【摘要】：微藻以其生長(zhǎng)周期短、光合作用強(qiáng)、不占用農(nóng)業(yè)耕地等優(yōu)點(diǎn)被視為新型生物柴油的首選原料。然而產(chǎn)油效率低和生產(chǎn)成本高是制約微藻生物柴油大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。同時(shí)隨著日益提高的環(huán)境要求,污水處理中的氮磷去除及資源的合理利用也已成為重要目標(biāo)。利用污水培養(yǎng)微藻則可節(jié)省90%水資源和94%的氮源。同時(shí)在水資源方面可節(jié)省25%能量投入。微藻培養(yǎng)與污水處理的耦合,不僅可以降低成本,還可以凈化環(huán)境,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和積極的環(huán)保意義。因此,本課題以高產(chǎn)油率和低成本為立足點(diǎn),從利用藻類處理污水的源頭入手,篩選油脂含量高、具有生產(chǎn)優(yōu)良生物柴油品質(zhì)能力的優(yōu)勢(shì)能源微藻,研究環(huán)境因素對(duì)其脫氮除磷性能和產(chǎn)油特性的影響,探索高產(chǎn)油脂能源微藻高效脂類積累,同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷的環(huán)境條件；揭示高產(chǎn)油脂能源微藻生長(zhǎng)速率與氮磷去除效果和脂類物質(zhì)積累之間的關(guān)系,闡明其在脫氮除磷過程中的環(huán)境適應(yīng)機(jī)制。以期實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)油脂微藻污水治理和生物柴油生產(chǎn)的統(tǒng)一。本文得到的主要研究結(jié)論如下：(1)評(píng)價(jià)了10株潛力微藻生產(chǎn)生物柴油的潛力。三角褐指藻(Phaeodactylum tricrnutum)由于擁有最高的油脂含量(61.43±0.95%)、最高的油脂產(chǎn)率(26.75 mg·L-1·d-1)、高C16-C18含量(74.50%)、高C16：1含量(22.34%)、高十六烷值(55.10)、低碘值(99.2 g12/100g)和相對(duì)較低的冷凝點(diǎn)(4.47℃),被最終選為優(yōu)勢(shì)能源藻株。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)微藻作為生物柴油原料的潛力,本研究將黏度、密度、十六烷值、濁點(diǎn)、碘值及熱值這六個(gè)性質(zhì)引入評(píng)定指標(biāo)中,介紹一種依據(jù)脂肪酸組成快速評(píng)價(jià)微藻生物柴油性質(zhì)的方法。從而可以輕易實(shí)現(xiàn)不同藻種的產(chǎn)油能力的比較,為最優(yōu)藻種的選擇和培養(yǎng)方法的優(yōu)化提供依據(jù)。為保證優(yōu)良的生物柴油性質(zhì),脂肪酸不飽和度范圍應(yīng)在0.2-1.4。(2)曝氣對(duì)三角褐指藻的生長(zhǎng)和產(chǎn)油有很重要的調(diào)控作用�？疾烊呛种冈逶�7個(gè)不同氣液比0、0.1、0.5、1、1.5、2、2.5 vvm下的生長(zhǎng)和油脂積累特性,結(jié)果表明三角褐指藻生長(zhǎng)、產(chǎn)油和油脂生產(chǎn)的最優(yōu)氣液比是1.5 vvm,其比生長(zhǎng)速率、生物量產(chǎn)率,脂肪酸甲酯含量和油脂產(chǎn)率分別為0.5 d-1、227.09mg·L-1·d-1、0.24% (DW)、48.48mg·L-1·d-1,優(yōu)良的脂肪酸組分C16-C18脂肪酸含量為92.9%。氣液比和比生長(zhǎng)速率、油脂含量、脂肪酸甲酯含量的線性關(guān)系良好。此外,CO32-/HCO3-比例也對(duì)脂肪酸組份的合成有重要的影響,尤其是C16：1組分。另外,通過考察15℃,20℃,25℃及這三個(gè)溫度之間每隔四小時(shí)的交替溫度15-20℃,20-25℃,15-25℃對(duì)三角褐指藻生長(zhǎng)和油脂積累的影響,研究了三角褐指藻在戶外培養(yǎng)中的抗逆性。20℃為三角褐指藻生長(zhǎng)和產(chǎn)油的最適溫度,在20℃獲得最高的生物量產(chǎn)率(98.64 mg-L·d-1)、油脂產(chǎn)率(24.66 mg·L-1·d-1)和脂肪酸甲酯產(chǎn)率(5.19 mg-g-1 DW)。溫度交替波動(dòng)對(duì)生物量影響不大,卻不利于油脂的積累。三個(gè)溫度交替時(shí)的油脂產(chǎn)率為20℃時(shí)的1/2,在恒溫下,25℃更有利于油脂的積累。