明和氣焊等外，還可作內(nèi)燃機(jī)的燃料以及生產(chǎn)甲醇、福爾馬林、四氯化碳等化工原料。本發(fā)明的有益效果利用自養(yǎng)型微藻的光合作用對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行提純，把沼氣發(fā)酵的副產(chǎn)品(X)2和沼液合理利用，大大降低了自養(yǎng)型淡水微藻的生產(chǎn)成本，使沼氣得到提純凈化(CH4的含量從60%提高到80%以上)，并解決了沼液的后處理問題；高濃度的微藻漿還可以作為沼氣發(fā)酵的原料。整個(gè)過程中，沼氣發(fā)酵的產(chǎn)物沼氣及藻細(xì)胞里的生物質(zhì)能量皆為廢物再生的清潔型能源。本發(fā)明可改善環(huán)境，增加經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。實(shí)施例1 本案例的微藻Chlorella為自養(yǎng)型淡水藻。采用沼氣和沼液作為 Chlorella的全部營(yíng)養(yǎng)源，在光照培養(yǎng)箱內(nèi)小型圓柱式光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)藻細(xì)胞。該藻已CN 102392052 A
說明書
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經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)可在此條件下生存。其步驟如下
1、沼氣發(fā)酵。將豬糞，生活垃圾等廢棄生物質(zhì)和水以1 :15混合，接入50%的厭氧活性污泥，35°C厭氧發(fā)酵20天，獲得沼氣和沼液，沼氣經(jīng)管道引入光生物反應(yīng)器，沼液經(jīng)處理后作為培養(yǎng)基。2、沼液的處理。取沼氣發(fā)酵后的沼液，以過濾法去除殘余的固體顆粒，以自來水稀釋至原濃度的25%作為該微藻的培養(yǎng)基，經(jīng)過高溫高壓消毒處理，以BGll培養(yǎng)基作為對(duì)照培養(yǎng)基，比較上述稀釋度下的沼液培養(yǎng)基和對(duì)照培養(yǎng)基在生物量OD68tl的差別，并確定最適沼液稀釋比例。3、微藻的接種和沼氣的分級(jí)引入。將處理后的沼液裝入微藻培養(yǎng)用的光生物反應(yīng)器，接入新鮮擴(kuò)配的Chlorella (小球藻)至0D_為0. 3-0. 5，將沼氣從反應(yīng)器底部引入反應(yīng)器，以氣泡方式緩釋放氣，經(jīng)藻細(xì)胞吸收后的沼氣再通過下一級(jí)反應(yīng)器。經(jīng)藻細(xì)胞3次吸收后的沼氣作為能源使用。4、微藻固定二氧化碳過程控制。控制微藻培養(yǎng)的溫度為25°C，光照強(qiáng)度自養(yǎng)型淡水微藻的一個(gè)生長(zhǎng)周期在十二天左右，在培養(yǎng)早期(1-3天)光照強(qiáng)度為1000LX-2000LX， 到培養(yǎng)中后期(4-12天)增大光強(qiáng)到4000LX-8000LX，12h/d連續(xù)光照；。5、微藻收獲作為沼氣發(fā)酵的原料。經(jīng)過2-4周的培養(yǎng)，微藻生長(zhǎng)停滯后，停止光照通氣，對(duì)藻液進(jìn)行氣浮處理，濃度較高的微藻漿作為沼氣發(fā)酵的原料；濃度較低的稀藻液作為接種藻液。經(jīng)過以上步驟后，沼氣中的甲烷含量從60%增加至80%_85%，二氧化碳含量從35% 下降到15%以下；沼液中氮和磷的利用率均達(dá)到90%以上。實(shí)施例2本案例的微藻藍(lán)藻為自養(yǎng)型淡水藻。采用沼氣和沼液作為藍(lán)藻的全部營(yíng)養(yǎng)源，在室內(nèi)小型圓柱式光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)藻細(xì)胞。該藻已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)可在此條件下生存。其步驟如下
