【摘要】：利用廢水進行微藻培養(yǎng)是降低微藻生物柴油生產(chǎn)成本的有效手段,并且能實現(xiàn)廢水的深度脫氮除磷處理。但目前還受制于缺乏經(jīng)濟高效的培養(yǎng)方法,尤其當利用城市污水處理廠出水等進行微藻培養(yǎng)時,由于廢水中氮磷濃度較低,其所能支撐的微藻生產(chǎn)量較為有限。采用連續(xù)進出水的培養(yǎng)方式相比于傳統(tǒng)批次培養(yǎng)能極大地提高系統(tǒng)的營養(yǎng)負荷,從而為提高系統(tǒng)的微藻生產(chǎn)能力和營養(yǎng)鹽去除能力創(chuàng)造條件,但也存在微藻細胞由于呈個體懸浮生長而極易流失的問題。本論文主要研究了采用膜法濃縮方式和固定化培養(yǎng)方式在光生物反應(yīng)器中利用低氮磷含量的廢水進行微藻的高效培養(yǎng),并同時實現(xiàn)廢水中營養(yǎng)鹽等污染物的深度去除。論文中首先構(gòu)建了新型的批次進出水操作和連續(xù)進出水操作的膜光生物反應(yīng)器(MPBR)并用于利用城市污水處理廠出水進行微藻的進出水培養(yǎng),成功實現(xiàn)了培養(yǎng)過程中微藻生物停留時間(BRT)和反應(yīng)器水力停留時間(HRT)的有效分離,實現(xiàn)了反應(yīng)器中微藻的高效濃縮培養(yǎng)和對進水中營養(yǎng)鹽的高效去除。連續(xù)進出水操作的MPBR反應(yīng)器,經(jīng)過35天的培養(yǎng),獲得的微藻生長量達到1.724 g L~(-1),是同等條件下在傳統(tǒng)光生物反應(yīng)器(CPBR)中以BG11培養(yǎng)基進行批次培養(yǎng)獲得的微藻生長量的1.64倍。并且,通過對微藻油脂累積過程和脂肪酸組成的研究發(fā)現(xiàn),MPBR反應(yīng)器在培養(yǎng)過程中實現(xiàn)了微藻油脂的不斷累積,獲得的脂肪酸組成以C16和C18脂肪酸為主,且多不飽和脂肪酸含量較低,僅為9.41%,是理想的生物柴油原料。反應(yīng)器中微藻的高速生長也有助于實現(xiàn)對進水中營養(yǎng)鹽的高效去除,并實現(xiàn)了對Cu、Zn、Fe、Al和Mn等金屬離子的高效去除。在上述研究的基礎(chǔ)上,進一步研究了水力停留時間對MPBR實現(xiàn)微藻濃縮培養(yǎng)和營養(yǎng)鹽去除的影響,當反應(yīng)器的水力停留時間為2.0 d時,既取得了較高的微藻生產(chǎn)速率,同時也實現(xiàn)了對進水中氮磷營養(yǎng)的深度去除。因此,將MPBR反應(yīng)器的水力停留時間設(shè)定為2.0 d,同時對反應(yīng)器內(nèi)的藻液按一定的速率進行收獲,實現(xiàn)了 MPBR的長期穩(wěn)定運行。在運行過程中反應(yīng)器內(nèi)的微藻濃度維持在1.035-1.524 gL~(-1),微藻生物生產(chǎn)速率為60.13 mg L~(-1)d~(-1),并實現(xiàn)了對進水中氮磷營養(yǎng)鹽的高效去除。另外,對長期運行的MPBR反應(yīng)器中膜組件的膜污染特性進行了分析,結(jié)果表明內(nèi)部阻力是MPBR中膜污染的主要組成部分。實驗中研究了采用低氮磷含量的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水為培養(yǎng)液在M P B R反應(yīng)器中進行了微藻的濃縮培養(yǎng),反應(yīng)器水力停留時間為1 d,取得的微藻生產(chǎn)速率達到42.6 mgL~(-1) d~(-1),是錐形瓶中批次培養(yǎng)的5.8倍。并取得了較好的對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中營養(yǎng)鹽的去除效果,總氮(TN)和總磷(TP)的去除率分別達到86.1%和82.7%。并且實現(xiàn)了對進水中具有較高生物毒性的游離氨(NH3)的高效去除,出水NH3-N濃度低于0.002 mg L~(-1)�？梢�,微藻膜法濃縮培養(yǎng)方法在循環(huán)水養(yǎng)殖等水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的水質(zhì)凈化中具有較好的開發(fā)應(yīng)用潛力。為實現(xiàn)光生物反應(yīng)器中微藻的高效收獲,研究了微藻的吸附式固定化培養(yǎng),篩選了適合于微藻吸附生長的填料載體,以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了微藻生物膜光生物反應(yīng)器(BPBR)。以二級生物處理出水為培養(yǎng)液,取得了相對于傳統(tǒng)光生物反應(yīng)器更高的微藻生物生產(chǎn)速率(15.93 mg L~(-1)d~(-1))、油脂生產(chǎn)速率(4.09 mgL~(-1)-1)以及氮磷去除速率(1.00mgNL~(-1) d~(-1) 和 0.20mgPL~(-1) d~(-1))。以上述研究內(nèi)容為基礎(chǔ),構(gòu)建了能同步實現(xiàn)微藻膜法濃縮培養(yǎng)和固定化生物膜培養(yǎng)的微藻生物膜-膜光生物反應(yīng)器(BMPBR)并應(yīng)用于污水處理廠出水的深度脫氮除磷處理,實現(xiàn)微藻生產(chǎn)、收獲和廢水深度脫氮除磷的高效統(tǒng)一。實驗過程中BMPBR取得的微藻生產(chǎn)速率達到72.4 mg L~(-1) d~(-1),是相同條件下MPBR的1.44倍。并且,在培養(yǎng)結(jié)束后,反應(yīng)器內(nèi)生產(chǎn)的微藻生物中有72.4%被固定在填料上形成微藻生物膜,為微藻生物的收獲創(chuàng)造了極為有利的條件。在營養(yǎng)鹽去除方面,BMPBR也取得更高的氮磷去除率,這主要得益于反應(yīng)器內(nèi)相對較高的微藻生物量。對反應(yīng)器內(nèi)微藻生物膜進行收獲后,微藻生物膜再生長的速率明顯高于生物膜初次生長的速率。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X703
【圖文】：

