一种可回收磁性纳米粒子收获微藻同时促进甲烷生产的一体化处理系统技术方案

本发明专利技术提供了一种可回收磁性纳米粒子收获微藻同时促进甲烷生产的一体化处理系统，属于藻类资源化处理与处置领域

【技术实现步骤摘要】
一种可回收磁性纳米粒子收获微藻同时促进甲烷生产的一体化处理系统


[0001]本专利技术涉及到藻类资源化处理与处置领域，具体指一种可回收磁性纳米粒子收获微藻同时促进甲烷生产的一体化处理系统
。

技术介绍

[0002]随着城市化进程的进一步加快，大量氮
、
磷等营养盐进入湖泊，导致湖水富营养化日趋严重，湖内藻类大量繁殖，水华现象大规模爆发，我国许多著名淡水湖泊如滇池
、
太湖
、
巢湖等都面临此难题
。
为了解决此难题，研究者研发了诸多防控措施，如打捞
、
絮凝除藻和生物控藻，这些防控措施有效的抑制了水华的进一步爆发
。
然而，打捞或杀灭的水华蓝藻如果不经过科学有效的处理与处置，定然会对湖泊水体或周边环境造成二次污染，需要对其进行无害化
、
减量化处理
。
同时，由于藻类中本身含有大量蛋白质和糖类等有机质，因此使之变害为利
、
变废为宝将对解决当前面临的环境
、
能源等问题从而达到综合治理目的具有十分重要的现实意义
。
[0003]除了生物质产量和工程操作外，脱水和收获是微藻生物质生产的主要挑战
。
然而，微藻收获作为生物燃料生产的的重要环节，这占生物质加工总成本的
20
‑
30
％，高成本限制了微藻生物燃料产业的发展
。
这部分是由于
(1)
微藻体积小，直径一般在2‑
20
μ
m
范围且密度与水相近，因此沉降速度缓慢，细胞分离困难；
(2)
微藻细胞在较宽的
pH
的范围内表面呈负电性，细胞之间相互排斥，稳定的悬浮在液体中，很难聚集；
(3)
含有微藻的液体处理量大
。
尤其在工业化之后，较大的处理量将成为重要的考虑因素
。
目前微藻收获有多种机械和化学方法，主要有絮凝
、
离心
、
过滤和筛选
、
重力沉降
、
浮选和电泳技术
。
虽然这些研究取得了良好的性能和较高的收获效率，但这些方法
(
例如，过滤和离心
)
通常非常昂贵且能源密集
。
与离心相比，用化学品进行混凝絮凝可以进一步增强重力沉降和溶解空气浮选，能耗低
。
但絮凝剂价格昂贵，且容易造成二次污染
。
此外，后续沉降需要很长时间，收获效率仍然很低
。
因此，磁分离作为一种有前途的替代方案受到越来越多的科研工作者的关注
。
磁絮凝法通过加入磁性物质，凭借独特的超顺磁性和生物亲和力，磁性纳米颗粒可以快速有效的捕获微藻，再利用外部磁场对微藻进行收获
。
磁絮凝法具有收获效率高，收获时间短，基本无二次污染的优点，且因为它易于操纵和再生，使用简单的设备，具有成本效益，在微藻收获方面具有可观的工业化前景
。
[0004]厌氧消化是一种微生物介导的过程，被广泛的应用于废水处理
、
有机生活垃圾以及农林牧废弃物等固废资源的处置，将复杂的有机废物转化为沼气
(
主要是甲烷和二氧化碳的混合物
)
形式的可再生能源
。
微藻中含有大量可利用的有机物如脂质
、
糖和蛋白质等有机物，而在各种生物燃料生产方法中，藻类生物质的甲烷生产被认为是整个藻类生物质的能量回收和利用方面最有效的
。
因为并非所有甘油三酯都可以酯交换成生物柴油，也不是所有的糖都可以发酵以生产生物乙醇
。
相反，三种大分子
(
脂质
、
碳水化合物和蛋白质
)
可被厌氧微生物用作前体以产生沼气
。
厌氧处理，可以实现污泥的减量，减少污泥最终处置的费
用；可以灭活污泥中的病原体等微生物，实现污泥的无害化，而且可以从污泥中回收大量的短链脂肪酸
、
氢气和甲烷等具有高附加值的产品，达到了以废制宝的效果，对于缓解目前的能源危机具有很大的作用
。
[0005]纳米技术是提高厌氧消化性能的新兴技术
。
纳米级颗粒
(1
‑
100nm)
具有优异的物理化学性质，例如高活性，高反应表面积，化学稳定性，用于提高性能的高特异性以及在厌氧消化过程中刺激微生物生长的能力
。
纳米颗粒的添加会影响微生物群落，并且在适当的浓度下，通过直接或间接的种间电子转移增加生物质的降解，从而提高沼气产量
。
在纳米粒子中，铁基纳米粒子似乎是提高沼气产量，提高生物消化器工艺稳定性，实现更好的底物处理和增加病原体减少的最有希望的纳米材料
。
其中，磁性氧化铁纳米粒子近年来因其磁性
、
无毒
、
高矫顽力
、
生物相容性以及提高电子传输效率
、
增加产甲烷过程中酶活性
、
为微生物提供营养
、
降低硫酸盐还原菌的抑制作用等优点而得到广泛应用
