利用污水污泥和高浓度二氧化碳培养海洋微藻技术研究

论文摘要

自工业革命以来,不断增长的化石燃料燃烧导致大气中温室气体,尤其是C02浓度越来越高,从而引发了温度升高、海平面上升、洪水泛滥和动植物灭绝等问题。采取经济有效的方法控制温室气体排放,已经成为全球环境保护的热点。虽然人们在减少和抑制C02排放技术方面进行了较多研究,然而,这些技术普遍存在着运行成本高和操作复杂等问题,制约了固碳技术的大规模推广使用。城市污水处理厂产生的污泥中含有丰富的N、P、K等营养成分和多种微量元素。利用污泥培养海洋微藻,不仅可以节省大量微藻培养基,而且生产的微藻还可作为化工原料,实现污泥的资源化利用。基于这些原因,本研究从12种常见海洋微藻中筛选出一种耐酸性和耐高浓度C02的海洋微藻,用于C02的固定,同时采用污水污泥提取液作为微藻生长的氮、磷营养盐以降低固碳成本,在优化微藻生长条件的基础上,将微藻接种到螺旋管式光生物反应器中,并测定了相应的固碳能力。取得的主要成果如下：（1）在优化提取工艺条件的基础上,比较了热碱法、超声波法和加碱超声波法对污泥营养盐的提取效果以及减量效果。结果表明,热碱法的适宜提取条件为pH=13、T=100℃、t=9h;超声波法的适宜提取条件为t=40min;而加碱超声波法在pH=13、pH=400W、t=20min时提取效果最好。在优化的提取条件下,三种方法对污泥N、P的提取效果由高到低依次为：加碱超声波法超声波法>热碱法,其中,超声波法对N、P的提取率分别达到33.48%、57.5%。综合考虑污泥N、P提取效果及后续微藻培养对pH值的要求,确定超声波法为污泥营养盐提取的最适方法。（2）采用微板吸光法测定了微藻在不同初始pH值的F/2培养基中的藻细胞密度变化,比较了各种微藻对H2SO4和HNO3所致酸性的适应能力；将耐酸性较强的微藻接种到培养基中,以75ml/min的流量连续通入体积分数为15%的C02,并以通入空气的培养基中生长的微藻为对照,根据培养7d期间藻细胞密度和生物量的变化趋势,进一步筛选得到耐高浓度C02的藻种。结果表明,12种供试微藻中,以杜氏盐藻（Dunaliella tertiolecta）、钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）、海水小球藻（Chlorella pacifica）、小新月菱形藻（Nitzschia Closterium）、亚心形扁藻（Platymonas subcordiformis）、纤细角毛藻（Chaetoceros gracilis）和绿色巴夫藻（Pavlovaviridis Tseng）的耐酸性较强,可在初始pH=4的培养基中正常生长；而纤细角毛藻是唯一能够耐受15%CO2冲击的藻种,培养结束后,15%CO2处理组的藻生物量达到对照组的102.47%。因此,纤细角毛藻在固定高浓度CO2和减缓温室效应方面具有较好的应用潜力。（3）在污泥提取液和海水的混合液中,纤细角毛藻生长的最适条件为：通入10%CO2气体、污泥提取液和海水按照1：29比例混合、温度为30℃,光照强度为60001x。（4）在自制10L螺旋管式光生物反应器中,接种纤细角毛藻,在满足上述优化的生长条件基础上,进一步得到生物反应器的最佳运行条件为：接种量1×106cell/ml,循环流量1200ml/h,通入10%CO2流量为20ml/min。动态循环运行7d期间后,微藻生长情况良好，运行第5d的固碳速率最高,达到0.67 gCO2/L·d。同时,纤细角毛藻能够快速吸收混合培养液中的无机营养盐,运行7d后,NO3--N、NH4+-N、NO2--N、PO43--P的去除率分别达到96.92%、93.32%、77.48%和88.52%,混合液中N、P浓度均能达到《污水综合排放标准》一级标准值的要求,直接排放不会对外部水环境造成不利影响。总之,纤细角毛藻既有较强的耐酸性,同时又能够在浓度15%的CO2中正常生长,适于工业废气CO2的固定。利用污水厂剩余污泥作为纤细角毛藻的培养基质,既能降低微藻生产成本,还有利于污泥的减量化和资源化。因此,将污泥利用与微藻固碳相结合的技术,在降低工业CO2排放和减缓温室效应方面具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 2减排控制技术研究现状'>1.1 CO₂减排控制技术研究现状
• 1.1.1 减少与抑制
• 1.1.2 分离与固定
• 2的技术研究进展'>1.2 微藻固定CO₂的技术研究进展
• 1.3 城市污水厂污泥的利用现状及存在的主要问题
• 1.3.1 传统的污泥处置方法
• 1.3.2 污泥资源化利用技术
• 1.4 微藻的培养及其在废水废物处理中的应用
• 1.4.1 微藻的特点与用途
• 1.4.2 海洋微藻的培养方法
• 1.4.3 废水和废物培养微藻研究现状
• 1.5 本研究的目的意义、主要内容
• 1.5.1 目的意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 2 剩余污泥氮磷营养盐提取方法研究
• 2.1 前言
• 2.2 材料、仪器与方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 仪器
• 2.2.3 方法
• 2.2.4 污泥减量率
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 热碱法工艺条件对营养盐提取效果的影响
• 2.3.2 超声波法工艺条件对营养盐提取效果的影响
• 2.3.3 加碱超声波工艺条件对营养盐提取效果的影响
• 2.3.4 三种方法对污泥营养盐的提取效果及减量化程度比较
• 2.4 本章小结
• 2的海洋微藻筛选'>3 耐酸性和耐高浓度CO₂的海洋微藻筛选
• 3.1 前言
• 3.2 材料、仪器与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 仪器
• 3.2.3 方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 12种微藻的耐酸性比较
• 2中的生长比较'>3.3.2 7种耐酸性的微藻在5%CO₂中的生长比较
• 2中的生长状况比较'>3.3.3 3种耐酸性微藻在浓度15%CO₂中的生长状况比较
• 3.4 本章小结
• 2的纤细角毛藻培养条件优化及动态试验研究'>4 基于污泥提取液和高浓度CO₂的纤细角毛藻培养条件优化及动态试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 仪器
• 4.2.3 方法
• 4.4 结果与讨论
• 2为基质的纤细角毛藻培养条件优化'>4.4.1 以污泥提取液和高浓度CO₂为基质的纤细角毛藻培养条件优化
• 4.4.2 光生物反应器中微藻的固碳效果
• 4.5 本章小结
• 5 总结
• 5.1 结论
• 5.2 进一步研究的方向
• 5.2.1 微藻的筛选
• 5.2.2 微藻的收集
• 5.2.3 微藻的后续利用
• 5.2.4 光生物反应器的设计优化
• 5.2.5 与其他方法联用
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表论文情况