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城市污水处理工艺

来源:未知作者:admin时间:2019-03-05 14:27

随着能源危机与环境污染的加剧, 微藻生物柴油越来越受到各国研究者的关注。就整体工艺而言, 微藻生物柴油的生产包括藻种选育、微藻培养、微藻收获、油脂提取与转脂。微藻培养是其中一个重要环节, 在微藻培养过程中, 利用淡水培养微藻需消耗大量淡水资源, 有悖于当前淡水资源紧缺的背景。同时, 营养物质的投加进一步提高了微藻的培养成本。

  城市污水中含有大量的氮、磷营养物质, 利用城市污水培养微藻, 可在水质净化的同时, 为微藻的生长提供丰富的氮、磷, 同时污水中的细菌可分解污水中的有机物产生CO2, 为微藻提供生长所需碳源。相比于利用人工配制的培养基并外加纯CO2气体进行微藻的培养, 利用城市污水培养微藻可一定程度降低微藻培养的成本, 又可依托现有污水处理厂规模化培养, 是当前解决水环境污染和能源危机的一个有效途径。目前, 此领域的大多数研究集中在利用微藻改善污水水质或者利用人工污水培养基及灭菌污水培养微藻方面, 而将实际城市污水处理与微藻培养制备生物柴油相耦合的研究报道较少。 Mahapatra等利用灭菌的城市污水培养混合藻类, 培养12 d, 微藻产率为122 mg·(L·d)-1。 Ryu等研究表明, 相较于灭菌的初沉池污水, 小球藻在未灭菌的城市污水中生长得更好, 微藻产率为126 mg·(L·d)-1, 油脂含量达到20。59%。

  由于城市污水成分复杂, 固体颗粒含量高时, 相应的营养物质含量较高, 有利于微藻生长, 但也会增加污水浊度, 影响微藻对光的有效吸收.同时, 污水中含有大量的微生物, 微藻与细菌之间存在着互生、拮抗等复杂的相互关系.且不同藻种对环境需求不同, 对污水的耐受性也不同.因此, 需要筛选出适宜于城市污水培养和高效产脂的藻种, 并对城市污水预处理方式进行研究, 以使预处理后的城市污水更适于微藻的生长与产脂.因此本研究将从课题组前期获得的斜生栅藻与蛋白核小球藻原始株及其离子注入诱变株中根据其在实际城市污水中的生长与产脂情况以及对污水的净化能力筛选出适宜于城市污水培养的藻种, 并根据藻种性能研究适于微藻生长与产脂的可规模化扩大的污水预处理方式, 以期为城市处理与微藻生物能源耦合工艺的建立奠定基础.

  1 材料与方法1.1 藻种与培养基

  试验所用微藻为购买于中科院(武汉)水生生物研究所淡水藻种库的斜生栅藻原始株(SC-W)与蛋白核小球藻原始株(CH-W)以及课题组前期经离子注入法诱变筛选的斜生栅藻诱变株(SC-M)与蛋白核小球藻诱变株(CH-M), 藻种采用BG-11培养基进行传代培养保藏.

  试验所用城市污水取自深圳大学城市政污水井, 经潜污泵抽取后使用。污水水质见表 1。

  表 1 大学城城市污水水质

  1.2 试验方法1.2.1 微藻培养

  以BG11培养基培养处于对数生长期的微藻为种子液, 接种于600 mL城市污水, 于气泡柱式光生物反应器(直径为5 cm、长度为50 cm、容积大小约为1 L)中培养, 以相应的不加微藻的城市污水为空白对照, 使扣除空白后藻液初始吸光度D680=0。1, 于培养温度(25±1)℃, 光照强度100 μmol·(m2·s)-1, 光暗比(L:D)为12 h:12 h条件下, 连续通气培养(空气流速为120 mL·min-1, 由底部通入)。每天取样测定扣除空白后藻液的D680以监测藻细胞生长情况。取培养达到稳定期的藻液测定扣除空白后藻细胞的干重、油脂产量。每组试验设3个平行对照。

  1.2.2 污水预处理方法

  城市污水采用以下5种预处理方式。原污水:经潜污泵除去粗大悬浮物后的原污水直接使用; 沉淀污水:原污水沉淀2 h后取上清液使用; 过滤污水:原污水用定性滤纸过滤后使用; 沉淀+过滤污水:原污水先沉淀2 h处理后, 上清液用定性滤纸过滤后使用; 灭菌污水:原污水经高压蒸汽灭菌后使用。