在三角褐指藻的光暗周期(Light:Dark=12h:12h)培養(yǎng)中,以全光照恒溫20℃培養(yǎng)為對(duì)照,考察三組光暗培養(yǎng)下暗周期溫度變化(Light 20℃:Dark 20℃),(Light 20℃:Dark 15℃), (Light 20℃:Dark 10℃)對(duì)三角褐指藻生長(zhǎng)和產(chǎn)油的影響。結(jié)果表明,暗周期下低溫有利于降低藻細(xì)胞生物量損失,且利于油脂積累。最佳生長(zhǎng)和產(chǎn)油的光暗周期溫度為L(zhǎng)ight 20℃:Dark10℃,獲得平均生物產(chǎn)率58.52 mg·L-1·d-1,比光暗周期溫度Light 20℃:Dark 20℃和全光照對(duì)照組提高了約1.6倍；藻細(xì)胞油脂含量在Light 20℃:Dark10℃下達(dá)到26.13%,平均油脂產(chǎn)率為15.29 mg·L-1·d-1,分別比Light 20℃:Dark 20℃和全光照對(duì)照組提高了約2.25和2.51倍。三角褐指藻生長(zhǎng)的最佳pH范圍為8.8-9.4,穩(wěn)定末期的pH為9.6。(3)在山東省濟(jì)南市泉城公園受污染湖泊中分離獲得6株備選藻株�？疾炝诉@6株備選藻株的生長(zhǎng)、油脂積累及脂肪酸組分情況,對(duì)這6株藻株產(chǎn)油潛力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。兩株藻株SDEC-6和SDEC-8由于具備高油脂含量、高油脂產(chǎn)率、高生物柴油產(chǎn)量和優(yōu)良生物柴油性質(zhì)被選為優(yōu)勢(shì)能源藻株。其中SDEC-6獲得最高的油脂含量37.6%,SDEC-8獲得最高的油脂產(chǎn)率13.52 mg·L-1·d-1, SDEC-6和SDEC-8獲得最高的脂肪酸甲酯產(chǎn)率分別為11.7 mg·g-1 DW和9.55 mg·g-1 DW。通過透射顯微觀察、16SrRNA和18S rRNA基因序列分析(GenBank登錄號(hào)分別為KU318705和KF999643),通過形態(tài)學(xué)與分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)分析,對(duì)獲得的兩株優(yōu)勢(shì)能源微藻(SDEC-6和SDEC-8)進(jìn)行種屬鑒定。SDEC-6命名為Cyanobium parvum SDEC-6; SDEC-8命名為Scenedesmus quadricauda SDEC-8.2株優(yōu)勢(shì)能源藻株已被保存到中國典型培養(yǎng)物保藏中心,保存編號(hào)分別為CCTCC NO:M2015769和CCTCC NO:M2014448。(4)根據(jù)典型城市生活污水中氮磷濃度配制三個(gè)不同氮磷濃度的廢水,考察優(yōu)勢(shì)能源藻株C. parvum SDEC-6和S. quadricauda SDEC-8在不同氮磷濃度中的生長(zhǎng)特性、脫氮除磷能力及油脂積累特性。結(jié)果表明：C. parvum SDEC-6和S. quadricauda SDEC-8可適應(yīng)不同濃度氮磷廢水并呈現(xiàn)出很好的產(chǎn)油和脫氮除磷性能。C. parvum SDEC-6在中濃度氮磷濃度廢水b (TN:40 mg·L-1, TP:8 mg·L-1)中油脂含量可達(dá)到約30%,但在高濃度氮磷廢水c (TN:85 mg·L-1, TP:15mg·L-1)中油脂產(chǎn)量最大,并獲得最高的飽和脂肪酸含量、最高的生物量濃度和最高的脂肪酸甲酯產(chǎn)量。和其他藍(lán)藻和綠藻相比,C. parvum SDEC-6顯示出了更好的氮磷去除和產(chǎn)油優(yōu)勢(shì),第5天時(shí)它達(dá)到最高的氮磷去除率和較高的油脂積累率,在中濃度廢水b (TN:40 mg·L-1,TP:8 mg·L-1)中,氮磷去除率已分別達(dá)到84.76%和65.09%,油脂含量達(dá)到28.04%,此時(shí)油脂產(chǎn)率超過文獻(xiàn)報(bào)道藍(lán)藻的10倍以上。因此,C. parvum SDEC-6由于具備高氮磷去除速率、低培養(yǎng)時(shí)間和高產(chǎn)油率的特點(diǎn),適合用來處理高氮磷濃度廢水。S. quadricauda SDEC-8在三組不同氮磷濃度的人工污水中油脂產(chǎn)量波動(dòng)不大,并能達(dá)到很高的生物量、油脂產(chǎn)率及高脫氮除磷率(第九天總氮去除率90%以上,總磷去除率60%-98%左右,在到達(dá)穩(wěn)定期即第16天時(shí),氮磷幾乎完全去除)。在中濃度廢水b (TN:40 mg·L-1, TP:8 mg·L-1)中,S. quadricauda SDEC-8獲得最高的單不飽和脂肪酸含量(35.35%)、最高脂肪酸甲酯含量(59.57±0.02 mg·g-1 DW)和最高的脂肪酸甲酯產(chǎn)量(17.53mg·L-1·d-1).