微藻固定化培养与沼液脱氮磷的耦合机制

随着沼气工程的大规模发展，大量富营养的沼液缺乏有效的利用和转化途径。能源微藻作为一种产量高、油含量大的生物质资源在污水深度脱氮磷方面具有显著功效。二者的耦合系统将对能源与环保领域产生重大意义。然而，单细胞的微藻在培养、收获过程中含水量过高（99%以上），引发微藻生物油生产过程中能耗大、收获复杂、烘干成本高等问题。本项目欲深入研究微藻固定化培养与沼液脱氮磷的耦合机制，解决以下关键问题：1）掌握吸附式微藻固定化机理，通过对微藻菌株的筛选，藻细胞及载体的表面特性分析和环境因素分析等，探明影响微藻固定化载体吸附力的关键因素及其优化方法，提高藻细胞的载体吸附率；2）获取基于固定化培养的微藻环境适应机制，掌握影响固定化藻细胞生物质及生物油产量的关键因素及其优化方法；3）研究基于微藻固定化培养的沼液脱氮磷机制，探明影响沼液脱氮磷速度的关键因素及其优化方法，缩短基于微藻固定化培养的沼液脱氮磷周期。

本研究采用zeta电位仪、紫外分光光度计、气象色谱-质谱仪、元素分析仪等手段，分析了微藻固定化培养机理及其环境适应机制，首次发现：.1）当藻细胞的种属、大小、培养条件等因素发生变化时，细胞表面的电荷量随之发生改变，从而影响吸附的效果，通过对微绿球藻和栅藻的对比试验完善扩展的DLVO模型，得出培养液中的离子力越大则吸附效果越好，细胞直径越小吸附效果越好。 .2）对比了不同藻种在不同材料表面的固定化生物质产量和吸附率。实验发现微藻的固定化过程可以分为两个阶段：初级和次级吸附阶段。其中初级吸附可以通过扩展的DLVO理论解释，即当范德瓦尔力大于静电斥力时表现为吸附，初级吸附是一个可逆的、不稳定的阶段，主要受到微藻的形态特征和材料特性的影响。次级吸附是当微藻吸附在载体表面后藻细胞分泌具有粘性的胞外聚合物EPS与载体形成空间网状结构矩阵的阶段，次级吸附可以提高微藻生物膜的稳定性，次级吸附的效果主要取决于藻种、吸附材料和培养环境等。.3）以土生绿球藻为研究对象，玻璃钢瓦为吸附载体分析了沼液的氮浓度、pH以及培养液体积和培养周期对吸附生长效果的影响，得出结论：当培养周期为11天，总氮浓度70 mg/l，pH为8，培养液体积340ml时，最高固定化生物质产量为3.96 g/m2/day，吸附率达到90.8%。.4）分析了氮源浓度和种类对微绿球藻固定化培养生物质产率，吸附率和油含量的影响，并分析在强光照策略和氮饥饿等策略对油脂产率的影响，得出有机碳氮源甘氨酸可以提高微绿球藻的生物质生长率和吸附率，在18mM甘氨酸条件培养14天后氮饥饿2天得到生物质产量21.32 g/m2/day，吸附率86.8%，产油量4.32 g/m2/day。.5）设计了多层式微藻固定化培养生物反应器，对比了葡萄藻在不同培养液和载体中生长的区别，得出①沼液中存在的微生物有助于提高葡萄藻的吸附率和生长率；②在营养充足的条件下EPS含量不断上升，而在营养缺乏的条件下EPS可以分解为营养物质供细胞生长，促进油脂积累，简化油脂成分；③相对含量而言，EPS的成分（主要包括多糖和蛋白），对微藻的吸附效果影响更大，其中蛋白含量较高时，吸附效果更高。.上述结论证实我们的提出的“微藻固定化培养和沼液脱氮磷的耦合系统”的可行性，为微藻大规模生产和沼液的综合治理提供有效方法。