基于微藻的沼气品位提升和沼液处理的协同作用研究

摘要

如何应对全球气候变化是近年来各国制定环境政策的核心内容，而减少人为的二氧化碳(CO2)排放量是应对全球气候变化的最主要手段。世界各国为了应对这一问题，都在提高可再生能源的使用比例而减少化石燃料的使用。沼气是将来最有前途的可再生能源之一，其可以显著减轻全球气候变化的压力。我国已经成为世界上最大的户用沼气生产国和消费国。但是沼气的主要组成中甲烷(CH4)含量较低而CO2含量较高使得沼气品位低下，极大的限制了沼气的高效广泛的利用。此外，发酵产沼气过程中产生的副产物沼液是一种高污染物负荷的污水，其极易造成环境污染。
　　沼气品位低下和沼液污水难以处理是限制我国沼气事业可持续发展的两大瓶颈。为了可以同时解决以上两个问题，本文创新性的开发出了一种基于微藻的可以同时提升沼气品位和处理沼液污水的技术，并且在深入分析其各种影响因素的基础上研究了沼气品位提升过程和沼液污水处理过程间的协同作用。沼气品位提升通常是指对生产出来的原沼气进行处理，以降低其CO2的含量而使得沼气中CH4所占相对比例得以提升。本研究利用微藻极高的光合作用效率和碳固定能力去除沼气中的CO2，使得沼气品位得以提升;在此过程中利用沼液作为微藻的培养液基质，使得微藻可以吸收沼液中的污染物以净化沼液。本文研究了微藻藻种性质、光生物反应器中微藻的光合作用以及沼气沼液协同作用的影响。对微藻生长趋势、沼气品位提升效果和微藻对沼液培养基质的代谢效果，以及人工光源的能耗效率等进行了分析，并在此基础上着重探讨了微藻对于沼气中气体碳源CO2的固定过程与沼液中营养物质的代谢吸收过程之间的协同作用。
　　(1)微藻藻种性质的研究
　　利用驯化技术培育得到了可以耐受高浓度CO2环境的小球藻Chlorella sp.藻种，其完全具备了耐受沼气中高浓度CO2环境的能力。驯化后的微藻Chlorella sp.藻种在约30％(v/v)的CO2浓度条件下，生长状况良好，生物质干重从初始接种量约100 mg L-1最大可以增长到316.47±16.30 mg L-1。
　　光生物反应器中最佳的微藻初始接种量范围是:约120 mg L-1（中等密度微藻初始接种量）至约180 mg L-1（高密度微藻初始接种量）。中等密度微藻初始接种量条件下，微藻的生长周期较短，微藻生长状况稳定，且其沼气品位提升效果和沼液处理效果都很理想。高密度微藻初始接种量条件下，微藻的生长周期比“中等密度”实验组更短，但是微藻细胞进入衰亡期较“极高密度”实验组要晚。其沼气品位提升效果和沼液处理效果接近于“中等密度”实验组。在此最佳初始接种量范围内，如果克服了微藻藻体细胞相互遮蔽的缺点后，微藻的生长趋势、沼气的品位提升效果和微藻对于沼液培养基质的代谢效果都还有进一步提升的空间。但是在约60 mg L-1微藻初始接种量（一般密度微藻初始接种量）条件下，因为微藻初始接种量过小，造成微藻的生长周期较长，其难以在较短时间内达到良好的沼气品位提升效果和沼液处理效果。在约240 mg L-1微藻初始接种量（极高密度微藻初始接种量）条件下，由于沼液中营养物质被竞争性快速吸收，微藻细胞代谢有毒废弃物快速积累，最终造成微藻细胞数量急剧下降，沼气品位提升效果和沼液处理效果也都较差。
　　(2)光生物反应器中微藻光合作用的研究
　　混合光质条件下的微藻生长趋势、沼气品位提升效果和微藻对沼液的代谢效果都显著的优于单色光质条件。最佳光质条件是采用基于光照强度的混合比例5∶5的红色光质与蓝色光质，因为其可以均衡的供给蓝色和红色两种光质而平衡的增强光合作用系统Ⅰ和光合作用系统Ⅱ的效果。
　　最佳的光照策略是在微藻培养周期中逐渐增加光照强度:0至48小时内采用400μmol m-2 s-1的光照强度，48至96小时内采用500μmol m-2 s-1的光照强度，96至144小时内采用600μmol m-2s-1的光照强度。此光照策略可以克服在采用“高密度（约180 mg L-1）”微藻初始接种量时所产生的微藻藻体细胞相互遮蔽的问题，其极大的提高了微藻生长趋势、沼气品位提升效果和微藻对沼液的代谢效果。
　　在考虑经济效益的实际应用中，在统一考虑沼气品位提升效果和微藻对于沼液污水的代谢效果时，混合光质因素条件下均衡的红色光质和蓝色光质供给条件（即红蓝5∶5比例光质因素条件）是最适宜的光质因素条件，其人工光源能耗效率高，经济效益好。如果将本研究所述的沼气品位提升和沼液处理的协同方法作为单一的手段，则可以采用最优光照强度策略，其保证了处理后所得高品位沼气的CH4浓度和沼液污水的净化效果。而如果对沼气品位要求很高，本研究所述的协同方法并非单一的处理单元，而是在其后还要加上别的沼气品位提升方法以进一步提高沼气中CH4含量，则可以采用400μmol m-2 s-1光照强度条件，其不仅在一定程度上提升了沼气品位，而且还保持了很高的人工光源能耗效率，极大的提高了经济效益。
　　(3)沼气沼液协同作用的影响
　　光生物反应器中微藻气体碳源和培养基质之间的数量关系，即初始沼气和沼液的最佳的比例范围是:13L沼气:1.8L沼液（中等比例沼气和沼液比）至12L沼气:2.8 L沼液（一般比例沼气和沼液比）之间。这是因为中等比例沼气和沼液比条件与一般比例沼气和沼液比条件都有充足的沼液培养液和CO2气体碳源，所以它们都获得了较其它实验组更好的沼气品位提升效果和微藻对沼液培养基质的代谢效果。但是14L沼气:0.8L沼液（高比例沼气和沼液比）条件则因为沼液量不足且沼气的CO2绝对量过多，故其沼气品位提升效果极差;11L沼气:3.8L沼液（低比例沼气和沼液比）条件则因为沼液量过多且沼气的气体碳源量不足，故其沼液污染物去除率极差。
　　不同原沼气品位条件下品位提升效果的预测是:高品位原沼气可以得到较好的品位提升效果，低品位原沼气品位提升效果较差。当原沼气品位处于中等水平时(约50％(v/v)的CH4和约50％(v/v)的CO2），因为其气体碳源CO2含量足以维持微藻的大量增殖而又不会因为CO2绝对量过多而难以去除，所以其微藻生长趋势、沼气品位提升效果和微藻对沼液培养基质的代谢效果都较好。而当原沼气品位较低时(约40％(v/v)的CH4和约60％(v/v)的CO2），因为其CO2浓度过高，所以其沼气品位提升效果很差。当原沼气品位较高时(约60％(v/v)的CH4和约40％(v/v)的CO2），因为其CO2浓度过低，气体碳源量不足，所以其微藻生长趋势和微藻对沼液培养基质的代谢效果都很差。
　　各原沼气品位条件下沼液培养基质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长的限值。光生物反应器中的氧气(O2)浓度一直处于很低的水平，而由于沼气中CO2浓度很高，所以光生物反应器中的CO2和O2的比例可以一直维持在一个较高的水平，从而避免O2产生光呼吸作用。故光生物反应器中的O2并不会影响微藻的生长和光合作用。光生物反应器中CH4浓度一直较高而O2浓度一直较低，CH4与O2的混合气体一直处于爆炸混合比例范围之外，故光生物反应器中因为CH4和O2的混合而产生爆炸的危险的可能性也是极小的
　　(4)沼气品位提升与沼液污水净化之间的协同作用的研究
　　微藻通过光合作用吸收沼气中CO2以提升沼气品位的过程与利用沼液作为液体培养基质以净化沼液污水的过程在光生物反应器中是完全协同的。这两个过程相互促进:沼液富含微藻生长所必须的各种营养元素，非常适合微藻的大规模培养;沼气中较高浓度的CO2可以为微藻的生长提供额外的气体碳源，更进一步促进微藻在沼液中的增殖，有益于微藻代谢吸收沼液中的污染物，净化沼液污水;而微藻通过代谢沼液中的营养物质得以大量增殖，其可以积累大量的微藻细胞生物质，而微藻藻体细胞有一半的干重增长都来自于其对CO2的吸收，所以这就又促进了微藻对沼气中CO2的去除，有益于沼气品位的提升。所以本研究所述的基于微藻的沼气品位提升和沼液处理的协同方法最终可以达到很好的沼气品位提升效果和沼液污水的处理效果:在最优条件下可以将沼气品位从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达到67.94±3.23％的化学需氧量、60.25±3.68％的总氮和61.02±4.57％的总磷。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 概述