２．２實驗材料和方法逡逑２．２．１實驗裝置逡逑實驗中構(gòu)建了三組平行的ＭＰＢＲ反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)如圖２．１所示，該裝置主體部逡逑＾邐分為圓柱形有機玻璃容器，內(nèi)徑１２．４邋ｃｍ，高１００ｃｍ，實驗過程中有效容積為１０邋Ｌ。逡逑將一材質(zhì)為聚偏氟乙烯（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ邋ｆｌｕｏｒｉｄｅ，邋ＰＶＤＦ）孔徑為０．１ｐｍ的中空纖逡逑維膜組件安裝在該光生物反應(yīng)器中，構(gòu)成ＭＰＢＲ反應(yīng)器，中空纖維膜組件購自杭逡逑１６逡逑

邐１６逡逑Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋（ｄａｙｓ）逡逑圖２．３培養(yǎng)過程中ＭＰＢＲ（0）和ＣＰＢＲ（ｒ）反應(yīng)器內(nèi)微藻相對生長速率的比較（ｍｅａｎ邋士邋ＳＤ．逡逑ｎ＝３）逡逑Ｆｉｇ邋２．３邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ＲＧＲ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｔｗｏ邋ｒｅａｃｔｏｒｓ：邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ邋（ｏ）；逡逑ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ（＾）邋（ｍｅａｎ邋士邋ＳＤ，邋１１＝３）逡逑培養(yǎng)過程中每日對反應(yīng)器內(nèi)的ｐＨ值進行了檢測，結(jié)果如圖２．４所示。在微藻逡逑的自養(yǎng)培養(yǎng)過程中，由于對水中（：０２的消耗，通常會導(dǎo)致水的ｐＨ值的上升｜１２７１。逡逑２１逡逑

邐１６逡逑Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋（ｄａｙｓ）逡逑圖２．２培養(yǎng)過程中ＭＰＢＲ（0）和ＣＰＢＲ（＊）反應(yīng)器內(nèi)微藻濃度的比較（ｍｅａ丨ｉ邋土邋ＳＤ．邋ｎ＝３）逡逑Ｆｉｇ邋２．２邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｄｒｙ邋ｂｉｏｍａｓｓ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｔｗｏ邋ｒｅａｃｔｏｒｓ：邋ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ邋（0）；邋ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ（＃）邋（ｍｅａｎ邋±邋ＳＤ．邋ｎ＝３）逡逑０．３５邋邐逡逑０．３０邋－逡逑０邋２５邋－邐／逡逑ｒ。：邋／逡逑。１。：逡逑０．０５邋－逡逑0．00邋邐＇邐１邐１邐１邐＇邐１邐＇邐１邐＇邐１邐＇邐＇邐＇邐＇邐＇邐逡逑０邐２邐４邐６邐８邐１０邐１２邐１４邐１６逡逑Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋（ｄａｙｓ）逡逑圖２．３培養(yǎng)過程中ＭＰＢＲ（0）和ＣＰＢＲ（ｒ）反應(yīng)器內(nèi)微藻相對生長速率的比較（ｍｅａｎ邋士邋ＳＤ．逡逑ｎ＝３）逡逑Ｆｉｇ邋２．３邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ＲＧＲ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｔｗｏ邋ｒｅａｃｔｏｒｓ：邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ邋（ｏ）；逡逑ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ（＾）邋（ｍｅａｎ邋士邋ＳＤ，邋１１＝３）逡逑培養(yǎng)過程中每日對反應(yīng)器內(nèi)的ｐＨ值進行了檢測，結(jié)果如圖２．４所示。在微藻逡逑的自養(yǎng)培養(yǎng)過程中

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本文編號：2774874