隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染的加劇, 微藻生物柴油越來越受到各國研究者的關(guān)注.就整體工藝而言, 微藻生物柴油的生產(chǎn)包括藻種選育、微藻培養(yǎng)、微藻收獲、油脂提取與轉(zhuǎn)脂.微藻培養(yǎng)是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié), 在微藻培養(yǎng)過程中, 利用淡水培養(yǎng)微藻需消耗大量淡水資源, 有悖于當(dāng)前淡水資源緊缺的背景.同時(shí), 營養(yǎng)物質(zhì)的投加進(jìn)一步提高了微藻的培養(yǎng)成本.
城市污水中含有大量的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì), 利用城市污水培養(yǎng)微藻, 可在水質(zhì)凈化的同時(shí), 為微藻的生長(zhǎng)提供豐富的氮、磷, 同時(shí)污水中的細(xì)菌可分解污水中的有機(jī)物產(chǎn)生CO2, 為微藻提供生長(zhǎng)所需碳源.相比于利用人工配制的培養(yǎng)基并外加純CO2氣體進(jìn)行微藻的培養(yǎng), 利用城市污水培養(yǎng)微藻可一定程度降低微藻培養(yǎng)的成本, 又可依托現(xiàn)有污水處理廠規(guī)�；囵B(yǎng), 是當(dāng)前解決水環(huán)境污染和能源危機(jī)的一個(gè)有效途徑.目前, 此領(lǐng)域的大多數(shù)研究集中在利用微藻改善污水水質(zhì)或者利用人工污水培養(yǎng)基及滅菌污水培養(yǎng)微藻方面, 而將實(shí)際城市污水處理與微藻培養(yǎng)制備生物柴油相耦合的研究報(bào)道較少. Mahapatra等利用滅菌的城市污水培養(yǎng)混合藻類, 培養(yǎng)12 d, 微藻產(chǎn)率為122 mg·(L·d)-1. Ryu等研究表明, 相較于滅菌的初沉池污水, 小球藻在未滅菌的城市污水中生長(zhǎng)得更好, 微藻產(chǎn)率為126 mg·(L·d)-1, 油脂含量達(dá)到20.59%.
由于城市污水成分復(fù)雜, 固體顆粒含量高時(shí), 相應(yīng)的營養(yǎng)物質(zhì)含量較高, 有利于微藻生長(zhǎng), 但也會(huì)增加污水濁度, 影響微藻對(duì)光的有效吸收.同時(shí), 污水中含有大量的微生物, 微藻與細(xì)菌之間存在著互生、拮抗等復(fù)雜的相互關(guān)系.且不同藻種對(duì)環(huán)境需求不同, 對(duì)污水的耐受性也不同.因此, 需要篩選出適宜于城市污水培養(yǎng)和高效產(chǎn)脂的藻種, 并對(duì)城市污水預(yù)處理方式進(jìn)行研究, 以使預(yù)處理后的城市污水更適于微藻的生長(zhǎng)與產(chǎn)脂.因此本研究將從課題組前期獲得的斜生柵藻與蛋白核小球藻原始株及其離子注入誘變株中根據(jù)其在實(shí)際城市污水中的生長(zhǎng)與產(chǎn)脂情況以及對(duì)污水的凈化能力篩選出適宜于城市污水培養(yǎng)的藻種, 并根據(jù)藻種性能研究適于微藻生長(zhǎng)與產(chǎn)脂的可規(guī)模化擴(kuò)大的污水預(yù)處理方式, 以期為城市污水處理與微藻生物能源耦合工藝的建立奠定基礎(chǔ).
1 材料與方法1.1 藻種與培養(yǎng)基
試驗(yàn)所用微藻為購買于中科院(武漢)水生生物研究所淡水藻種庫的斜生柵藻原始株(SC-W)與蛋白核小球藻原始株(CH-W)以及課題組前期經(jīng)離子注入法誘變篩選的斜生柵藻誘變株(SC-M)與蛋白核小球藻誘變株(CH-M), 藻種采用BG-11培養(yǎng)基進(jìn)行傳代培養(yǎng)保藏.
