微藻膜法浓缩和固定化培养及其深度去除废水中营养盐的研究

发布时间：2020-07-30 02:29

【摘要】：利用废水进行微藻培养是降低微藻生物柴油生产成本的有效手段,并且能实现废水的深度脱氮除磷处理。但目前还受制于缺乏经济高效的培养方法,尤其当利用城市污水处理厂出水等进行微藻培养时,由于废水中氮磷浓度较低,其所能支撑的微藻生产量较为有限。采用连续进出水的培养方式相比于传统批次培养能极大地提高系统的营养负荷,从而为提高系统的微藻生产能力和营养盐去除能力创造条件,但也存在微藻细胞由于呈个体悬浮生长而极易流失的问题。本论文主要研究了采用膜法浓缩方式和固定化培养方式在光生物反应器中利用低氮磷含量的废水进行微藻的高效培养,并同时实现废水中营养盐等污染物的深度去除。论文中首先构建了新型的批次进出水操作和连续进出水操作的膜光生物反应器(MPBR)并用于利用城市污水处理厂出水进行微藻的进出水培养,成功实现了培养过程中微藻生物停留时间(BRT)和反应器水力停留时间(HRT)的有效分离,实现了反应器中微藻的高效浓缩培养和对进水中营养盐的高效去除。连续进出水操作的MPBR反应器,经过35天的培养,获得的微藻生长量达到1.724 g L~(-1),是同等条件下在传统光生物反应器(CPBR)中以BG11培养基进行批次培养获得的微藻生长量的1.64倍。并且,通过对微藻油脂累积过程和脂肪酸组成的研究发现,MPBR反应器在培养过程中实现了微藻油脂的不断累积,获得的脂肪酸组成以C16和C18脂肪酸为主,且多不饱和脂肪酸含量较低,仅为9.41%,是理想的生物柴油原料。反应器中微藻的高速生长也有助于实现对进水中营养盐的高效去除,并实现了对Cu、Zn、Fe、Al和Mn等金属离子的高效去除。在上述研究的基础上,进一步研究了水力停留时间对MPBR实现微藻浓缩培养和营养盐去除的影响,当反应器的水力停留时间为2.0 d时,既取得了较高的微藻生产速率,同时也实现了对进水中氮磷营养的深度去除。因此,将MPBR反应器的水力停留时间设定为2.0 d,同时对反应器内的藻液按一定的速率进行收获,实现了 MPBR的长期稳定运行。在运行过程中反应器内的微藻浓度维持在1.035-1.524 gL~(-1),微藻生物生产速率为60.13 mg L~(-1)d~(-1),并实现了对进水中氮磷营养盐的高效去除。另外,对长期运行的MPBR反应器中膜组件的膜污染特性进行了分析,结果表明内部阻力是MPBR中膜污染的主要组成部分。实验中研究了采用低氮磷含量的水产养殖废水为培养液在M P B R反应器中进行了微藻的浓缩培养,反应器水力停留时间为1 d,取得的微藻生产速率达到42.6 mgL~(-1) d~(-1),是锥形瓶中批次培养的5.8倍。并取得了较好的对水产养殖废水中营养盐的去除效果,总氮(TN)和总磷(TP)的去除率分别达到86.1%和82.7%。并且实现了对进水中具有较高生物毒性的游离氨(NH3)的高效去除,出水NH3-N浓度低于0.002 mg L~(-1)。可见,微藻膜法浓缩培养方法在循环水养殖等水产养殖行业的水质净化中具有较好的开发应用潜力。为实现光生物反应器中微藻的高效收获,研究了微藻的吸附式固定化培养,筛选了适合于微藻吸附生长的填料载体,以此为基础构建了微藻生物膜光生物反应器(BPBR)。以二级生物处理出水为培养液,取得了相对于传统光生物反应器更高的微藻生物生产速率(15.93 mg L~(-1)d~(-1))、油脂生产速率(4.09 mgL~(-1)-1)以及氮磷去除速率(1.00mgNL~(-1) d~(-1) 和 0.20mgPL~(-1) d~(-1))。以上述研究内容为基础,构建了能同步实现微藻膜法浓缩培养和固定化生物膜培养的微藻生物膜-膜光生物反应器(BMPBR)并应用于污水处理厂出水的深度脱氮除磷处理,实现微藻生产、收获和废水深度脱氮除磷的高效统一。实验过程中BMPBR取得的微藻生产速率达到72.4 mg L~(-1) d~(-1),是相同条件下MPBR的1.44倍。并且,在培养结束后,反应器内生产的微藻生物中有72.4%被固定在填料上形成微藻生物膜,为微藻生物的收获创造了极为有利的条件。在营养盐去除方面,BMPBR也取得更高的氮磷去除率,这主要得益于反应器内相对较高的微藻生物量。对反应器内微藻生物膜进行收获后,微藻生物膜再生长的速率明显高于生物膜初次生长的速率。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703
【图文】：

