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1、(10)申请公布号 CN 102815839 A(43)申请公布日 2012.12.12CN102815839A*CN102815839A*(21)申请号 201210307754.2(22)申请日 2012.08.27C02F 9/14(2006.01)B01D 53/84(2006.01)C11B 1/00(2006.01)C10L 1/02(2006.01)C12N 1/12(2006.01)C12M 1/04(2006.01)C12R 1/89(2006.01)(71)申请人哈尔滨工业大学地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号(72)发明人冯玉杰 初晓婉 李超 于艳玲。
2、张大伟 仪超(74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109代理人王艳萍(54) 发明名称一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法和装置(57) 摘要一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法和装置，本发明涉及一种能源化的方法和装置。本发明是为了解决废水处理过程中碳回收率低、CO2固定率低和微藻油脂成本高的问题。方法：（1）将经过一级处理的废水进行高压蒸汽灭菌预处理，然后导入反应器中，接种微藻培养液；（2）向反应器中通入废气，培养微藻；（3）收集培养后的微藻，将微藻经脱水至恒重后，对微藻进行油脂提取，即完成废气和废水耦合低碳排能源化。本方法所利用的一种废气和废水耦合低碳排能源化的装置是由反应。
3、器主体、进液管、出液管、盖、进气管、布气装置、出气管和热传感器构成。本发明应用于废气和废水耦合低碳能源化的领域。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书6页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页1/1页21.一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于对废气和废水耦合低碳排能源化的方法按以下步骤实现：一、取污水处理厂一级处理后的废水进行灭菌预处理，然后导入反应器中，将微藻以体积比为1050的接种量接种于反应器中的废水中，得混合液；二、将废气通入混合液中即进气，进行培养微藻，同时将反应器内培养微藻过程中的余气排出。
4、并且收集；三、将步骤二中收集的余气与进气混合后重新通入反应器中的混合液中，当微藻培养至OD658值基本稳定即进入稳定期后，将混合液排出，并收集混合液中的微藻，将收集得到的微藻脱水至微藻恒重后，对微藻进行油脂提取，即完成废气和废水耦合低碳排能源化。2.根据权利要求1所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤一中所述的废水为生活污水、啤酒废水、糖蜜废水或工业废水。3.根据权利要求1所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤一中所述的灭菌预处理为高压蒸汽灭菌、次氯酸钙灭菌、Cl2灭菌、二氧化氯灭菌、臭氧灭菌或紫外线灭菌。4.根据权利要求1所述的一种废气和废水耦合低碳排。
5、能源化的方法，其特征在于步骤一中所述的反应器为平板式光生物反应器、管道式生物反应器、薄膜袋光生物反应器或以透明材料覆盖的藻类塘。5.根据权利要求1所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于所述的微藻为小球藻、栅藻、盐藻、纤维藻、葡萄藻、鞘藻或螺旋藻。6.根据权利要求1所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤二中的进气是分别以0.05vvm、0.1vvm、0.2vvm、0.3vvm或0.4vvm的通气速率通入反应器的。7.根据权利要求1所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤二中所述的废气为烟道气、含CO2的工业废气、空气或体积百分比含量为5的CO。