試驗(yàn)所用城市污水取自深圳大學(xué)城市政污水井, 經(jīng)潛污泵抽取后使用.污水水質(zhì)見表 1.
表 1 大學(xué)城城市污水水質(zhì)
1.2 試驗(yàn)方法1.2.1 微藻培養(yǎng)
以BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的微藻為種子液, 接種于600 mL城市污水, 于氣泡柱式光生物反應(yīng)器(直徑為5 cm、長(zhǎng)度為50 cm、容積大小約為1 L)中培養(yǎng), 以相應(yīng)的不加微藻的城市污水為空白對(duì)照, 使扣除空白后藻液初始吸光度D680=0.1, 于培養(yǎng)溫度(25±1)℃, 光照強(qiáng)度100 μmol·(m2·s)-1, 光暗比(L:D)為12 h:12 h條件下, 連續(xù)通氣培養(yǎng)(空氣流速為120 mL·min-1, 由底部通入).每天取樣測(cè)定扣除空白后藻液的D680以監(jiān)測(cè)藻細(xì)胞生長(zhǎng)情況.取培養(yǎng)達(dá)到穩(wěn)定期的藻液測(cè)定扣除空白后藻細(xì)胞的干重、油脂產(chǎn)量.每組試驗(yàn)設(shè)3個(gè)平行對(duì)照.
1.2.2 污水預(yù)處理方法
城市污水采用以下5種預(yù)處理方式.原污水：經(jīng)潛污泵除去粗大懸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; 過濾污水：原污水用定性濾紙過濾后使用; 沉淀+過濾污水：原污水先沉淀2 h處理后, 上清液用定性濾紙過濾后使用; 滅菌污水：原污水經(jīng)高壓蒸汽滅菌后使用.
1.3 分析方法1.3.1 微藻生長(zhǎng)與干重的測(cè)定
通過測(cè)定D680來監(jiān)測(cè)微藻的生長(zhǎng)情況.微藻的干重采用重量法測(cè)定, 10 mL藻液經(jīng)預(yù)稱重(W1) 的微孔濾膜(Φ0.45 μm)過濾、洗滌, 于105℃下烘至恒重(W2), 不加微藻的空白對(duì)照組干重為W0, 微藻干重DW (g·L-1)的計(jì)算公式如下：
1.3.2 微藻油脂產(chǎn)量與脂肪酸組成的測(cè)定
微藻油脂提取采用氯仿甲醇共溶劑提取法.待提取結(jié)束后, 收集氯仿相, 轉(zhuǎn)移至預(yù)稱重的錫紙盤中, 待有機(jī)溶劑揮發(fā)完全后, 于80℃烘箱中烘至恒重, 得到微藻油脂產(chǎn)量, 微藻細(xì)胞油脂含量為微藻油脂產(chǎn)量與微藻干重的百分比.
微藻脂肪酸分析, 首先對(duì)提取的油脂進(jìn)行甲酯化, 將5 mL藻液中脂肪酸轉(zhuǎn)化成相對(duì)應(yīng)的脂肪酸甲酯.采用賽里安456-GC氣相色譜儀進(jìn)行分析, 色譜柱為BR-2560柱, 100 m×0.25 mm(內(nèi)徑)×0.20 μm(膜厚), FID檢測(cè)器, 分流方式進(jìn)樣, 分流比為30:1, 進(jìn)樣量為1 μL.
1.3.3 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定
污水水質(zhì)采用國標(biāo)法測(cè)定.其中微藻培養(yǎng)結(jié)束后出水水質(zhì), 將微藻藻液于8 000 r·min-1離心10 min后, 收集上清液測(cè)定. TP、TN、NH4+-N、COD的測(cè)定分別參照GB 11893-89、GB 11894-89、GB 7479-87、GB 11914-89.
1.3.4 數(shù)據(jù)分析方法
數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 21.0進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA), 采用LSD法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(P<0.05).