２．２实验材料和方法逡逑２．２．１实验装置逡逑实验中构建了三组平行的ＭＰＢＲ反应器，结构如图２．１所示，该装置主体部逡逑＾逦分为圆柱形有机玻璃容器，内径１２．４邋ｃｍ，高１００ｃｍ，实验过程中有效容积为１０邋Ｌ。逡逑将一材质为聚偏氟乙烯（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ邋ｆｌｕｏｒｉｄｅ，邋ＰＶＤＦ）孔径为０．１ｐｍ的中空纤逡逑维膜组件安装在该光生物反应器中，构成ＭＰＢＲ反应器，中空纤维膜组件购自杭逡逑１６逡逑

逦１６逡逑Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋（ｄａｙｓ）逡逑图２．３培养过程中ＭＰＢＲ（0）和ＣＰＢＲ（ｒ）反应器内微藻相对生长速率的比较（ｍｅａｎ邋士邋ＳＤ．逡逑ｎ＝３）逡逑Ｆｉｇ邋２．３邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ＲＧＲ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｔｗｏ邋ｒｅａｃｔｏｒｓ：邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ邋（ｏ）；逡逑ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ（＾）邋（ｍｅａｎ邋士邋ＳＤ，邋１１＝３）逡逑培养过程中每日对反应器内的ｐＨ值进行了检测，结果如图２．４所示。在微藻逡逑的自养培养过程中，由于对水中（：０２的消耗，通常会导致水的ｐＨ值的上升｜１２７１。逡逑２１逡逑

逦１６逡逑Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋（ｄａｙｓ）逡逑图２．２培养过程中ＭＰＢＲ（0）和ＣＰＢＲ（＊）反应器内微藻浓度的比较（ｍｅａ丨ｉ邋土邋ＳＤ．邋ｎ＝３）逡逑Ｆｉｇ邋２．２邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｄｒｙ邋ｂｉｏｍａｓｓ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｔｗｏ邋ｒｅａｃｔｏｒｓ：邋ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ邋（0）；邋ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ（＃）邋（ｍｅａｎ邋±邋ＳＤ．邋ｎ＝３）逡逑０．３５邋逦逡逑０．３０邋－逡逑０邋２５邋－逦／逡逑ｒ。：邋／逡逑。１。：逡逑０．０５邋－逡逑0．00邋逦＇逦１逦１逦１逦＇逦１逦＇逦１逦＇逦１逦＇逦＇逦＇逦＇逦＇逦逡逑０逦２逦４逦６逦８逦１０逦１２逦１４逦１６逡逑Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋（ｄａｙｓ）逡逑图２．３培养过程中ＭＰＢＲ（0）和ＣＰＢＲ（ｒ）反应器内微藻相对生长速率的比较（ｍｅａｎ邋士邋ＳＤ．逡逑ｎ＝３）逡逑Ｆｉｇ邋２．３邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ＲＧＲ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｔｗｏ邋ｒｅａｃｔｏｒｓ：邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ邋（ｏ）；逡逑ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ（＾）邋（ｍｅａｎ邋士邋ＳＤ，邋１１＝３）逡逑培养过程中每日对反应器内的ｐＨ值进行了检测，结果如图２．４所示。在微藻逡逑的自养培养过程中

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本文编号：2774874