6、2和95的空气混合而成的。8.根据权利要求1所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤二中的培养微藻是在温度为20 C40 C，光照强度为1000lx20000lx，光暗周期比为824：16和混合液pH为59的条件下进行的。9.根据权利要求1所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法，其特征在于步骤三中的微藻脱水方式为废气的余热、日照或加热至2540至微藻恒重。10.一种废气和废水耦合低碳排能源化的装置，其特征在于利用废气和废水耦合低碳排能源化的装置是由反应器主体（1）、进液管（2）、出液管（3）、盖（4）、进气管（5）、布气装置（6）、出气管（7）和热传感器（8）构成，其中进。
7、液管（2）设置在反应器主体（1）下端，在与进液管（2）相对的反应器主体（1）下端设有出液管（3），在反应器主体（1）的顶部设有盖（4），盖（4）上部设进气管（5）和出气管（7），进气管（5）与设置在反应器主体（1）底部的布气装置（6）连接，在反应器主体（1）内设置热传感器（8）。权 利 要 求 书CN 102815839 A1/6页3一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法和装置技术领域0001 本发明涉及一种能源化的方法和装置。背景技术0002 化石能源短缺、水源危机及温室效应成为阻碍人类社会发展的难题，可再生且环境友好型替代能源日益受到人们的关注。我国能源短缺现象更为严重，同时，大量化石燃料的。
8、燃烧导致温室效应加剧，我国解决能源短缺与CO2排放量大的形式更为严峻。0003 污水的能源化工艺可回收利用污水中的有机物，包括污水发酵产氢产甲烷技术、微生物燃料电池（MFC）技术和微藻生物柴油技术。0004 污水发酵能源化技术主要有两种，一是发酵生物制氢，二是发酵产甲烷。发酵生物制氢是通过厌氧菌对富含碳水化合物底物的水解发酵来制取氢气，其生产的气体为混合气体，含有H2、CO2和少量的CH4、CO以及H2O等，目前正在实验室研究成果向工业生产的转化过程。发酵产甲烷又称沼气发酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生。
9、物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体（沼气）的复杂的生物化学过程。沼气作为能源利用已有很长的历史，我国的沼气最初主要为农村户用沼气池，大中型沼气工程始于1936年，此后，大中型废水、养殖业污水、村镇生物质废弃物、城市垃圾沼气的建立拓宽了沼气的生产和使用范围。目前，中国沼气池的推广应用规模居世界首位。0005 微生物燃料电池（Microbial fuel cells，MFCs)是一种能够直接将污水中有机物通过微生物的作用转化为电能的电化学装置。0006 微藻生物柴油是一种具有较大发展潜力的可再生能源，与动、植物为原料制备的生物柴油相比，它有不占用耕地、产油效率高等优点。目前，微藻生物。
10、柴油在国内外都有很大发展，产业化的进程也在逐步推进。藻类中小球藻、葡萄藻和多胞蓝藻等细胞中碳氢化合物或脂类物质含量较高，适于作为生产生物能源的原料，小球藻的培养方式灵活，既可以进行光合自养，也可以在有机碳源存在的情况下，进行异养生长。收获的藻类可以用于高营养价值产品的生产也可用作生物燃料的原料。由于石化燃料燃烧所释放的CO2被视为温室效应的主要原因，因此生物燃料的使用可以减少CO2向大气中排放量。目前国内新奥能源公司利用藻类生产生物柴油的研究已经取得中试成功。0007 微藻作为分布最广的微生物种类之一，具有光合效率高，易培养，生长速度快，分布广，种类多等优点。不仅可以通过光合作用固定CO2，而。
11、且部分微藻种类还拥有较高的脂含量，可以用于生物柴油的制备，因此，微藻被认为是未来重要的生物能源原料之一。含CO2的废气可以被用于微藻的规模化培养，既减少了的CO2排放量，又促进了微藻的生长。同时，人类生活会产生大量废水，造成了严重的环境问题，部分藻类可以利用废水中的有机物进行异养生长，因此，利用市政废水及含有CO2的废气培养微藻，既能实现废气和废水耦合低碳排，又能收集微藻的油脂作为生物柴油的原料实现能源化，从而降低微藻生物柴油的成本，并实现了废水废气的资源化。说 明 书CN 102815839 A2/6页4发明内容0008 本发明是为了解决生活污水处理过程中碳回收率低、CO2固定率低和微藻油脂。
12、成本高的问题，而提供了一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法和装置。0009 一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法按以下步骤实现：0010 一、取污水处理厂一级处理后的废水进行灭菌预处理，然后导入反应器中，将微藻以体积比为1050的接种量接种于反应器中的废水中，得混合液；0011 二、将废气通入混合液中，进行培养微藻，同时将反应器内培养微藻过程中的余气排出并且收集；0012 三、将步骤二中收集的余气与进气混合后重新通入反应器中的混合液中，当微藻培养至OD658值基本稳定即进入稳定期后，将混合液排出，并收集混合液中的微藻，将收集得到的微藻脱水至微藻恒重后，对微藻进行油脂提取，即完成废气和废水耦合低。