  1。3 分析方法1。3。1 微藻生长与干重的测定

  通过测定D680来监测微藻的生长情况。微藻的干重采用重量法测定, 10 mL藻液经预称重(W1) 的微孔滤膜(Φ0。45 μm)过滤、洗涤, 于105℃下烘至恒重(W2), 不加微藻的空白对照组干重为W0, 微藻干重DW (g·L-1)的计算公式如下:

  1.3.2 微藻油脂产量与脂肪酸组成的测定

  微藻油脂提取采用氯仿甲醇共溶剂提取法。待提取结束后, 收集氯仿相, 转移至预称重的锡纸盘中, 待有机溶剂挥发完全后, 于80℃烘箱中烘至恒重, 得到微藻油脂产量, 微藻细胞油脂含量为微藻油脂产量与微藻干重的百分比。

  微藻脂肪酸分析, 首先对提取的油脂进行甲酯化, 将5 mL藻液中脂肪酸转化成相对应的脂肪酸甲酯.采用赛里安456-GC气相色谱仪进行分析, 色谱柱为BR-2560柱, 100 m×0.25 mm(内径)×0.20 μm(膜厚), FID检测器, 分流方式进样, 分流比为30:1, 进样量为1 μL.

  1.3.3 常规水质指标测定

  污水水质采用国标法测定.其中微藻培养结束后出水水质, 将微藻藻液于8 000 r·min-1离心10 min后, 收集上清液测定. TP、TN、NH4+-N、COD的测定分别参照GB 11893-89、GB 11894-89、GB 7479-87、GB 11914-89.

  1.3.4 数据分析方法

  数据采用统计软件SPSS 21。0进行单因素方差分析(one-way ANOVA), 采用LSD法进行统计检验(P<0。05)。

  2 结果与讨论2.1 适于城市污水培养的藻种筛选2.1.1 城市污水中不同藻种的生长情况

  将4种微藻CH-W、CH-M、SC-W、SC-M按照初始浓度D680=0。1分别接种到城市污水原污水中。每天测一次D680值监测其生长情况(图 1)。由图 1可知, CH-M、CH-W、SC-W藻种在污水中生长情况良好, 具有较强耐污性能, D680最高可达1。5以上, 其中CH-M藻种D680最高。而SC-M藻种虽能保持持续生长, 但生长速率较低。后期的观察发现, CH-W与CH-M分别于第9d进入快速衰亡期, 而SC-W、SC-M均可以长时间保持在生长稳定期。从稳定性培养的角度看SC-W、SC-M更具有优势。

图 1 微藻在城市污水中的生长情况

  2.1.2 城市污水中不同藻种的产脂情况

  取达到稳定期(第8 d)的微藻测其干重与油脂产量, 并计算其油脂含量, 结果如图 2所示。对4种微藻的油脂进行甲酯化反应, 通过对生成的脂肪酸甲酯进行气相色谱分析, 考察4种微藻脂肪酸组成的差异, 结果如表 2所示。

图 2 微藻在城市污水中的产脂情况

  表 2 藻株脂肪酸分析1)/%

  由图 2可知, 利用城市污水培养微藻, 微藻干重由大到小依次为SC-W、CH-M、SC-M、CH-W, 且彼此有显著性差异(P < 0.05).该排序与D680值排序不同, 主要由于藻种差异, 小球藻个体较小, 单个藻体质量较小, 斜生栅藻个体较大, 单个藻体质量大, 所以虽然D680值CH-M大于SC-W, 但微藻干重SC-W藻种大于CH-M藻种.微藻油脂含量由多到少依次为:CH-W、SC-W、CH-M、SC-M, 前三者无显著性差异, 但明显高于SC-M的油脂含量.两者综合而言, 所得微藻油脂产量大小依次为:SC-W、CH-M、CH-W、SC-M, 分别为0.43、0.33、0.27、0.17 g·L-1, 且彼此有显著性差异(P < 0.05).因此SC-W藻种在4种微藻中油脂产量最高, 是其他3种微藻油脂产量的1.3、1.6、2.5倍.从该试验结果也可以看出, 经离子注入诱变后的小球藻能较好地保持其优良性能, 而经离子注入诱变后的斜生栅藻随着时间推移, 藻种性能发生了退化.
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