2 結(jié)果與討論2.1 適于城市污水培養(yǎng)的藻種篩選2.1.1 城市污水中不同藻種的生長(zhǎng)情況
將4種微藻CH-W、CH-M、SC-W、SC-M按照初始濃度D680=0.1分別接種到城市污水原污水中.每天測(cè)一次D680值監(jiān)測(cè)其生長(zhǎng)情況(圖 1).由圖 1可知, CH-M、CH-W、SC-W藻種在污水中生長(zhǎng)情況良好, 具有較強(qiáng)耐污性能, D680最高可達(dá)1.5以上, 其中CH-M藻種D680最高.而SC-M藻種雖能保持持續(xù)生長(zhǎng), 但生長(zhǎng)速率較低.后期的觀察發(fā)現(xiàn), CH-W與CH-M分別于第9d進(jìn)入快速衰亡期, 而SC-W、SC-M均可以長(zhǎng)時(shí)間保持在生長(zhǎng)穩(wěn)定期.從穩(wěn)定性培養(yǎng)的角度看SC-W、SC-M更具有優(yōu)勢(shì).
圖 1 微藻在城市污水中的生長(zhǎng)情況
2.1.2 城市污水中不同藻種的產(chǎn)脂情況
取達(dá)到穩(wěn)定期(第8 d)的微藻測(cè)其干重與油脂產(chǎn)量, 并計(jì)算其油脂含量, 結(jié)果如圖 2所示.對(duì)4種微藻的油脂進(jìn)行甲酯化反應(yīng), 通過對(duì)生成的脂肪酸甲酯進(jìn)行氣相色譜分析, 考察4種微藻脂肪酸組成的差異, 結(jié)果如表 2所示.
圖 2 微藻在城市污水中的產(chǎn)脂情況
表 2 藻株脂肪酸分析1)/%
由圖 2可知, 利用城市污水培養(yǎng)微藻, 微藻干重由大到小依次為SC-W、CH-M、SC-M、CH-W, 且彼此有顯著性差異(P < 0.05).該排序與D680值排序不同, 主要由于藻種差異, 小球藻個(gè)體較小, 單個(gè)藻體質(zhì)量較小, 斜生柵藻個(gè)體較大, 單個(gè)藻體質(zhì)量大, 所以雖然D680值CH-M大于SC-W, 但微藻干重SC-W藻種大于CH-M藻種.微藻油脂含量由多到少依次為：CH-W、SC-W、CH-M、SC-M, 前三者無顯著性差異, 但明顯高于SC-M的油脂含量.兩者綜合而言, 所得微藻油脂產(chǎn)量大小依次為：SC-W、CH-M、CH-W、SC-M, 分別為0.43、0.33、0.27、0.17 g·L-1, 且彼此有顯著性差異(P < 0.05).因此SC-W藻種在4種微藻中油脂產(chǎn)量最高, 是其他3種微藻油脂產(chǎn)量的1.3、1.6、2.5倍.從該試驗(yàn)結(jié)果也可以看出, 經(jīng)離子注入誘變后的小球藻能較好地保持其優(yōu)良性能, 而經(jīng)離子注入誘變后的斜生柵藻隨著時(shí)間推移, 藻種性能發(fā)生了退化.
