微藻固定化放大培养及产油、去污、副产物开发研究

发布时间：2020-06-08 04:39

【摘要】：能源短缺与环境污染已成为制约当前世界各国经济发展和人类生活的严重问题。微藻作为可再生能源的优良原料,新型的高密度微藻固定化培养技术具有改善传统悬浮培养藻细胞密度低、培养成本高、生物质采收困难等弊端的潜力。藻类能够利用畜禽废水中的氮、磷化合物用于生长,因此也为污水深度处理提供了优良的解决方法。由于固定化培养的微藻对光与营养物质的吸收和利用机理与悬浮培养存在很大的不同,反应器的设计和工作原理上也有本质区别,因此,本研究以提高微藻固定化培养的生物质、油脂产量、提高固定化微藻对氮、磷的去除率、降低反应器系统能耗为目标,开展了以下几个方面的研究:(1)为了进一步优化微藻的固定化培养条件,分析了 CO2流速、培养周期、光稀释率三个参数对微藻生物油产量及总氮(Total Nitrogen,TN)去除率的影响。实验采用响应曲面分析法(Response Surface Methodology,RSM)中的中心组合算法(Central Composite Design,CCD)设计实验参数。结果表明,响应面建立的微藻生物质产率和废水TN去除率的二次回归方程的拟合度良好,模型相关系数都达到97%以上。最佳产能及去污培养条件组合为:CO2流速0.04L/min、培养周期124.86h、光稀释面积比率RAD1.33。在该条件下普通小球藻生物质产率达到34.81 g/m2/day,TN去除率达95.64%,与理论预测值较好吻合。(2)本文提出改进的盘式固定化培养生物反应器(Porous Substratum Biofilm Reactor,PSBR),此反应器主要由多组生物转盘垂直于地面布置,占地面积小,17.8的光稀释率有效地提高了培养单元对自然光源的利用,避免了光抑制效应。运用该反应器固定化培养小球藻,对其进行污水处理及生物油生产的研究。探究接种浓度和浸没面积比在室外培养条件下对生物膜产率、含油率、去污率和光合作用效率的影响。在18 g/m2的接种浓度及5.7%的浸没面积比培养条件下,得到最大生物膜产率为57.87 g/m2/day,固定化率为81.9%,生物质含油率及生物油产率分别为38.56%和22.318 g/m2/day,同时,氨氮(Ammonia,NH4-N)、TN 和 TP(Total Phosphorus,TP)的去除率分别达到 99.59%,96.05%和 99.83%。与悬浮培养系统相比,本PSBR系统光能利用率为10.65%,净能量比为1.3。(3)作为微藻生物柴油生产后占比最大的残余物—提油后微藻生物质,将其制作成藻粉生物吸附剂,用于研究吸附重金属Pb2+的吸附效果和机理。实验结果表明,溶液初始pH为3,藻渣吸附剂浓度为2g/L,初始铅离子浓度454.06 mg/L,吸附时间30 min达到平衡时,藻渣生物吸附剂对重金属的去除效果最佳,去除率达到99.67%,去除量达226.28 mg/g。
【图文】：

复合载体,微藻,毛细作用,固定化

承载体蛇形缠绕于固体骨架材料表面，组成复合载体，这在一定程度上扩大了微逡逑藻培养载体面积，不同面积的承载体缠绕于固定尺寸的骨架上，即产生了不同光逡逑稀释率的培养单元，如图２－３所示。逡逑Ａ＝？ｉｘＺｉｘ＾＿逦（２８）逡逑４邋Ｌ２ｘＷ２逡逑Ｒ邋＝Ａ邋＝邋ｋｌＥＬ逦（２－９）逡逑Ａｒ邋Ｌ３，逡逑其中：恿为培养单元光稀释率；足＾为光稀释面积比率即光能有效利用面积与投逡逑影面积比率；次为培养微藻载体面积；沁为培养单元接受到入射光投影面积；逡逑NB尺骨架面积，叫（２）为培养单元载体片数；Ａ复合载体长度，叭（0．0５ｍ）复逡逑合载体宽度；Ｉ２邋（０．１ｍ）投影面积长度；％投影面积宽度（０．０６ｍ）；邋Ｉ３邋（０．５ｍ）逡逑骨架长度；叭（０．１ｍ）骨架宽度。逡逑ｌＸＣＯｊ邋浓逡逑．．．．．逡逑储液槽逡逑图２－２基于毛细作用的微藻固定化复合载体培养系统逡逑Ｆｉｇ２－２邋Ｃａｐｉｌｌａｒｙ邋ａｃｔｉｏｎ邋ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ邋ａｔｔａｃｈｅｄ邋ｃｕｌｔｉｖａｔｅ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑１４逡逑

方式,微藻,培养周期,承载体

本实验在不改变骨架的设计尺寸的条件下，通过合理的扩大承载体的面积以逡逑提供给微藻更大的生长空间。此前本反应器所用载体使用垂直贴附的手法与骨架逡逑部分相结合，本实验改变了载体吸附时的形态，采用蛇行布置的方法，如图２－３逡逑所示，将承载体缠绕在骨架部分之上，随着培养载体表面积的扩大，在骨架表面逡逑积不变的情况下，载体便产生了重叠部分，这样便提高了微藻在相同体积培养单逡逑元内的培养面积。这部分重叠的面积势必会对微藻的光能利用率、培养载体的传逡逑质效率产生不同程度的影响。逡逑结合反应器结构特点，本实验以微藻在培养周期内的生物质产率及营养盐逡逑ＴＮ去除率为响应目标，选取培养周期（ｈ）、Ｃ０２流量（Ｌ／ｍｉｎ）、光稀释面积比逡逑率Ｒａｄ为研宄因素，米用曲面响应法（Ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ，ＲＳＭ）邋［４５丨逡逑进行实验设计，，研究不同反应条件对目标参数的协同作用，并进行目标参数的优逡逑化计算。基于已有文献，三因素水平分别选取为２４－２１６邋ｈ、０－０．０６邋Ｌ／ｍｉｎ、１．１－１．５逡逑进行优化分析：利用中心组合设计（Ｃｅｎｔｒａ丨Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋Ｄｅｓｉｇｎ
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK6;X703

【参考文献】