。
事实上，铁离子
(Fe
2+
和
Fe
3+
)
是辅因子和酶的必需成分，将它们添加到厌氧消化器中可以提高产甲烷古菌微生物的活性
。
此外，纳米颗粒在改善厌氧处理性能方面的应用一直受到其易损失的限制，但磁性氧化铁纳米颗粒可以解决这些缺点，因为它们易于回收
。
[0006]总而言之，磁性氧化铁纳米粒子既可以通过磁分离收获微藻，又可以提高厌氧消化甲烷产量
。
然而，迄今为止还没有研究证明磁性氧化铁纳米粒子在微藻分离和厌氧消化一体化处理系统中的多功能作用
。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供一种磁性纳米粒子收获微藻同时促进甲烷生产的一体化处理系统，从而使微藻类生物燃料的加工具有成本效益，同时最大限度地减少废物，且能够进一步促进后续厌氧共消化过程中的甲烷产量，具有很强的实用性
。。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方法为：
[0009]磁性纳米粒子制备方法：
[0010](1)
将
FeCl3和
FeCl2按摩尔比
2:1
的比例溶解在
100mL
的脱氧超纯水中；
[0011](2)
将步骤
(1)
得到的悬浮液加热到
60℃
并在氮气环境下培养1小时；
[0012](3)
将步骤
(2)
得到的悬浮液在氮气保护下缓慢加入
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可回收磁性纳米粒子收获微藻同时促进甲烷生产的一体化处理系统，其特征在于，磁性纳米粒子制备方法包括以下步骤：
(1)
将
FeCl3和
FeCl2按摩尔比
2:1
的比例溶解在
100mL
的脱氧超纯水中；
(2)
将步骤
(1)
得到的悬浮液加热到
60℃
并在氮气环境下培养1小时；
(3)
将步骤
(2)
得到的悬浮液在氮气保护下缓慢加入
0.5M NaOH
溶液并搅拌，直到悬浮液的
pH
值为
9.0
；
(4)
将步骤
(3)
得到的含有磁性氧化铁纳米粒子的悬浮液在
60℃
和氮气环境下持续搅拌1小时，然后用钕永久磁铁分离磁性氧化铁纳米粒子，用超纯水洗涤三次后用乙醇洗涤，在
60℃
下用真空干燥机干燥
12
小时，即制得所述可回收磁性纳米粒子
。
使用该磁性纳米粒子收获微藻同时促进甲烷生产的一体化处理系统包括以下步骤：
(a)
将储罐中的藻液和高浓度磁性氧化铁纳米粒子悬浮液通过计量泵从进料口按一定比例先后加入混合反应器，启动搅拌装置；
(b)
将磁
‑
藻混合物以一定流量连续输送至磁分离反应器，通过底部的电磁铁完成微藻磁分离过程，分离后的上清液通过反应器顶部的出液口流入出液储罐，期间保持排出液中所含微藻为低浓度，分离后的磁
‑
藻聚集体堆积在反应器底部，通过下方的放料口输送至厌氧共消化反应器；
(c)
在厌氧共消化反应器中，通过计量泵以一定比例加入磁
‑
藻聚集体和废活性污泥，调整磁性氧化铁纳米粒子与厌氧消化底物
(
微藻和废活性污泥
)
之间的质量比，加入接种物并用水补至整个厌氧消化器中所有物料为反应容器有效容积的
80
％
(v/v)
，并调整初始
pH
，其后进行氮气吹脱，封闭厌氧消化器，控制反应温度，消化过程中通过搅拌使物料反应均匀，反应器中消化后的残留混合物通过下方的放料口输送至磁性氧化铁纳米粒子分离回收单元；
(d)
在磁性纳米粒子分离回收反应器中加入不含磁性纳米粒子的清液至与反应器上方的电磁铁相接触，将气体从反应器下方的气体入口通入，然后加入厌氧共消化后的残留混合物，产生的气泡在上浮过程中携带磁性氧化铁纳米粒子促使其向上运动，最后通过设置在反应器上方的电磁铁实现磁性氧化铁纳米粒子的高效回收
。2.
根据权利要求1所述的一种可回收磁性纳米粒子收获微藻同时促进甲烷生产的一体化处理系统，其特征在于，步骤
(4)
中所述裸核磁性纳米氧化铁颗粒溶于蒸馏水中，超声处理
15
～
30min
使其完全分散，得到均匀分散的悬浮液；步骤
(4)
裸核磁性纳米氧化铁颗粒和藻液分别储存在磁性纳米粒子储罐和藻液储罐
。
其中，磁性纳米粒子储罐采用如塑料
、
玻璃等非铁磁材料
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王冬波，郑煜阳，刘旭冉，都明婷，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：