13、碳排能源化。0013 一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法所利用的一种废气和废水耦合低碳排能源化的装置是由反应器主体、进液管、出液管、盖、进气管、布气装置、出气管和热传感器构成，其中进液管设置在反应器主体下端，在与进液管相对的反应器主体下端设有出液口，在反应器主体的顶部设有盖，盖上部设进气管和出气管，进气管与设置在反应器主体底部的布气装置连接，在反应器主体内设置热传感器。0014 本发明的有益效果如下：0015 微藻被认为是未来重要的生物能源原料之一，本发明利用微藻这一特点，能够在实现废气和废水耦合低碳排的同时获得微藻生物质，并从中提取油脂作为生物柴油的原料。利用微藻对废气和废水耦合低碳排能源。
14、化的方法既减少了的CO2排放量，又促进了微藻的生长。同时，人类生活会产生大量废水，造成了严重的环境问题。部分藻类可以利用废水中的有机物进行异养生长，因此，利用市政废水及废气培养微藻，既能实现废气和废水耦合低碳排，又能收集微藻的油脂作为生物柴油的原料实现能源化，从而降低微藻生物柴油的成本，并实现了废水废气的资源化。0016 本发明利用废气和废水耦合低碳排能源化的方法，结果表明当废气通入速率不同时，对小球藻固定废气中的无机碳含量的影响不同，收集的微藻油脂含量也会不同。0017 本发明解决了生活污水处理过程碳回收率低、CO2固定率低和微藻油脂成本高的问题。本发明对COD可以满足污水综合排放标准(GB。
15、8978-2002)的二级标准。本发明耐冲击负荷大，适用于进水流量变化较大的地区。产生的微藻生物质收集后，可以提取油脂，将油脂作为生物柴油的生产原料，并可将提取油脂后的剩余物进行厌氧发酵生产沼气或乙醇，真正达到废物的资源化。附图说明0018 图1为试验一中所述的一种废气和废水耦合低碳排能源化的装置示意图；其中1为反应器主体，2为进液管，3为出液管，4为盖，5为进气管，6为布气装置，7为出气管和8为热传感器；0019 图2为试验一中小球藻的生长曲线图，其中，为通气速率为0.05vvm的小球藻的生长曲线，为通气速率为0.1vvm的小球藻的生长曲线，为通气速率说 明 书CN 102815839 A3。
16、/6页5为0.2vvm的小球藻的生长曲线，为通气速率为0.3vvm的小球藻的生长曲线；为通气速率为0.4vvm的小球藻的生长曲线；0020 图3为试验一中CO2的固定曲线图，其中，为通气速率为0.05vvm的CO2的固定率曲线图，为通气速率为0.1vvm的CO2的固定率曲线，为通气速率为0.2vvm的CO2的固定率曲线，为通气速率为0.3vvm的CO2的固定率曲线，为通气速率为0.4vvm的CO2的固定率曲线；0021 图4为试验一中生活污水COD去除情况曲线图，其中，为通气速率为0.05vvm的生活污水COD去除率曲线，为通气速率为0.1vvm的生活污水COD去除率曲线，为通气速率为0.2v。
17、vm的生活污水COD去除率曲线，为通气速率为0.3vvm的生活污水COD去除率曲线，为通气速率为0.4vvm的生活污水COD去除率曲线；0022 图5为试验一中废水中有机碳及无机碳的固定情况柱状图，其中，为生活污水中有机碳的含量，为烟道气中无机碳的含量；具体实施方式0023 本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。0024 具体实施方式一：本实施方式中一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法是按以下步骤实现的：0025 一、取污水处理厂一级处理后的废水进行灭菌预处理，然后导入反应器中，将微藻以体积比为1050的接种量接种于反应器中的废水中，得混合液；0026。
18、 二、将废气通入混合液中，进行培养微藻，同时将反应器内培养微藻过程中的余气排出并且收集；0027 三、将步骤二中收集的余气与进气混合后重新通入反应器中的混合液中，当微藻培养至OD658值基本稳定即进入稳定期后，将混合液排出，并收集混合液中的微藻，将收集得到的微藻脱水至微藻恒重后，对微藻进行油脂提取，即完成废气和废水耦合低碳排能源化。0028 本发明的有益效果如下：0029 微藻被认为是未来重要的生物能源原料之一，本发明利用微藻这一特点，能够在实现废气和废水耦合低碳排的同时获得微藻生物质，并从中提取油脂作为生物柴油的原料。利用微藻对废气和废水耦合低碳排能源化的方法既减少了的CO2排放量，又促进了。
