[发明专利]一种利用人尿液代替氮磷化学试剂培养产油小球藻的方法

说明书

技术领域

本发明涉及微藻培养产生物燃料技术领域，更具体地，本发明涉及一种利用人尿液代替氮磷化学试剂培养产油小球藻的方法。

背景技术

全球范围内面临的环境可持续发展问题得到了愈加广泛的关注，比如，过度碳排放引起的全球变暖温室效应，能源、营养盐短缺，水体污染引起的富营养化等。大气中高浓度CO₂的产生主要是由于化石燃料的大量使用，而且化石燃料是不可再生的有限资源，因此，必须减少对化石燃料的依赖，加快发展可再生的碳中和性替代能源。针对气候变化及能源问题，可持续且能再生的生物燃料是解决方法之一。2012年8月，全球行业分析有限公司发布全球生物燃料的全球综合报告。报告称，到2018年，全球生物燃料消费量将达到5110亿升，生物乙醇、生物柴油等生物燃料已经得到越来越多的关注，尤其是以可固定CO₂的微藻为原料生产环境友好型生物柴油的第三代生物燃料。

另一方面，城镇化的快速推进使得越来越多的城市面临着日趋严峻的环境污染问题。据2013年联合国世界经济及社会调查，在1950年至2010年间，全球城镇人口增长了23亿，而且在接下来的几十年里依旧会维持这样的增长趋势。城镇化必定是势不可挡的，营养盐短缺及环境污染会更加严峻，探究可持续发展的环境污染处理方法，尤其是废物资源化，是非常必要的。

现有的城市系统的厕所粪便随冲厕水经过城市管道被运送到生活污水处理厂集中处理，这不仅使营养盐流失，而且造成城市水体污染。传统生活污水处理方法成本高，且由于被高度稀释而致使营养盐及能源回收效率低。分离式厕所的研发使得粪便可以在源头上被分开收集及处理，在减缓整体城市水体污染的同时可以实现营养盐的集中回收。据数据统计，城市生活污水中绝大部分营养盐(氮、磷、钾)都来自于尿液，尿液贡献了69～80％总氮、40～55％总磷及60％钾，这充分证明城市生活污水中绝大部分营养盐可直接从在源分离尿液中回收。目前，大规模回收源分离尿液中氮磷的方法只有鸟粪石沉淀法及氨吹脱法。鸟粪石沉淀法主要回收磷，只能回收少部分氮；氨吹脱法可以高效回收氮但能耗太高。培养以氮磷为主要营养盐的微藻可以作为一种同时回收尿液中氮磷的方法。通过培养微藻回收利用尿液中的氮、磷，不仅可以在实现人体尿液资源化的同时生产可转变为生物燃料的微藻生物质，而且可以降低微藻培养成本，减轻城市生活污水处理压力，缓解全球范围内能源、营养盐及水资源短缺问题。

发明内容

本发明的主要目的是通过废物资源化利用来降低微藻生物燃料生产成本，可通过以下技术方案实现：在源头上收集人尿液，将其作为氮磷来源，进行产油小球藻的半连续兼养培养。培养液中其它营养成分与BG11培养基中相同，培养周期为2～3天。以叶绿素a及生物量表征产油小球藻生长状况，以氮磷利用率表征尿液中氮磷回收率。

尿液性质很大程度上取决于人的饮食，其所含总有机碳(TOC)、总氮(TN)及总磷(TP)浓度分别为1600～20000，2000～16000及90～600mg/L，依据测定结果，以培养液中最终总氮浓度为40～220mg/L为标准，加入适量体积至添加了其它营养成分的培养液中。尿液pH为5.5～7.2，加入产油小球藻培养系统后，不需要调节培养液pH。

培养过程中，依据培养液中氮浓度，添加适量磷酸盐储备液。每个周期结束时，收获1/2～3/4体积的培养液，并补充相应体积的新进料。收获的培养液经离心后得到微藻生物质，生物量可达1.2～2.93g/L。

每个培养周期后期会经历氮缺陷阶段，刺激产油小球藻的油脂累积，收获的生物质使用有机溶剂提取法所得平均油脂含量达36.8％，且品质与BG11培养的相当，可作为良好的微藻生物柴油生产基质。

通过微藻培养可回收利用人体尿液中超过84％总氮及100％总磷。尿液未经过城市管网混入生活污水再被集中处理，而是在源头上被分离收集，用于产油微藻的培养。

向新鲜配置的培养液中添加人体尿液及产油小球藻接种液，培养条件如下：每个培养器配有一个自制的插入通气管的培养棉塞，以0.05～0.15vvm的速率持续通入5％CO₂。培养灯光来自于3个荧光灯，光照强度为157.2±5.1μmol photons/m²/s，光照时间为24h。培养温度控制在25～30℃。