【正文】 .......................................................... 15 不同營養(yǎng)成分對小球藻處理廢水及油脂積累的影響 ........................ 18 鈣離子對小球藻生長的影響 ................................................................ 21 鎂離子 單因素實驗 ................................................................................ 22 鐵離子單因素實驗 ................................................................................ 23 無機氮單因素實驗 ................................................................................ 24 無機磷單因素實 驗 ................................................................................ 26 無機氮無機磷 不同 濃度組合實驗 ........................................................ 28 本章小結(jié) ...................................................................................................... 30 第 4 章 微藻生產(chǎn)生物柴油初步探討 .................................................................. 31 結(jié) 論 .................................................................................................................... 32 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................ 33 致 謝 .................................................................................................................... 35 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 1 第 1 章 緒 論 課題研究背景 水污染現(xiàn)狀 21 世紀(jì)人類面臨著水資源危機，水資源短缺成為制約人類發(fā)展的主要瓶頸之一。 而水污染 更是 加劇了水危機， 據(jù)估計 ，全世界每年約有 4200 多億 m3 的污水排入江河湖海，污染了 萬億 m3 的淡水，這相當(dāng)于全球 淡水 總量的 14%以上 [1]。 水污染對人類 身體 健康造成很大危害。 在 發(fā)展中國家約有 10 億人喝不清潔水，每年約有 2500 多萬人死于飲用不潔水，全世界平均每天 有 5000 名兒童死于飲用不潔水，約 億人飲用被有機物污染的水， 3 億城市居民 面臨 著 水污染。在肝癌高發(fā)區(qū)流行病的調(diào)查表明，飲用藻茵類毒素污染的水是肝癌的主要原因 [1]。 水污染也對社會的發(fā)展造成很大的影響。 多年來，我國水資源質(zhì)量不斷下降，水環(huán)境持續(xù)惡化，由于污染所導(dǎo)致的缺水和事故不斷發(fā)生，不僅使 得 工廠停產(chǎn)、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)甚至絕收，而且造成了不良的社會影響和較大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅社會的可持續(xù)發(fā)展 [1]。 在我國 經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化 的 快速推進(jìn) ， 使得大量富含氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的生活污水、工業(yè)廢水及農(nóng)業(yè)廢水流入自然水域 ， 從而導(dǎo)致了水體的富營養(yǎng)化 。 我國七大水系和周邊海域都遭到了不同程度的污染。其中 海河、遼河、黃河、淮河及渤海等污染都相當(dāng)嚴(yán)重 ， 基本全都是由氮和磷引起的水體富營養(yǎng)化和赤潮 ； 全國超過四分之三的湖泊也出現(xiàn)了不同程度的富營養(yǎng)化 ， 尤以巢湖、滇池、太湖為重 ； 近岸海域四類、劣四類海水水質(zhì)占 30%， 超標(biāo)污染物質(zhì)主要為氮和磷。這已對生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成很大的負(fù)面影響。