由表 2可知, 4種微藻在脂肪酸組成上均以C16、C18為主, 為綠藻中常見脂肪酸. Song等和Ma等的研究表明, 適合制備生物柴油的原料應(yīng)含有較多的C16~C18脂肪酸, 主要包括十六烷酸(C16:0)、十八烷酸(C18:0)、十八烯酸(C18:1)、十八碳二烯酸(C18:2)、十八碳三烯酸(C18:3). 4種微藻中該5種脂肪酸在總脂肪酸中的含量占比分別可達(dá)89.34%、90.55%、97.46%、94.81%, 適宜于作為制備生物柴油的原料.同時(shí), 脂肪酸甲酯的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)生物柴油的性能(十六烷值、低溫流動(dòng)性、氧化安定性等)產(chǎn)生影響.有研究表明, 生物柴油的十六烷值隨著飽和脂肪酸甲酯含量的增加而增加, 多不飽和脂肪酸甲酯含量的增加而降低.生物柴油低溫流動(dòng)性隨著飽和脂肪酸甲酯尤其是長(zhǎng)碳鏈質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高而變差.生物柴油的氧化安定性隨著不飽和脂肪酸不飽和度增高而變差.高品位的生物柴油應(yīng)盡量少地含有多不飽和脂肪酸甲酯和飽和脂肪酸甲酯, 盡量多地含有單不飽和脂肪酸, 以改善其十六烷值、低溫流動(dòng)性、氧化安定性、運(yùn)動(dòng)黏度等性能.根據(jù)歐盟對(duì)生產(chǎn)生物柴油原料的嚴(yán)格要求(EN 14214), 亞麻酸甲酯(C18:3) 含量需不超過12%, 多不飽和甲基酯(≥4個(gè)雙鍵)含量需不超過1%, 以改善生物柴油的氧化安定性.從表 1中可以看出, 除了SC-M的C18:3含量略大于12%, 其它均小于12%. 4種微藻聚不飽和甲酯(≥4個(gè)雙鍵)含量均不超過1%.值得一提的是, 微藻油脂的脂肪酸組成并非是固定不變的, 脂肪酸組成會(huì)隨著培養(yǎng)條件以及油脂提取條件的變化而變化.因此, 可以通過培養(yǎng)條件優(yōu)化來改善微藻油脂的脂肪酸組成, 提高其中單不飽和脂肪酸甲酯的含量, 以制備更高品位的生物柴油.
2.1.3 城市污水培養(yǎng)微藻后污染物去除情況
城市污水培養(yǎng)微藻后, 污水中的COD、NH4+-N、TN、TP去除情況如表 3所示.從中可知, 微藻可以起到很好的水質(zhì)凈化作用, 尤其以CH-M藻種與SC-W藻種污水處理能力最佳, 可使污水中COD去除率達(dá)到80%以上, TN、TP去除率達(dá)到93%以上.由于微藻培養(yǎng)過程保持堿性環(huán)境, 氨氮部分變成氨氣, 在吹脫作用下從水中去除, 因此NH4+-N的去除效果最好, 微藻培養(yǎng)結(jié)束后污水中已檢測(cè)不到.
表 3 城市污水培養(yǎng)微藻后污染物的去除情況/%
綜合而言, SC-W與CH-M藻種在城市污水中具有較好的生長(zhǎng)與產(chǎn)脂性能, 同時(shí)對(duì)污水有較好的凈化效果, 為適宜于城市污水培養(yǎng)的高效藻種.
2.2 城市污水培養(yǎng)微藻污水預(yù)處理2.2.1 沉淀、過濾預(yù)處理
城市污水采用原污水、沉淀污水、過濾污水、沉淀+過濾污水這4種預(yù)處理方式, 預(yù)處理后的污水水質(zhì)情況如表 4所示.將SC-W、CH-M按照初始濃度D680=0.1分別接種到不同預(yù)處理方式處理后的城市污水中, 取穩(wěn)定期的藻液測(cè)其微藻干重, 油脂產(chǎn)量并計(jì)算其油脂含量.所得結(jié)果如圖 3、圖 4所示.
圖 3 SC-W在不同預(yù)處理方式城市污水中產(chǎn)脂情況
圖 4 CH-M在不同預(yù)處理方式城市污水中產(chǎn)脂情況
表 4 城市污水預(yù)處理后水質(zhì)/mg·L-1
由表 4可知, 城市污水中COD含量經(jīng)沉淀處理后變化不大, 經(jīng)過濾、沉淀與過濾聯(lián)合處理后降低.城市污水中NH4+-N、TN、TP含量經(jīng)沉淀、過濾處理后有所降低, 經(jīng)沉淀與過濾聯(lián)合處理后進(jìn)一步降低.總體而言, 原污水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富, 但懸浮物也較多, 隨著處理程度的加深, 懸浮物減少, 但污水中的營養(yǎng)物質(zhì)損耗也會(huì)相應(yīng)增加.
