【摘 要】
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暗发酵制氢和微藻生物柴油是低成本生产清洁能源的技术,其中暗发酵制氢产生小分子有机酸或醇形成产物反馈抑制,限制氢气产量。小分子有机酸或醇直接排放到环境会造成二次污染,微藻可以利用暗发酵产生的代谢产物,用以生产油脂作为生物柴油的原料。提取油脂后的藻渣富含氮磷资源,又可以进一步作为暗发酵的营养物质用于高温产氢。因此本研究针对上述问题,构建了基于营养物质梯级利用的暗发酵制氢-微藻产油脂体系。研究结果如下:
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暗发酵制氢和微藻生物柴油是低成本生产清洁能源的技术,其中暗发酵制氢产生小分子有机酸或醇形成产物反馈抑制,限制氢气产量。小分子有机酸或醇直接排放到环境会造成二次污染,微藻可以利用暗发酵产生的代谢产物,用以生产油脂作为生物柴油的原料。提取油脂后的藻渣富含氮磷资源,又可以进一步作为暗发酵的营养物质用于高温产氢。因此本研究针对上述问题,构建了基于营养物质梯级利用的暗发酵制氢-微藻产油脂体系。研究结果如下:通过条件优化确定了高温产氢的最佳葡萄糖浓度、氮源浓度和磷源浓度,依次是4.00 g/L、0.50 g/L和0.40 g/L,此条件下氢气产量达2.05 mol-H2/mol-葡萄糖。液相末端产物以丁酸、乙酸为主,表现为丁酸型发酵。过高或过低的碳源、氮源和磷源浓度均会对产氢有不同程度的抑制,其中碳源影响较大,氮源次之,磷源影响较小。整个反应过程中COD、TN和TP去除率依次为26.25%、37.16%和11.92%。本研究还利用提取油脂后的微藻藻渣作为高温产氢的氮磷替代剂,实现了废弃藻渣的资源化处理同时藻渣又能够作为高温产氢的营养物质。通过提取油脂后藻渣替代氮磷,氢气产量达到了1.79 mol-H2/mol-葡萄糖,为对照组的87.32%,液相产物中乙酸含量395.7 mg/L,丁酸含量675.3 mg/L,乙酸含量同对照组相比提升了16.55%。分析微生物群落,结果表明微生物群落结构向更利于水解藻渣的方向转变,如可以水解淀粉和蛋白质的相关菌属Brevibacillus和Bacillus丰度上升。微藻（Parachlorella kessleri）转化暗发酵制氢代谢物合成油脂,实现对发酵液内营养物质的有效去除,避免了环境二次污染。本研究重点考察温度、初始p H、接种量、底物浓度等条件对油脂合成的影响。结果表明,最佳条件为温度30℃,初始p H值6.50,接种量30%（藻液浓度1.05 g/L）,底物浓度3-4 g/L。此时,COD、TN、TP去除率达80.20%、85.40%和97.60%,油脂产率最高达104.17 mg/（L·d）。分析构建的整个体系下营养物去除、产能和氮磷回用效果,COD、TN、TP去除率达83.16%、86.91和97.2%,产能达18.945 k J/L,氮磷回用效率为43.99%和81.15%。将高温产氢、微藻产油脂、藻渣利用有机结合,可以有效地提高出水水质实现了营养物质的梯级利用转化生产清洁能源,为有机废弃生物质的资源化利用提供了理论指导。
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