【摘要】：如何應(yīng)對(duì)全球氣候變化是近年來(lái)各國(guó)制定環(huán)境政策的核心內(nèi)容,而減少人為的二氧化碳(CO2)排放量是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的最主要手段。世界各國(guó)為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題,都在提高可再生能源的使用比例而減少化石燃料的使用。沼氣是將來(lái)最有前途的可再生能源之一,其可以顯著減輕全球氣候變化的壓力。我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的戶(hù)用沼氣生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。但是沼氣的主要組成中甲烷(CH4)含量較低而CO2含量較高使得沼氣品位低下,極大的限制了沼氣的高效廣泛的利用。此外,發(fā)酵產(chǎn)沼氣過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物沼液是一種高污染物負(fù)荷的污水,其極易造成環(huán)境污染。沼氣品位低下和沼液污水難以處理是限制我國(guó)沼氣事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的兩大瓶頸。為了可以同時(shí)解決以上兩個(gè)問(wèn)題,本文創(chuàng)新性的開(kāi)發(fā)出了一種基于微藻的可以同時(shí)提升沼氣品位和處理沼液污水的技術(shù),并且在深入分析其各種影響因素的基礎(chǔ)上研究了沼氣品位提升過(guò)程和沼液污水處理過(guò)程間的協(xié)同作用。沼氣品位提升通常是指對(duì)生產(chǎn)出來(lái)的原沼氣進(jìn)行處理,以降低其CO2的含量而使得沼氣中CH4所占相對(duì)比例得以提升。本研究利用微藻極高的光合作用效率和碳固定能力去除沼氣中的CO2,使得沼氣品位得以提升；在此過(guò)程中利用沼液作為微藻的培養(yǎng)液基質(zhì),使得微藻可以吸收沼液中的污染物以?xún)艋右骸１疚难芯苛宋⒃逶宸N性質(zhì)、光生物反應(yīng)器中微藻的光合作用以及沼氣沼液協(xié)同作用的影響。對(duì)微藻生長(zhǎng)趨勢(shì)、沼氣品位提升效果和微藻對(duì)沼液培養(yǎng)基質(zhì)的代謝效果,以及人工光源的能耗效率等進(jìn)行了分析,并在此基礎(chǔ)上著重探討了微藻對(duì)于沼氣中氣體碳源CO2的固定過(guò)程與沼液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝吸收過(guò)程之間的協(xié)同作用。(1)微藻藻種性質(zhì)的研究利用馴化技術(shù)培育得到了可以耐受高濃度CO2環(huán)境的小球藻Chlorella sp.藻種,其完全具備了耐受沼氣中高濃度CO2環(huán)境的能力。馴化后的微藻Chlorella sp.藻種在約30%(v/v)的CO2濃度條件下,生長(zhǎng)狀況良好,生物質(zhì)干重從初始接種量約100 mg L-1最大可以增長(zhǎng)到316.47±16.30 mg-1。光生物反應(yīng)器中最佳的微藻初始接種量范圍是：約120 mg L-1(中等密度微藻初始接種量)至約180 mg-1(高密度微藻初始接種量)。中等密度微藻初始接種量條件下,微藻的生長(zhǎng)周期較短,微藻生長(zhǎng)狀況穩(wěn)定,且其沼氣品位提升效果和沼液處理效果都很理想。高密度微藻初始接種量條件下,微藻的生長(zhǎng)周期比“中等密度”實(shí)驗(yàn)組更短,但是微藻細(xì)胞進(jìn)入衰亡期較“極高密度”實(shí)驗(yàn)組要晚。其沼氣品位提升效果和沼液處理效果接近于“中等密度”實(shí)驗(yàn)組。