富油及富淀粉微藻培养与奶牛场废水处理相结合的效果研究

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能源匮乏和水环境恶化是当今两大全球性问题。先进的废水处理技术和新形式的能源开发是解决上述两大挑战的重要手段。基于微藻的废水处理和清洁、可再生的微藻生物燃料的生产是一个双赢的模式,自1957年被Oswald提出至今备受关注[1]。本论文研究了富含油脂的尖状栅藻(Scenedesmus acuminatus)和易于沉降的、富含淀粉的标志链带藻(Desmodesmus insignis)在不同浓度奶牛场废水中的生长、油脂和淀粉的积累及废水中氮与磷的去除效果。分别选用4个不同初始NaNO3浓度的BG-11培养基和4个不同浓度的奶牛场废水在3.0cm柱状光反应器中对尖状栅藻进行培养,通过光学显微镜观察了该藻的细胞形态变化,测定了该藻在不同NaNO3浓度的人工培养基和不同浓度的奶牛场废水中的生物质浓度、总脂含量、脂组分含量、脂肪酸组成及废水中氮和磷的浓度变化。实验结果显示,在BG-11培养组,初始浓度为6mmol/L NaNO3的BG-11培养基中尖状栅藻的生物质浓度最大,达到9.49g/L,初始浓度为3.6mmol/L NaNO3的BG-11培养基中该藻的总脂含量最高,为藻体干重的62.58%。在废水培养组,100%的废水中该藻生物质浓度最大,达到12.2g/L;25%的废水中该藻的总脂含量和中性脂含量最高,总脂含量为藻体干重62.37%,中性脂含量分别占总脂和藻体干重的87.12%、53.77%;该藻的脂肪酸碳链长度在14C18C之间,与石化柴油的平均碳链长度十分相近;尖状栅藻还能有效去除废水中的氮和磷,去除效率分别达到86.493.2%(氮)和99.4%(磷)。以总脂单位体积含量与总脂单位体积产率对尖状栅藻的产油性能进行评价得知,在BG-11培养组,初始浓度为3.6mmol/L NaNO3的BG-11培养基中该藻的总脂单位体积含量与总脂单位体积产率均最高,分别为5.27g/L、0.293g/L/d。在废水培养组,25%的废水中尖状栅藻的总脂单位体积含量与总脂单位体积产率均最高,分别为5.86g/L、0.326g/L/d,均高于BG-11培养基培养组的最高值,可使用此浓度的废水对该藻进行扩大培养。使用25%的废水,在光径为3.0cm体积为24L的平板光生物反应器中对尖状栅藻进行扩大培养,该藻仍然可以保持良好的产油性能,其生物质浓度最高达到6.83g/L,总脂含量达到藻体干重的50.07%,总脂单位体积含量为3.42g/L,总脂单位体积产率为0.19g/L/d。分别利用4个不同初始NaNO3浓度的BG-11培养基和4个不同浓度的奶牛场废水在3.0cm柱状光生物反应器中对易于沉降的、富含淀粉的标志链带藻进行培养,通过光学显微镜观察了该藻的细胞形态变化,通过电子透射电镜观察了该藻细胞的亚显微结构,测定了该藻在不同NaNO3浓度的人工培养基和不同浓度的奶牛场废水中的生长、生化组成、淀粉含量及废水中氮和磷的浓度变化情况。实验结果显示,在BG-11培养组,初始浓度为9.0mmol/L NaNO3的BG-11培养基中标志链带藻的生物质浓度最高,达6.23g/L;初始浓度为18m mol/L NaNO3的BG-11培养基中该藻的总碳水化合物及总淀粉含量均最高,分别为50.76%(d.w.)、40.95%(d.w.)。在废水培养组,100%的废水中该藻生物质浓度及总碳水化合物含量最高,分别为10.31g/L、54.44%(d.w.);75%的废水组中该藻的淀粉含量最高,约为藻体干重的50.88%。标志链带藻还能有效去除废水中的氮和磷,去除效率分别达到78.0590.34%(氮)和95.7698.74%(磷)。以淀粉单位体积含量与淀粉单位体积产率对标志链带藻的产淀粉性能进行评价得知,在BG-11培养基培养组,初始为9mmol/L NaNO3浓度的BG-11培养基中该藻的淀粉单位体积含量与淀粉单位体积产率均最高,分别为2.55g/L、0.212g/L/d。在废水培养组,75%的废水中,标志链带藻的淀粉单位体积含量与淀粉单位体积产率均最高,分别为4.863g/L、0.4052g/L/d,均高于BG-11培养基培养组的最高值,可使用此浓度的废水对该藻进行扩大培养。在光径为3.0cm体积为24L的平板光生物反应器中,分别采用BG-11培养基和75%的废水对标志链带藻进行扩大培养。在BG-11培养基中其生物质浓度最高达到4.76g/L,最后一天采收的干藻粉总碳水化合物含量为52.28%(d.w.),最高淀粉含量为藻体干重的39.42%,淀粉单位体积含量为1.39g/L,淀粉单位体积产率为0.07g/L/d;在75%的废水中,其生物质浓度最高达到9.57g/L,最后一天采收的干藻粉碳水化合物含量为藻体干重的61.9%,最高淀粉含量为干重的48.75%,淀粉单位体积含量为4.75g/L,淀粉单位体积产率为0.23g/L/d。标志链带藻的沉降性良好,在BG-11培养基和75%的废水扩大培养中,藻细胞分别在60分钟和90分钟内完成沉降。两项实验结果表明,利用奶牛场废水培养富含油脂的尖状栅藻和富含淀粉、易于沉降的标志链带藻不仅能够有效去除废水中的氮、磷成分,还可以为生物柴油及生物乙醇的生产提供有价格竞争优势的原材料。
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