论文部分内容阅读
农产品加工副产物厌氧发酵液已经成为农业和生态系统中不可忽视的环境问题。微藻-细菌共生废水处理技术具备高产量、高效利用光能、环境友好、节约资源和可持续性等综合优势。但传统的微藻-细菌共生系统多为悬浮式培养,存在能耗高、效率低、生物质采收难等瓶颈。微藻-细菌生物膜技术是在微藻-细菌共生技术的基础之上发展起来的,其生物量更集中且易收获,空间要求低且废水处理效率高,能够有效攻破传统悬浮微藻-细菌共生系统的瓶颈。然而,该技术在工程化用于全强度厌氧发酵液处理方面仍面临一定的挑战。一方面,由于常规的微藻和细菌无法耐受全强度厌氧发酵液中的高浓度污染负荷,因此通常需要通过稀释等操作以减轻其对微生物的抑制作用,但该操作增大水耗的同时提高了废水处理成本。此外,载体材料是生物膜系统中支撑细胞附着成膜的基质,是该技术的关键构成之一。而传统生物膜载体材料（如金属材料、布料、膜材料等）抗机械破坏能力差,不经久耐用且价格昂贵,难以实现大规模化应用。本研究为微藻-细菌生物膜技术应用于实际污水处理工程提供理论基础和技术支撑。本论文的研究内容主要包括以下几个方面:（1）为提升微生物对全强度厌氧发酵液的耐受作用,对土著微生物进行人工梯度驯化,获得能够耐受高浓度污染物(1400 mg·L-1NH4+-N、40 mg·L-1Cu2+、40 mg·L-1Zn2+和30 mg·L-1土霉素)的土著微藻3株和细菌5株。（2）使用驯化所得能够耐受高浓度污染物的3株土著微藻和5株细菌以及实验室提供的微藻和细菌各1株,共4株微藻和6株细菌人工构建了微藻-细菌共生系统,通过考察各微藻-细菌共生体系的生物质产率、微藻的光合作用效率、以及厌氧发酵液的净化效果,筛选出了3个具有协同强化净化厌氧发酵液的土著微藻-细菌共培养组合（Chlorella sp.GZQ001-Lysinibacillus sp.SJX05,Chlamydomonas sp.LRM021-Shinella sp.YHB03,Chlorella vulgaris FACHB-8-Shinella sp.YHB03）。结果表明,相比与商业购买的微藻和细菌所构建的微藻-细菌共生体系（Chlorella vulgaris FACHB-8-Bacillus subtilis 1.821）,经过人工驯化的土著微藻-细菌共生体系有利于提高生物质的产率以及氮、磷资源的回收。Chlorella sp.-Lysinibacillus sp.的生物质产率达到了113.25 mg·L-1?d-1,厌氧发酵液中的总氮、氨氮、总磷分别被去除82.07%、83.17%、76.60%。（3）利用优选的2个土著微藻-细菌共生体系开展了共生条件优化及其协同净化厌氧发酵液机理研究。创新性地引入增强率以量化微藻和细菌共培养相对的单培养的协同强化强度,同时利用主成分分析研究了与微生物生长相关的参数和与废水去除效率参数之间的相关性。微藻-细菌共生体系对废水中污染物的耐受能力增强,细胞凋亡率下降。微生物吸收和利用废水中营养物质的同时能够降低废水的浊度,此过程能够促进微藻捕获光能进行光合作用,从而直接或间接地促进微藻和细菌之间代谢物的相互交换过程,进而强化厌氧发酵液的净化。Chlorella sp.GZQ001-Lysinibacillus sp.SJX05共生体系中50:1接种比例相对于小球藻的单培养生物质产量提升了37.10%,微藻的光合作用活性得以促进,Fv/Fm值达0.72,TOC和氨氮的去除率分别提升了17.12%和35.72%,相应的增强率分别为53.62%和59.47%。对于Chlamydomonas sp.-Shinella sp.共生体系,20:1处理其生物质浓度相对于衣藻单培养提升了118.75%,微藻的Fv/Fm最高达0.802,去除了厌氧发酵液中97.72%的氨氮,相应的增强率为70.56%。另外,高附加值产物的产率得以促进,2个共生体系中50:1处理均获得了最高的FAME生产率,分别为1.48 mg·L-1·day-1和2.99 mg·L-1?day-1,大约是各自微藻单培养的2-3倍。（4）为实现生物膜载体廉价易得、经久耐用,创新开发了一种EVA基热熔胶固定化天然木质纤维微藻-细菌生物膜载体,探究了EVA基热熔胶载体的构筑工况（热熔胶的施胶量和施胶压力）及其在废水处理中的性能。随着热熔胶施胶量的增加,木质纤维颗粒在玻璃基底上的黏附质量逐渐增加并趋于稳定,刮损率则呈相反的趋势。所优选的施胶量为310.23 g·m-2,施胶压力为150 N,此时30-40目竹屑的黏附量为162.41 g·m-2,刮损率为8.31%;30-40目锯末的黏附量94.19 g·m-2,刮损率为3.30%。木质纤维表面的天然粗糙可提高生物膜的产量和黏附强度,30-40目竹屑和锯末载体上的生物量分别为44.35 g·m-2、28.03 g·m-2,显著高于及对照组PMMA(20.85 g·m-2)。微藻-细菌生物膜（30-40目竹屑）对于TN、TC、TP的去除效率相比对照组PMMA提高了109.50%、23.75%、38.38%。