在此最佳初始接種量范圍內(nèi),如果克服了微藻藻體細(xì)胞相互遮蔽的缺點(diǎn)后,微藻的生長(zhǎng)趨勢(shì)、沼氣的品位提升效果和微藻對(duì)于沼液培養(yǎng)基質(zhì)的代謝效果都還有進(jìn)一步提升的空間。但是在約60 mg L-1微藻初始接種量(一般密度微藻初始接種量)條件下,因?yàn)槲⒃宄跏冀臃N量過(guò)小,造成微藻的生長(zhǎng)周期較長(zhǎng),其難以在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到良好的沼氣品位提升效果和沼液處理效果。在約240 mgL-1微藻初始接種量(極高密度微藻初始接種量)條件下,由于沼液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被競(jìng)爭(zhēng)性快速吸收,微藻細(xì)胞代謝有毒廢棄物快速積累,最終造成微藻細(xì)胞數(shù)量急劇下降,沼氣品位提升效果和沼液處理效果也都較差。(2)光生物反應(yīng)器中微藻光合作用的研究混合光質(zhì)條件下的微藻生長(zhǎng)趨勢(shì)、沼氣品位提升效果和微藻對(duì)沼液的代謝效果都顯著的優(yōu)于單色光質(zhì)條件。最佳光質(zhì)條件是采用基于光照強(qiáng)度的混合比例5：5的紅色光質(zhì)與藍(lán)色光質(zhì),因?yàn)槠淇梢跃獾墓┙o藍(lán)色和紅色兩種光質(zhì)而平衡的增強(qiáng)光合作用系統(tǒng)Ⅰ和光合作用系統(tǒng)Ⅱ的效果。最佳的光照策略是在微藻培養(yǎng)周期中逐漸增加光照強(qiáng)度：0至48小時(shí)內(nèi)采用400 μmol m-2 s-1的光照強(qiáng)度,48至96小時(shí)內(nèi)采用500 μmol m-2 s-1的光照強(qiáng)度,96至144小時(shí)內(nèi)采用600 μmol m-2 s-1的光照強(qiáng)度。此光照策略可以克服在采用“高密度(約180 mg L-1)”微藻初始接種量時(shí)所產(chǎn)生的微藻藻體細(xì)胞相互遮蔽的問(wèn)題,其極大的提高了微藻生長(zhǎng)趨勢(shì)、沼氣品位提升效果和微藻對(duì)沼液的代謝效果。在考慮經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)際應(yīng)用中,在統(tǒng)一考慮沼氣品位提升效果和微藻對(duì)于沼液污水的代謝效果時(shí),混合光質(zhì)因素條件下均衡的紅色光質(zhì)和藍(lán)色光質(zhì)供給條件(即紅藍(lán)5：5比例光質(zhì)因素條件)是最適宜的光質(zhì)因素條件,其人工光源能耗效率高,經(jīng)濟(jì)效益好。如果將本研究所述的沼氣品位提升和沼液處理的協(xié)同方法作為單一的手段,則可以采用最優(yōu)光照強(qiáng)度策略,其保證了處理后所得高品位沼氣的CH4濃度和沼液污水的凈化效果。而如果對(duì)沼氣品位要求很高,本研究所述的協(xié)同方法并非單一的處理單元,而是在其后還要加上別的沼氣品位提升方法以進(jìn)一步提高沼氣中CH4含量,則可以采用400 μmol m-2 s-1光照強(qiáng)度條件,其不僅在一定程度上提升了沼氣品位,而且還保持了很高的人工光源能耗效率,極大的提高了經(jīng)濟(jì)效益。(3)沼氣沼液協(xié)同作用的影響光生物反應(yīng)器中微藻氣體碳源和培養(yǎng)基質(zhì)之間的數(shù)量關(guān)系,即初始沼氣和沼液的最佳的比例范圍是：13L沼氣：1.8 L沼液(中等比例沼氣和沼液比)至12L沼氣：2.8 L沼液(一般比例沼氣和沼液比)之間。這是因?yàn)橹械缺壤託夂驼右罕葪l件與一般比例沼氣和沼液比條件都有充足的沼液培養(yǎng)液和CO2氣體碳源,所以它們都獲得了較其它實(shí)驗(yàn)組更好的沼氣品位提升效果和微藻對(duì)沼液培養(yǎng)基質(zhì)的代謝效果。