基于产油微藻的污水深度处理及过程调控
发布时间：2020-09-01 16:05
在水资源短缺、全球气候变暖和能源危机的背景下,微藻由于生长速度快,代谢迅速,对污水净化效率高,成为污水深度处理以及资源化、能源化的重要研究对象。微藻能利用空气中的CO2和水体中的氮、磷等营养元素进行生长,同时在营养盐抑制的情况下能够积累油脂。因此,可将微藻脱氮除磷和产油技术相耦合,在污水深度处理的同时生产油脂。此外,微藻生长所利用的碳源为CO2,对减缓温室效应和碳减排有积极意义。如何快速有效利用污水中的氮磷培养能源微藻以及藻细胞的分离采收成为目前迫切需要解决的瓶颈问题。针对这两个问题,本论文选取高氮磷去除率、高细胞产率和油脂含量的微藻藻种,优化培养条件,促进污水的氮磷去除和资源化利用；深入考察微藻对CO2的固定效率以及碳源利用对微藻氮磷利用和高油脂化的促进作用；考察微藻的沉降性能,结合正渗透膜技术,开展藻细胞分离和定期采收,构建微藻污水深度处理和产油的连续化运行工艺。主要内容包括以下五个方面：(1)考察了Chlorella vulgar is, Scenedesmus obliquus, Nannochloropsis sp.和Botryococcus braunii等四种常见藻种在污水中的生长状况、脱氮除磷效果和产油能力,其中普通小球藻和斜生栅藻在模拟二级处理出水中的生长状况、脱氮除磷效果都较好,在实际污水处理厂二级处理出水中也可以生长,但稳定期较短,微藻在处理实际污水处理厂二级处理出水中的应用需要解决染菌的问题。斜生栅藻在实际污水处理厂二级处理出水中的生长能力比小球藻强,且可以有效利用污水中的碳源,能够去除部分COD,而普通小球藻对污水中的碳源利用率较差,基本不能降解污水中的有机物,但油脂含量较高,能在脱氮除磷的同时积累油脂。(2)探索了普通小球藻在污水中的脱氮除磷和油脂积累情况,得出氮浓度梯度下(初始TN 10-40 mg·L-1),氮磷的去除率分别为92.2-96.6%、99.1%,油脂积累量最高达到细胞干重的33%。在磷浓度梯度下(初始TP 0.5-5 mg L-1),氮磷的去除率分别为96.1%、99.7%,油脂积累量最高达到细胞干重的29%。污水中氮磷的不足可促进微藻胞内油脂积累,其中氮抑制对油脂积累的促进作用更为明显。周期循环实验表明,普通小球藻油脂含量与环境中氮浓度有相应关系,当TN低于5.0 mg L-1时油脂含量开始积累。当CO2浓度为1%时,普通小球藻的生长速率和氮磷的去除率最高,同时CO2的最大去除速率达到109.5 mgL-1h-1,能有效固定CO2。(3)不同有机碳和无机碳浓度对斜生栅藻污水深度处理效果和油脂积累情况均有影响。斜生栅藻的生长速率、TOC去除率、总氮和总磷去除率随着初始TOC浓度的升高而增大,且可以利用污水中的低浓度有机碳进行兼养生长。在模拟二级处理出水的环境中,5%的CO2浓度最适宜斜生栅藻的培养,可以保证其较好生长,也可以达到高效的氮磷去除效果,此时CO2的最大去除速率达到101.3 mg L-1h-1,平均去除率达到4.8%。(4)微藻的有效采收是藻体回收和油脂提取的关键,而藻体良好的沉降性能可以大大提高藻体采收的效率。普通小球藻和斜生栅藻的自然沉降率均在稳定期初期达到最大,且随着pH升高而增大；斜生栅藻的沉降性能优于普通小球藻,在稳定期12小时的沉降效果达到98%以上。胞外多聚物(EPS)对微藻各生长阶段自发性絮凝的影响也较显著,小球藻和栅藻BEPS可能对自絮凝效果有阻碍作用,而SEPS对自絮凝效果有促进作用(主要通过多糖的吸附架桥作用实现),且要大于BEPS的阻碍作用。在藻体进行自然沉降后,利用正渗透技术对藻水体系脱水8小时,初始生物量(干重)为0.1 g L-1的原料液可脱水42.72%。(5)利用已经筛选的优势藻种斜生栅藻和最佳培养条件,进行微藻连续培养脱氮除磷和高油脂化的光生物反应器研究,通过藻体的自然沉降和膜分离有效截留并定期采收藻体,实现了藻体的循环利用和光生物反应器的连续稳定运行。考察了斜生栅藻对微污染地表水的连续深度处理效果,得出初始藻密度需要保持在1.5-2.0 g L-1之间,以保证微藻的优势生长,优化操作条件,得出最佳的水力停留时间为48小时,自然沉降与膜浓缩相结合,可高效采集回收藻体。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X703
【部分图文】：
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本文编号：2809950
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X703
【部分图文】：
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