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利用有机废水生产微藻生物质的研究

巫小丹  
【摘要】:微藻生物质资源是一种重要的可再生资源。微藻种类繁多,只需利用光能、水、O2及一些营养盐即可合成蛋白质、糖类、脂类、色素等生物活性物质,在补充、替代粮食来源及作为可再生生物质资源方面有着不可替代的作用。实现微藻生物质产业化的关键在于掌握高效率、低成本、规模化的微藻培养技术。基于资源缺乏趋紧、环境污染严重的严峻形势,本文对微藻生物质产业化发展过程中的关键瓶颈问题进行了多方面的探索,提出微藻产业化道路应该着力于实现微藻生物固碳—废水深度净化—微藻生物质生产有机耦合,选择斜生栅藻和小球藻作为CO2固定和废水净化的研究对象,从微藻自身的生理生态特征出发,将其在CO2固定、有机废水深度净化及微藻生物质生产上的优势有机结合起来,优化工艺,实现啤酒工业废水和生猪养殖废水废弃资源的开发利用和高效生物治理,对缓解我国水资源紧张,温室气体减排,发展循环经济有着重要意义。主要研究内容和结果如下:(1)考察了初始氮浓度、pH值、通气量和初始接种量等因素对斜生栅藻(Scenedesmus obliquus FACHB-276)生长的影响。结果表明斜生栅藻生物量随氮浓度的增高而增高,油脂含量随氮浓度的增高而降低;S.obliquus对pH的适应范围较宽,pH7~11条件下均能较好地生长;通气和CO2加富会影响培养液的pH,从而影响S.obliquus的生长;最佳通气量为1.5 L/min;最佳初始接种量为初始OD680 0.2左右,此细胞密度可使微藻在啤酒废水中占据优势生长地位。建立了间歇短时间加富CO2微藻培养技术,以降低啤酒废水的PH,为微藻生长提供更多碳源,最终实现S.obliquus的良好生长和油脂积累,构建了“啤酒废水深度净化—碳减排—微藻生物质生产”体系,达到啤酒废水深度净化、碳减排和斜生栅藻生物质低成本生产耦合增效的目的。(2)考察了不同浓度CO2加富培养小球藻时,加富CO2对小球藻的生物质产率、CO2固定效率、油脂、蛋白质、碳水化合物和色素含量等指标的影响,开发了小球藻高效固定CO2转化生物基产品的工艺。结果表明:5%浓度CO2加富培养小球藻可获得最佳效果,生物量达到1.53 g/L,生物质产率达到153 mg/L/d,最大C02固定速率为0.81 g/L/d,实现C02高效固定和联产小球藻生物制品。不同C02浓度对小球藻细胞油脂含量影响不大,但对小球藻细胞蛋白质和碳水化合物的含量影响差异显著。5%CO2培养的小球藻细胞碳水化合物含量达到最高为30%,过低或过高的CO2浓度都会降低小球藻细胞碳水化合物含量;10%CO2培养的小球藻细胞蛋白质含量最高为55%。研究结果可为微藻生长过程中合理加富CO2提供理论支持。(3)养猪沼液中氨氮浓度可高达400~800 mg/L,高浓度氨氮会抑制藻类生长。磷酸氢镁(Magnesium hydrogen phosphate,MHP)可与氨氮反应,生成磷酸铵镁(Magnesium ammonium phosphate,MAP)沉淀而实现降低氨氮水平。通过单因素和正交设计实验研究了 pH值、n(MHP)/n(NH4+)和搅拌时间对磷酸铵镁沉淀法降低高氨氮模拟废水中氨氮的影响。结果表明:单因素实验中最适pH值为10,最适n(MHP)/n(NH4+)为1.5,最佳搅拌时间为120 min。正交实验表明最优水平组合为pH值9.5、n(MHP)/n(NH4+)为2、反应搅拌时间为150 min。建立磷酸铵镁沉淀预处理技术调控高氨氮养猪沼液的氨氮水平,实现小球藻在特殊生境(高氨氮养猪沼液)下利用MAP沉淀作为缓释肥料良好生长,培养12天,生物量高达1.05 g/L(比对照上清液组提高了 46.36%,对照未预处理组微藻发黄死亡),实现深度净化养猪沼液,达到高氨氮养猪沼液资源化处理的目的,成功构建“磷酸铵镁沉淀预处理—养猪沼液深度净化—微藻生物质低成本生产”耦合体系。(4)为实现养猪废水资源化利用,解决现有光生物反应器普遍存在透光率差,CO2供应和O2转移效果不好,收获成本居高不下等问题,选用生态Led光源,筛选光吸收好、反射少的膜材料,构建特殊阵列帘式膜组件,开发研制了一种微藻高效光生物膜反应器,可实现光源充分利用,CO2良好供应和O2快速转移,土地利用效率提高,实现微藻产率大幅提高,机械收刮方法实现低成本绿色采收膜上微藻。结果表明:经过5天左右的生长,膜上小球藻生物量可高达7.37 g/m2,大部分小球藻都趋于在膜上生长,因为膜上小球藻可较好地吸收光源,实现CO2良好供应和O2快速转移。生物膜反应器小球藻油脂含量较低为10.17%,悬浮培养小球藻油脂含量为14.29%。光照强度对脂肪酸组成有很大的影响,悬浮培养的光照较差,小球藻C16含量为69.42%,C18含量为24.5%;膜培养时光照较好,小球藻C16含量为24.03%,C18含量为74.78%,其中C18:2(亚油酸)含量占脂肪酸总含量的19.21%,C18:3(亚麻酸)含量占脂肪酸总含量的40.18%,膜培养的小球藻具有高附加值产品加工利用前景。同时,小球藻良好生长实现养猪废水深度净化,COD、TP、TN、NH4+-N的去除率分别达到 95.67%、64.40%、69.55%和 91.24%。


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