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微藻对水热液化废水养分的循环利用及代谢途径研究

张丽  
【摘要】:水热液化废水(PHWW)含有的高浓度碳氮磷及多种矿物质元素,是微藻生长所需要的营养元素。利用PHWW培养微藻可实现废水的资源化利用,同时降低微藻生物质生产的成本,具有环境、能源等多重意义。本课题通过分析PHWW中碳氮磷的存在形式及其含量明确了废水的性质;从PHWW生产生物质实现营养元素回收的角度,对水热液化的原料及产物分离方法进行研究,确定了PHWW的来源与途径;通过藻细胞活性、对高浓度PHWW耐受的角度考察了不同藻种的生长情况,确定了适宜PHWW生物质生产的藻种;在优化小球藻的营养浓度、接种量、光照周期的基础上,对普通小球藻在PHWW中的代谢途径进行研究,以期提高生物质生产效率和营养元素回收效率。得到以下主要结论:PHWW是一种特殊的高浓度有机废水。碳氮磷的含量均较高,含有部分的蛋白质和多种矿物质,具有较高的资源化价值,但是用于微藻培养时需要有效的预处理方式。TOC是碳的主要存在形式。TN包括NH3-N和有机氮,12%~49%的有机氮是蛋白质。NH3-N是水热液化高温(260℃和300℃)时氮的主要存在形式,低温(220℃)时,氮主要以有机氮的形式存在。磷以P043--p的形式存在。测定TOC、NH3-N、TN、PO43--P即可反映PHWW中碳氮磷的主要存在形式及其浓度。含氮氧有机物是水热液化废水中主要的有机物组分,还有部分的烃类。含固量对PHWW中的TOC、氨氮、TN、PO43--P浓度的影响最大,其次是反应温度。COD浓度和TOC浓度之间存在如下线性关系:COD浓度(mg/L)=2.8657×TOC浓度(mg/L)一51615。水热液化的原料和产物分离方法显著影响PHWW的性质,进而影响微藻生物质生产效率和营养元素回收效率。高蛋白微藻原料来源的PHWW中氮磷相对较高,乙醚萃取法降低了TOC浓度和氮氧有机物的比例,有机氮浓度和TP浓度分别降低了7.1%和52%, C. vulgaris 1067可耐受的PHWW比例(体积比)从1.9%提高到6.7%,最高的生物质产率是真空抽滤法的1.9倍。低蛋白微藻原料来源的PHWW中TOC浓度和有机酸浓度相对较高,真空抽滤法有利于微藻生物质的生产及营养元素回收。规则小球藻、蛋白核小球藻、四尾栅藻、铜绿微囊藻和普通小球藻均可以在150-750 mg/L初始TN浓度的PHWW培养基中生长,钝顶螺旋藻死亡。普通小球藻在PHWW驯化前即达到了较高的生物累积量和日生产率,可作为PHWW生产生物质的潜在藻种。PHWW驯化可以显著提高规则小球藻、蛋白核小球藻、四尾栅藻的细胞活性,缩短延滞期,提高生物累积量和生产率,降低了普通小球藻的生物累积量。增强光合作用的定向诱导提高了生物量的累积和日生产效率。异养能力的增强缩短了普通小球藻的生长周期,但是降低了生物累积量和生长速率。C. vulgaris1067在6.7%(v/v)的PHWW中达到最大的生物累积量日生产率及营养元素对细胞的转化率。当初始TN浓度增加到750 mg/L时,微藻的生长受到严重抑制。适宜的接种量为0.103-0.135 g/L最终生物累积量为1.41 g/L,可实现58.87%的TOC回收率、57.35%的TN回收率和约60%的TP回收率。光周期影响C. vulgaris 1067的生长及营养元素的回收。随着光照时间的延长,生物量和营养元素去除量增加。12:12是较为适宜的光暗比。普通小球藻在PHWW是混合营养的营养方式,同时存在氧化磷酸化和光合磷酸化,二者分别贡献38%和60%,以光合自养占主导。光合磷酸化促进氧化磷酸化的进程。


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