由圖 3、圖 4可知, 不同的微藻具有不同的耐污性能, 對(duì)污水預(yù)處理程度的要求也不同. SC-W在原污水中生物質(zhì)產(chǎn)量最高, 當(dāng)使用沉淀、過濾單種預(yù)處理方式處理污水后, 會(huì)造成微藻干重的降低, 當(dāng)使用沉淀與過濾聯(lián)合預(yù)處理方式處理污水后, 會(huì)造成微藻干重的進(jìn)一步降低.由此可以看出斜生柵藻具有較強(qiáng)的耐污性能, 當(dāng)污水中營養(yǎng)物質(zhì)越豐富時(shí), 生長(zhǎng)越好.微藻油脂產(chǎn)量由微藻生物質(zhì)產(chǎn)量和微藻油脂含量共同決定, 四種預(yù)處理方式中, 原污水預(yù)處理方式微藻生物質(zhì)產(chǎn)量最高, 微藻油脂含量較高, 所以總的微藻油脂產(chǎn)量最高, 為0.19 g·L-1.因此, 城市污水可不經(jīng)沉淀、過濾處理, 直接除去粗大懸浮物后作為培養(yǎng)基用于SC-W的培養(yǎng).而CH-M在原污水中的干重最低, 當(dāng)經(jīng)沉淀、過濾單種預(yù)處理方式處理污水后, 干重有所提高, 當(dāng)使用沉淀與過濾聯(lián)合預(yù)處理方式處理污水后干重最高. 4種預(yù)處理方式中, 沉淀與過濾聯(lián)合處理方式, CH-M油脂產(chǎn)量顯著高于其它3組(P < 0.05), 為0.16 g·L-1.由此可以看出, 小球藻比較喜歡相對(duì)潔凈的環(huán)境, 當(dāng)污水中濁度越低時(shí), 生長(zhǎng)越好.試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)污水濁度較高試驗(yàn)組, CH-M更易于沉淀, 因此不利于其與營養(yǎng)物充分接觸, 會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生影響.因此, 城市污水經(jīng)沉淀+過濾預(yù)處理后更適合作為培養(yǎng)基用于CH-M的培養(yǎng).
2.2.2 滅菌預(yù)處理
微藻與細(xì)菌之間存在互生、拮抗等復(fù)雜的相互關(guān)系.菌藻的互生關(guān)系表現(xiàn)在微藻通過光合作用釋放出氧氣供給細(xì)菌進(jìn)行代謝活動(dòng), 而細(xì)菌將水中有機(jī)污染物降解轉(zhuǎn)化為二氧化碳、無機(jī)氮、磷化合物等, 為微藻提供光合作用所需的碳源和營養(yǎng), 如此循環(huán), 形成藻菌之間互生的關(guān)系.菌藻拮抗關(guān)系表現(xiàn)在, 微藻能夠產(chǎn)生抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的抗生素類物質(zhì), 且微藻生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致pH與溶解氧的升高, 從而抑制某些細(xì)菌的生長(zhǎng)等, 而細(xì)菌也可能通過釋放可溶解纖維素的酶等胞外物抑制甚至裂解藻細(xì)胞, 或在生長(zhǎng)過程中, 附著于反應(yīng)器內(nèi)壁, 阻礙光線的透射, 從而影響微藻的光合生長(zhǎng).為消除細(xì)菌對(duì)微藻的影響, 文獻(xiàn)中常對(duì)污水采取滅菌預(yù)處理.但滅菌預(yù)處理也存在著成本高、難以擴(kuò)大的問題.
對(duì)城市污水進(jìn)行滅菌預(yù)處理, 以原污水作為對(duì)照.將SC-W、CH-M按照初始濃度D680=0.1分別接種到不同預(yù)處理方式處理后的城市污水中, 取穩(wěn)定期的藻液測(cè)其微藻干重, 油脂產(chǎn)量并計(jì)算其油脂含量.所得結(jié)果如圖 5、圖 6所示.