經(jīng)過S. quadricauda SDEC-8處理后,三組廢水出水可滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A限值TN＜15 mg·L-1,TP＜0.5mg·L-1。在與其他報(bào)道相同的營養(yǎng)條件下,其脫氮除磷能力優(yōu)于其他報(bào)道,產(chǎn)油能力也遠(yuǎn)優(yōu)于其他藻種。因此,結(jié)合柵藻SDEC-8產(chǎn)油率高、產(chǎn)油質(zhì)量高且可完全去除氮磷的特性,可用柵藻進(jìn)行生活污水二級(jí)出水的深度處理。(5)根據(jù)優(yōu)勢(shì)藻株的不同特性,本研究利用校園污水來培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)能源藻株C. parvum SDEC-6,并利用城市污水廠二級(jí)出水來培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)能源柵藻Scenedesmus obliquus,研究了優(yōu)勢(shì)藻種在實(shí)際污水中氮磷去除和生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系,建立了優(yōu)勢(shì)柵藻在二級(jí)出水中的生長(zhǎng)和氮磷去除的動(dòng)力學(xué)模型。提出了一個(gè)柵藻在廢水系統(tǒng)中更有效去除氮磷和生產(chǎn)油脂的方法。結(jié)果表明：C. parvum SDEC-6在校園污水中適應(yīng)力強(qiáng),迅速生長(zhǎng),油脂含量達(dá)到26.8%,與人工配制校園污水中微藻生長(zhǎng)和油脂積累效果相當(dāng),總氮、氨氮、總磷去除率分別為29.55%,41.17%,95.62%。其在校園污水中展現(xiàn)了更快的總磷去除率,第6天已實(shí)現(xiàn)90%以上去除。C. parvum SDEC-6在校園污水中飽和脂肪酸C16：0為69.10%,油酸(C18：1)作為生產(chǎn)生物柴油的最佳成分之一,含量為21.85%。校園污水中剩余的TN, NH4+-N和TP濃度與藻生物質(zhì)濃度之間呈明顯的線性關(guān)系,C. parvum SDEC-6在校園生活污水中消耗的氮源主要以氨氮為主,磷的限制最終導(dǎo)致低的比生長(zhǎng)速率,而導(dǎo)致微藻對(duì)氮磷吸收變低,最終導(dǎo)致總氮和氨氮的低去除率。在二級(jí)出水中投加微量NaAC有效促進(jìn)了柵藻脂肪酸甲酯即生物柴油的積累,投加20 mg·L-1 NaAC到二級(jí)出水,所獲得的生物量產(chǎn)率和脂肪酸甲酯產(chǎn)率分別為28.61 mg·L-1·d-1和34.34 mg·L-1·d-1,這比未添加NaAC組相比,分別提高1.2倍和3倍。NaAC的投加不僅提高了生物柴油產(chǎn)量,還大大優(yōu)化了生物柴油性質(zhì)。投加20 mg L-1 NaAC時(shí),微藻獲得最高飽和脂肪酸含量177 mg g-1,單不飽和脂肪酸含量61.5 mg g-1,比未添加NaAC廢水的單不飽和脂肪酸含量提高了3倍。城市污水廠二級(jí)出水中剩余的溶解性無機(jī)氮(DIN)和無機(jī)磷P04-P濃度與柵藻生物質(zhì)濃度之間呈明顯的指數(shù)關(guān)系。柵藻對(duì)磷有快速的吸附作用,而后利用細(xì)胞表面的磷支持生長(zhǎng)。柵藻在二級(jí)出水中生物質(zhì)濃度的提高主要是由于對(duì)硝態(tài)氮的利用。當(dāng)?shù)踪|(zhì)量比小于16時(shí),比生長(zhǎng)速率和氮磷比呈良好的線性關(guān)系,氨氮更有利于提高細(xì)胞生長(zhǎng)速度,當(dāng)?shù)踪|(zhì)量比高于16時(shí),磷限制是抑制柵藻細(xì)胞生長(zhǎng)的主要因素。綜合氮磷去除、微藻生物質(zhì)積累、培養(yǎng)時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本等方面,在污水處理協(xié)同培養(yǎng)微藻的過程中,為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生物量和超過90%的氮磷去除,通過模型提出在達(dá)到350 mg L-1的生物量時(shí)需保持每天12%的收獲速率和8.33天的水力停留時(shí)間。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X703


本文編號(hào)：2802884