19、微藻的生长。同时，人类生活会产生大量废水，造成了严重的环境问题。部分藻类可以利用废水中的有机物进行异养生长，因此，利用市政废水及废气培养微藻，既能实现废气和废水耦合低碳排，又能收集微藻的油脂作为生物柴油的原料实现能源化，从而降低微藻生物柴油的成本，并实现了废水废气的资源化。0030 本发明利用废气和废水耦合低碳排能源化的方法，结果表明当废气通入速率不同时，对小球藻固定废气中的无机碳含量的影响不同，收集的微藻油脂含量也会不同。0031 本发明解决了生活污水处理过程碳回收率低、CO2固定率低和微藻油脂成本高的问题。本发明对COD可以满足污水综合排放标准(GB8978-2002)的二级标准。本发明耐。
20、冲击负荷大，适用于进水流量变化较大的地区。产生的微藻生物质收集后，可以提取油脂，说 明 书CN 102815839 A4/6页6将油脂作为生物柴油的生产原料，并可将提取油脂后的剩余物进行厌氧发酵生产沼气或乙醇，真正达到废物的资源化。0032 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的废水为生活污水、啤酒废水、糖蜜废水或工业废水。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。0033 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的灭菌处理为高压蒸汽灭菌、次氯酸钙灭菌、Cl2灭菌、二氧化氯灭菌、臭氧灭菌或紫外线灭菌。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。00。
21、34 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的反应器为平板式光生物反应器、管道式生物反应器、薄膜袋光生物反应器或以透明材料覆盖的藻类塘。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。0035 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的微藻为小球藻、栅藻、盐藻、纤维藻、葡萄藻、鞘藻或螺旋藻。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。0036 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中的进气是分别以0.05vvm、0.1vvm、0.2vvm、0.3vvm或0.4vvm的通气速率通入反应器的。其它步骤及参数与具体实施。
22、方式一至五之一相同。0037 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述的废气为烟道气、含CO2的工业废气、空气或体积百分比含量为5的CO2和95的空气混合而成的。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。0038 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中是在温度为20C40C，光照强度为1000lx20000lx，光暗周期比为824：16和混合液pH为59的条件下培养微藻的。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。0039 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中的微藻脱水方式为废气的余热、日照或加热。
23、至2540至微藻恒重。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。0040 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：废水的预处理方法是过滤、混凝沉淀、气浮或以上工艺的组合。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。0041 具体实施方式十一：(请参考附图1)本实施方式的一种废气和废水耦合低碳排能源化的装置是由反应器主体1、进液管2、出液管3、盖4、进气管5、布气装置6、出气管7和热传感器8构成，其中进液管2设置在反应器主体1下端，在与进液管2相对的反应器主体1下端设有出液口3，在反应器主体1的顶部设有盖4，盖4上部设进气管5和出气管7，进气管5与设置在反应器主体1底部的布。