但是14L沼氣：0.8 L沼液(高比例沼氣和沼液比)條件則因?yàn)檎右毫坎蛔闱艺託獾腃O2絕對(duì)量過(guò)多,故其沼氣品位提升效果極差；11 L沼氣：3.8 L沼液(低比例沼氣和沼液比)條件則因?yàn)檎右毫窟^(guò)多且沼氣的氣體碳源量不足,故其沼液污染物去除率極差。不同原沼氣品位條件下品位提升效果的預(yù)測(cè)是：高品位原沼氣可以得到較好的品位提升效果,低品位原沼氣品位提升效果較差。當(dāng)原沼氣品位處于中等水平時(shí)(約50%(v/v)的CH4和約50%(v/v)的CO2),因?yàn)槠錃怏w碳源CO2含量足以維持微藻的大量增殖而又不會(huì)因?yàn)镃O2絕對(duì)量過(guò)多而難以去除,所以其微藻生長(zhǎng)趨勢(shì)、沼氣品位提升效果和微藻對(duì)沼液培養(yǎng)基質(zhì)的代謝效果都較好。而當(dāng)原沼氣品位較低時(shí)(約40%(v/v)的CH4和約60%(v/v)的CO2),因?yàn)槠銫O2濃度過(guò)高,所以其沼氣品位提升效果很差。當(dāng)原沼氣品位較高時(shí)(約60%(v/v)的CH4和約40%(v/v)的CO2),因?yàn)槠銫O2濃度過(guò)低,氣體碳源量不足,所以其微藻生長(zhǎng)趨勢(shì)和微藻對(duì)沼液培養(yǎng)基質(zhì)的代謝效果都很差。各原沼氣品位條件下沼液培養(yǎng)基質(zhì)中的溶解氧含量都只有小幅度的增加,且都小于抑制微藻生長(zhǎng)的限值。光生物反應(yīng)器中的氧氣(O2)濃度一直處于很低的水平,而由于沼氣中CO2濃度很高,所以光生物反應(yīng)器中的CO2和O2的比例可以一直維持在一個(gè)較高的水平,從而避免O2產(chǎn)生光呼吸作用。故光生物反應(yīng)器中的O2并不會(huì)影響微藻的生長(zhǎng)和光合作用。光生物反應(yīng)器中CH4濃度一直較高而O2濃度一直較低,CH4與O2的混合氣體一直處于爆炸混合比例范圍之外,故光生物反應(yīng)器中因?yàn)镃H4和O2的混合而產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)的可能性也是極小的(4)沼氣品位提升與沼液污水凈化之間的協(xié)同作用的研究微藻通過(guò)光合作用吸收沼氣中CO2以提升沼氣品位的過(guò)程與利用沼液作為液體培養(yǎng)基質(zhì)以?xún)艋右何鬯倪^(guò)程在光生物反應(yīng)器中是完全協(xié)同的。這兩個(gè)過(guò)程相互促進(jìn)：沼液富含微藻生長(zhǎng)所必須的各種營(yíng)養(yǎng)元素,非常適合微藻的大規(guī)模培養(yǎng)；沼氣中較高濃度的CO2可以為微藻的生長(zhǎng)提供額外的氣體碳源,更進(jìn)一步促進(jìn)微藻在沼液中的增殖,有益于微藻代謝吸收沼液中的污染物,凈化沼液污水；而微藻通過(guò)代謝沼液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得以大量增殖,其可以積累大量的微藻細(xì)胞生物質(zhì),而微藻藻體細(xì)胞有一半的干重增長(zhǎng)都來(lái)自于其對(duì)CO2的吸收,所以這就又促進(jìn)了微藻對(duì)沼氣中CO：的去除,有益于沼氣品位的提升。所以本研究所述的基于微藻的沼氣品位提升和沼液處理的協(xié)同方法最終可以達(dá)到很好的沼氣品位提升效果和沼液污水的處理效果：在最優(yōu)條件下可以將沼氣品位從65.4±4.2%(v/v)的CH4提升至90.9±4.3%(v/v)的CH4；沼液中污染物去除率達(dá)到67.94±3.23%的化學(xué)需氧量、60.25±3.68%的總氮和61.02±4.57%的總磷。
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：S216.4;X703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2641556