1．1．1 沼气的发展历程

1．1．2 沼液污染物的环境危害

1．1．3 微藻的培养和利用

1．2 沼气品位提升技术研究现状

1．3 沼液处理技术研究现状

1．4 研究内容

1．5 研究的技术路线

1．6 研究目的和意义

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究意义

参考文献

第二章 材料与方法

2．1 实验材料

2．2 操作方法

2．3 实验条件

2．4 分析仪器和方法

参考文献

第三章 微藻藻种性质的研究

3．1 实验设计

3．2 微藻藻种的驯化

3．3 藻种初始接种量的影响

3．3．1 微藻生长趋势的分析

3．3．2 沼气品位提升效果

3．3．3 微藻对沼液培养基质的代谢

3．4 本章小结

参考文献

第四章 光生物反应器中微藻光合作用的研究

4．1 实验设计

4．2 光质因素对微藻代谢的影响

4．3 光照强度策略的建立

4．4 人工光源能耗效率分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 沼气沼液协同作用的影响

5．1 实验设计

5．2 微藻气体碳源和培养基质之间的数量关系

5．3 沼气组分的影响与品位提升效果的预测

5．4 沼气中O2的影响

5．5 协同作用的分析

5．6 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 研究的主要结论

6．2 研究的创新点

6．3 研究展望

致谢

攻读博士学位期间取得的成果

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