1、沼氣發(fā)酵。將1 :1比例接入?yún)捬趸钚晕勰嗪?0%的葡萄糖，35°C厭氧發(fā)酵1天，獲得沼氣和沼液，沼氣經(jīng)管道引入光生物反應(yīng)器，沼液經(jīng)處理后作為培養(yǎng)基。2、沼液的處理。取沼氣發(fā)酵后的沼液，以過濾法去除殘余的固體顆粒，以自來水稀釋至原濃度的25%作為該微藻的培養(yǎng)基，經(jīng)過高溫高壓消毒處理，以BGll培養(yǎng)基作為對(duì)照培養(yǎng)基，比較上述稀釋度下的沼液培養(yǎng)基和對(duì)照培養(yǎng)基在生物量OD68tl的差別，并確定最適沼液稀釋比例。3、微藻的接種和沼氣的分級(jí)引入。將處理后的沼液裝入微藻培養(yǎng)用的光生物反應(yīng)器，接入新鮮擴(kuò)配的藍(lán)藻至0D_為0. 3-0. 5，將沼氣從反應(yīng)器底部引入反應(yīng)器，以氣泡方式緩釋放氣，經(jīng)藻細(xì)胞吸收后的沼氣再通過下一級(jí)反應(yīng)器。共經(jīng)藻細(xì)胞5次吸收后的沼氣作為能源使用。4、微藻固定二氧化碳過程控制。控制微藻培養(yǎng)的溫度為25°C，光照強(qiáng)度自養(yǎng)型淡水微藻的一個(gè)生長(zhǎng)周期在十二天左右，在培養(yǎng)早期(1-3天)光照強(qiáng)度為1000LX-2000LX， 到培養(yǎng)中后期(4-12天)增大光強(qiáng)到4000LX-8000LX，12h/d連續(xù)光照。5、微藻收獲作為沼氣發(fā)酵的原料。經(jīng)過2-4周的培養(yǎng)，微藻生長(zhǎng)停滯后，停止光照通氣，對(duì)藻液進(jìn)行氣浮處理，濃度高的微藻漿作為沼氣發(fā)酵的原料；濃度較低的稀藻液作為接種藻液。
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經(jīng)過以上步驟后，沼氣中的甲烷含量從60%增加至80%以上，二氧化碳含量從35% 下降到15%以下；25%的沼液廢水為最優(yōu)培養(yǎng)條件，此時(shí)OD68tl為對(duì)照培養(yǎng)基的80%左右。
權(quán)利要求
1.一種利用沼液培養(yǎng)自養(yǎng)型淡水微藻提純沼氣的方法，其特征在于具體步驟如下1)沼氣發(fā)酵按現(xiàn)有方法將有機(jī)物質(zhì)發(fā)酵，獲得沼氣和沼液；2)沼液的處理對(duì)得到的沼液過濾，去除殘余的固體顆粒，以水稀釋沼液，至原沼液濃度的10%—100%，作為自養(yǎng)型淡水微藻的全營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基；3)自養(yǎng)型淡水微藻的接種和沼氣的引入將處理后的沼液裝入自養(yǎng)型淡水微藻培養(yǎng)用的光生物反應(yīng)器，接入新鮮擴(kuò)配的自養(yǎng)型淡水微藻藻種，將沼氣從反應(yīng)器底部引入光生物反應(yīng)器；4)微藻固定二氧化碳利用沼氣中的(X)2作為碳源，進(jìn)行光合自養(yǎng)生長(zhǎng)固定(X)2方式的微藻培養(yǎng)，控制微藻培養(yǎng)溫度為20-30°C，光照強(qiáng)度為在培養(yǎng)早期第1-3天光照強(qiáng)度為 1000Lx-2000Lx,到培養(yǎng)中后期第4-12天增大光強(qiáng)到4000Lx_8000Lx，12h/d連續(xù)光照；5)自養(yǎng)型淡水微藻收獲作為沼氣發(fā)酵的原料經(jīng)過2-4周的培養(yǎng)，微藻生長(zhǎng)停滯后，停止光照和引入沼氣，對(duì)藻液進(jìn)行氣浮處理，上層較濃稠的微藻漿作為沼氣發(fā)酵的原料；下層的稀藻液作為接種藻液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的自養(yǎng)型微藻為耐二氧化碳濃度高的小球藻或藍(lán)藻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于控制沼氣引入自養(yǎng)型淡水微藻培養(yǎng)的光生反應(yīng)器的氣體流速為100-500mL/min，停留時(shí)間為30min_lh。
全文摘要
本發(fā)明屬于清能源技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種利用沼液培養(yǎng)自養(yǎng)型淡水微藻提純沼氣的方法。本發(fā)明方法包括沼氣發(fā)酵、沼液的處理、自養(yǎng)型淡水微藻的接種和沼氣的引入、微藻固定二氧化碳、自養(yǎng)型淡水微藻收獲作為沼氣發(fā)酵的原料等。本發(fā)明以沼液作為自養(yǎng)型淡水微藻的培養(yǎng)基，以沼氣中的二氧化碳作為自養(yǎng)型淡水微藻培養(yǎng)所需的碳源，大量生長(zhǎng)的微藻還可作為發(fā)酵所用原料，大大降低了培養(yǎng)藻類的成本，并解決了沼氣的凈化、沼液和大量繁殖的藻類的后續(xù)處理問題，構(gòu)成一個(gè)無污染的能量循環(huán)。
文檔編號(hào)C02F11/04GK102392052SQ20111028264
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者李博, 王東, 聶耳, 鄭正, 顏誠(chéng) 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)