圖 5 SC-W在不同預(yù)處理方式城市污水中產(chǎn)脂情況
圖 6 CH-M在不同預(yù)處理方式城市污水中產(chǎn)脂情況
由圖 5、圖 6可知, 與不同的微藻具有不同的耐污性能相似, 滅菌對(duì)不同微藻的生長(zhǎng)與產(chǎn)脂的影響也不同.耐污性能較強(qiáng)的SC-W在原污水中生物質(zhì)與油脂產(chǎn)量高于滅菌污水中的生物質(zhì)與油脂產(chǎn)量, 油脂含量?jī)烧呦嗖畈淮? 滅菌組略高.故SC-W在原污水中油脂產(chǎn)量較高主要?dú)w因于其生物質(zhì)產(chǎn)量較高, 說明城市污水中的細(xì)菌對(duì)SC-W的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用, 該結(jié)論與Ryu等所得結(jié)論一致.而CH-M在滅菌污水中生物質(zhì)產(chǎn)量較高, 說明城市污水中的細(xì)菌對(duì)CH-M的生長(zhǎng)有一定的抑制作用.滅菌組與原污水組的油脂產(chǎn)量無顯著性差異.
綜合考慮微藻在不同污水預(yù)處理方式下的生物質(zhì)與油脂產(chǎn)量及污水預(yù)處理的成本與可操作性.對(duì)于SC-W, 除去粗大懸浮物后的原污水可以不經(jīng)過任何處理, 直接用于SC-W的培養(yǎng), 該結(jié)果對(duì)于低成本的微藻培養(yǎng)十分有利.對(duì)于CH-M, 沉淀+過濾預(yù)處理、滅菌預(yù)處理方式下, CH-M的生物質(zhì)產(chǎn)量較高, 且沉淀+過濾預(yù)處理方式下, CH-M油脂產(chǎn)量略高于滅菌預(yù)處理(P < 0.05).同時(shí)考慮到污水滅菌處理的高成本、難以擴(kuò)大, 原污水可經(jīng)沉淀+過濾預(yù)處理后用于CH-M的培養(yǎng).具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1) 斜生柵藻、蛋白核小球藻原始株及經(jīng)離子注入誘變的誘變株均可在實(shí)際城市污水中生長(zhǎng).其中斜生柵藻原始株、蛋白核小球藻原始與誘變株生長(zhǎng)情況較好, D680可達(dá)1.5以上, 斜生柵藻原始與誘變株生長(zhǎng)穩(wěn)定性較好, 可較長(zhǎng)時(shí)間保持在穩(wěn)定期.
(2) 斜生柵藻原始株與蛋白核小球藻誘變株生物質(zhì)與油脂產(chǎn)量較高, 且含有較多的C16-C18脂肪酸, 適宜于生物柴油的制備.經(jīng)離子誘變后的蛋白核小球藻能較好地保持其優(yōu)良性能, 而經(jīng)離子誘變后的斜生柵藻隨著時(shí)間推移, 藻種性能發(fā)生了退化.
(3) 微藻可以起到很好的水質(zhì)凈化作用.尤其以蛋白核小球藻誘變株與斜生柵藻原始株的污水處理能力最佳, 可使污水中COD去除率達(dá)到80%以上, TN、TP去除率達(dá)到93%以上.其中NH4+-N的去除效果最好, 微藻培養(yǎng)結(jié)束后污水中已檢測(cè)不到.
(4) 不同藻種所最適的污水預(yù)處理方式不同.綜合考慮微藻在不同污水預(yù)處理方式下的生物質(zhì)與油脂產(chǎn)量及污水預(yù)處理的成本與可操作性, 對(duì)于耐污性能較強(qiáng)的斜生柵藻原始株, 除去粗大懸浮物后的原污水可直接用于其培養(yǎng).對(duì)于蛋白核小球藻誘變株, 經(jīng)沉淀+過濾預(yù)處理后的城市污水適宜于其培養(yǎng).