24、气装置6连接，在反应器主体1内设置热传感器8。0042 用以下试验验证本发明的有益效果：0043 试验一：本实验的一种废气和废水耦合低碳排能源化的方法是按照以下步骤进行的：0044 一、取污水处理厂的一级处理后的生活污水进行高压蒸汽灭菌预处理，然后导入具体实施方式十一所述的废气和废水耦合低碳排能源化的装置的反应器主体1中，将小球藻以10的接种量接种于反应器主体1中的生活污水中，得混合液，此时小球藻的OD值为说 明 书CN 102815839 A5/6页70.15g/L；0045 二、将5CO2+95的空气混合气分别以0.05vvm、0.1vvm、0.2vvm、0.3vvm或0.4vvm的通气速。
25、率经进气管5和布气装置6不断通入混合液中即进气，然后在温度为30，光照强度为2500lx，光照与黑暗时间分别为12h，混合液pH为7的条件下培养小球藻，同时将反应器主体1内培养微藻过程中的余气通过出气管7排出并且收集；0046 三、将步骤二中收集的余气与进气混合后重新通入反应器主体1中的混合液中，剩余气体排出，将小球藻培养至稳定期，即此时细胞密度在0.30.6g/L左右，培养小球藻的出水通过出液管3排出并且采用混凝-气浮法收集小球藻，将收集得到的小球藻经日照15h进行脱水至恒重后，直接对小球藻进行油脂提取，即完成烟道气和废水耦合低碳排能源化；0047 本实施方式中所述的一级处理后的生活污水是指。
26、经过格栅、沉淀、稀释和调节pH处理后的生活污水；0048 步骤二中排出的废气经过气相色谱测定，二氧化碳含量为24；0049 藻细胞脂含量测定采用改进的Bligh方法进行：0050 1）取烘干后的藻，于玛瑙研钵中进行研磨，研磨成细粉；0051 2）精确称量藻粉质量mc后，向藻粉中加入0.8mL蒸馏水，再加入1mL氯仿和2mL甲醇，振荡2min后，超声破碎2min；0052 3）再向溶液中加入1ml氯仿振荡1min，加入1ml蒸馏水，再振荡1min，然后在4000rpm/min的转速下离心10min；0053 4）离心后，取氯仿相转移到已称重（m0）的试管中，再向原管中加入2mL氯仿，振荡1min。
27、后，在4000rpm/min的转速下离心10min，将氯仿相转移到已称重（m2）的试管中，重复两次；0054 5）将三次转移的氯仿相通过氮吹到质量恒定，称重得到m1，并根据公式2-3计算藻细胞脂含量。0055 0056 式中m1带有油脂的试管重（g）；0057 m0试管空重（g）；0058 mc藻粉质量（g）；0059 油脂产率可由下式计算：0060 油脂产率（mg/d）=油脂含量（）藻干重10（mgL） （2-4）0061 本实验得到的小球藻密度、脂产率、脂含量与通气速率的关系如图2和表1所示，由图2及表1可知，通气速率对小球藻的密度及脂含量产生显著的影响。由表1可知，通气速率为0.1vvm。
28、、0.2vvm、0.3vvm或0.4vvm时，小球藻密度较高，微藻生长速度较快，而0.05vvm的通气速率时小球藻密度较慢，微藻生长速度较慢。结合表1结果可知，相比于其他四组，通气速率为0.3vvm时，微藻生长最快，最终藻密度为0.53g/L。通气速率为0.1vvm时，小球藻脂含量最高，达到14.12，脂产率为59.15mg/L，通气速率为0.2vvm时，小球藻脂产率最大，达到63.41mg/L，脂含量为14.09。说 明 书CN 102815839 A6/6页80062 由图3可知，随通气速率的增加，小球藻对CO2的固定率减小，通气速率为0.05vvm时，CO2平均固定率最大，为33.25。。
29、通气速率0.1vvm、0.2vvm、0.3vvm或0.4vvm时CO2平均固定率为14.3124.61。0063 由图4可知，通气速率在0.05vvm、0.1vvm、0.2vvm、0.3vvm或0.4vvm时，最终COD含量在100以下，符合污水综合排放标准二级标准。0064 图5为小球藻对生活污水中的有机碳及烟道气中的无机碳的固定情况。通气速率在0.05vvm、0.1vvm、0.2vvm、0.3vvm或0.4vvm时，小球藻从生活污水固定的有机碳含量范围为37.1140.97mg/L，小球藻固定的烟道气中的无机碳含量范围为115.40249.70mg/L。与已有单纯的废气处理或者废水处理相比。
30、，本方法在实现低碳排的同时获得微藻生物质，并从中提取油脂作为生物柴油的原料，解决了生活污水处理过程碳回收率低、CO2固定率低和微藻油脂成本高的问题。0065 表1小球藻生长及油脂积累0066 通气速率（vvm） 藻密度（g/L） 脂含量（） 脂产率(mg/L)0.050.32 12.82 40.490.10.42 14.12 59.150.20.43 14.09 63.410.30.53 11.44 60.120.40.42 10.68 44.96说 明 书CN 102815839 A1/2页9图1图2说 明 书 附 图CN 102815839 A2/2页10图3图4图5说 明 书 附 图CN 102815839 A10。