论文部分内容阅读
由于能源危机和温室效应的挑战，可再生且不增加温室气体排放的微藻能源近年来得到了广泛关注。微藻作为生物能源的原料，具有生长速度快，能量转换效率高，潜在生产规模大的优势。但是微藻培养和收集过程的营养物和能量消耗，提高了生产成本，限制了微藻能源的工业化生产，利用污水作为微藻培养的底物可以有效的降低微藻培养成本，并且同时对污水进行处理。本论文以污水中常见的Chlorella vulgaris为研究对象，考察了C. vulgaris不同代谢类型时的生长特性，然后测定了藻细胞在不同培养条件下的脂含量变化，对C. vulgaris的混养代谢和油脂积累过程进行了分析。通过对化学混凝和电混凝的优化比较，确定了C. vulgaris的收集方法，并对C. vulgaris生物质在不同温度下的干燥结果进行了比较。在对以污水为底物的C. vulgaris油脂积累过程进行研究后，构建了C. vulgaris油脂制备系统，对系统运行的结果进行了分析和评价。以BG11为基础培养基，通过有机碳源和光照的调节使C. vulgaris分别进行自养、异养和混养代谢。未曝气时，自养和异养代谢的比生长速率分别仅为0.0018h-1和0.0083h-1，而混养代谢则达到0.0204h-1。与乙醇、乙酸钠相比，葡萄糖更适于作为C. vulgaris的有机碳源。曝气能够显著提高不同代谢类型的比生长速率，空气曝气时的混养代谢比生长速率提高到0.1008h-1，而以20%CO2为气源时，比生长速率则下降到0.0930h-1。对C. vulgaris不同代谢类型的生长特性分析表明，在C. vulgaris的混养代谢过程中，光合自养和有机异养同时发生，并且两种代谢途径互相影响，共同决定藻细胞的组成和比生长速率。调节培养液中的初始营养物浓度，考察了C. vulgaris的油脂积累特性。氮缺乏能够显著提高藻细胞的脂含量，3.75g/LNaNO3时脂含量仅为7.59%，而0.1g/L NaNO3时则达到22.58%。在氮缺乏基础上，磷含量对脂含量的影响不显著。葡萄糖对油脂的积累十分重要，5g/L葡萄糖的培养液，96h脂含量达到17.40%，此后由于葡萄糖不足，240h时脂含量下降到10.07%。对藻细胞在不同营养条件下脂含量变化的分析表明，当细胞由于营养限制而停止生长后，需要继续获取充足的光照或有机底物，才能够促进细胞油脂的积累。通过对搅拌速度、曝气量、电流密度、初始细胞密度和pH等因素的研究，建立了C. vulgaris的电混凝收集方法，当初始细胞密度为0.241g/L， pH5.0，电流密度0.42mA/cm2，50rpm持续时，电混凝15min时收集率达到97%，能耗仅为0.610kWh/kg。对不同培养条件的C. vulgaris培养液收集结果显示，与硫酸铝混凝相比，电混凝在收集率和油脂回收率方面均较高，20min时的收集率达到99%100%，油脂回收率为99%100%，但是出水中Al3+含量是硫酸铝混凝的1.972.33倍。较高的干燥温度会改变C. vulgaris生物质的组成，与-70°C冻干相比，105°C烘干时C. vulgaris的干重、脂含量和油脂中的酯含量分别降低了3.30%、7.73%和26.30%，而40°C烘干所得到的C. vulgaris生物质各项性质与冻干相近。分别以人工配水和生活污水培养C. vulgaris，由于生活污水中污染物较为复杂，因此细胞密度由人工配水时的1.496g/L降低到生活污水的0.575g/L；灭菌后的生活污水中C. vulgaris生长较快，但是未灭菌组的污染物去除效率较高。曝气、光照和底物浓度均会对污水中C. vulgaris的油脂积累产生影响，适当提高CO2浓度和曝气量能够提高C. vulgaris细胞密度和脂含量，光照强度和光照时间的增加也可以改善C. vulgaris的培养效果，通过向污水中投加葡萄糖提高培养液的COD:TN，能够显著的提高细胞密度和脂含量，当COD:TN为50:1时，细胞密度达到1.181g/L，脂含量为14.38%。根据以上研究的结果，构建了C. vulgaris油脂制备系统，对生活污水进行抽滤、稀释预处理后，投加适量KH2PO4和葡萄糖使其COD:TN:TP达到300:6:1，灭菌后用于C. vulgaris的培养，5%CO2曝气。在2000lx和7000lx的光照强度下，藻细胞密度分别达到0.954g/L和1.203g/L，脂含量为14.49%和15.75%，污水中的COD、TN和TP的去除率分别达到70%，90%和96%以上。成本分析结果表明，以生活污水为底物时，C. vulgaris油脂制备成本明显低于缺氮培养基，2000lx光照时的成本为71.57元/kg，仅是缺氮培养基的58.29%。如果以高浓度有机废水代谢葡萄糖、利用自然光提供光照并考虑污水处理收益后，则C.vulgaris油脂成本还可以进一步降低到22.86元/kg。