受技術(shù)水平 ， 短期利益使然和法制不健全因素的影響 ， 我國大多數(shù)污水都未經(jīng)嚴(yán)格處理東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 2 就被排放到公共水域里去了 ， 因此除去污水中的氮磷是修復(fù)水環(huán)境的主要課題。 污水再生利用是解決 水污染 這一問題的重要途徑，而如何經(jīng)濟(jì)有效地凈化污水成為關(guān)鍵。微藻 作為一種自然環(huán)境的凈化者，自 20 世紀(jì) 50 年代就被 Oswald等提出用于處理廢水中的無機氮磷以及金屬元素等污染物質(zhì)的去除。與傳統(tǒng)方法相比，利用藻類處理污水可以克服傳統(tǒng)污水處理方法易引起的二次污染、潛在營養(yǎng)物質(zhì)丟失、資源不能完全利用等弊端，同時能夠有效去除造成水體富營養(yǎng)化的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì) [1] [2]。 微藻凈化污水 微藻也稱單細(xì)胞藻類 , 是一種在顯微鏡下才能辨別其形態(tài)的微小的藻類類群。約占全球已知 3 萬余種藻類的 70%。藻類大多具有從水相中吸收有毒物質(zhì)或降解有機污染物的能力。微藻具有資源豐 富、種類繁多、光合效率高、生長速度快 、易無性繁殖和適應(yīng)性強的特點 , 因此可利用藻類進(jìn)行污水處理和水環(huán)境修復(fù)。 微藻在污水處理中去除氮磷的機理包括直接作用和間接作用。微藻細(xì)胞能夠 利用水體中多種無機氮和有機氮化合物作為氮源 , 利用二氧化碳和碳酸鹽作為碳源，進(jìn)行光能自養(yǎng)生長。被藻細(xì)胞吸收的硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽可以用于氨基酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的合成；水中的磷可直接被藻細(xì)胞吸收 ,并通過多種磷酸化途徑轉(zhuǎn)化成 ATP、磷脂等有機物。同時，微藻的光合作用造成水體 pH 值升高，導(dǎo)致正磷酸鹽和 NH3 H2O 分別通過形成沉淀和揮 發(fā)的形式去除，從而間接去除氮磷。此外，微藻光合作用形成高 pH 值，也可起到一定的污水凈化 作用。 因此，基于光合作用，微藻細(xì)胞可以用來去除污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，并以有機物的形式將其儲存在藻細(xì)胞中 [2]。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 3 微藻生物柴油 微藻能夠在淡水環(huán)境或海洋環(huán)境中通過光合作用快速生長，它的生物質(zhì)產(chǎn)量和細(xì)胞含油量也比陸生的油料作物要高出許多，可以達(dá)到傳統(tǒng)油料作物的幾倍乃至幾十倍之多。與一般的傳統(tǒng)油料作物相比，因為微藻的細(xì)胞結(jié)構(gòu)更簡單，可以在水生環(huán)境中懸浮生長，所以它利用光能、 CO水、礦物質(zhì)以及其它營養(yǎng)物質(zhì) 進(jìn)行生長代謝，從而它生產(chǎn)有機物的效率更高。一些微藻的油脂含量可以占其總干物質(zhì)重量的 20%40%，某些特殊的藻種在一些特定的條件下，其油脂含量甚至可以達(dá)到總生物質(zhì)干重的 75%。相關(guān)研究表明，通過養(yǎng)殖產(chǎn)油微藻，每公頃土地每年可獲得的油脂高達(dá) 15000 升，而傳統(tǒng)的油料作物如大豆等，每公頃土地每年的產(chǎn)量卻只有 150200 升。 微 藻的高生產(chǎn)效率以及高含油量表明 ：藻類在用作生產(chǎn)油脂的原料方面的潛力是巨大的。與傳統(tǒng)油料作物相比，藻類具有環(huán)境適應(yīng)能力強、生長周期短、不占用耕地、生物產(chǎn)量高等特點。因此，能源微藻生產(chǎn)油脂實現(xiàn)產(chǎn) 業(yè)化的必經(jīng)發(fā)展之路是使其能大規(guī)模、高密度的培養(yǎng)。這樣才能降低生產(chǎn)成本、提高能源微藻的生長速率。 微藻的油脂合成從微藻進(jìn)行光合作用開始，微藻的光合系統(tǒng)中存在的 PS I和 PS II 可以將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后化學(xué)能在微藻體內(nèi)經(jīng)過一系列的傳遞，最終進(jìn)入到卡爾文循環(huán)，在卡爾文循環(huán)中，一種名叫核酮糖一 1,5 一二磷酸的物質(zhì)在核酮糖一 1,5 一二磷酸梭化酶的催化作用下固定 CO2 并且生成了 3磷酸甘油酸，然后 3磷酸甘油酸會進(jìn)一步生成其他油脂。 在進(jìn)行能源微藻工業(yè)化大規(guī)模培養(yǎng)以生產(chǎn)生物柴油用時，能源微藻生長所需要的 N、 P 營養(yǎng) 鹽 以及微量元素等各種營養(yǎng)物質(zhì)成本在其總的生產(chǎn)成本中占有相當(dāng)大的比例。目前，藻類養(yǎng)殖成本過高成為制約藻類生產(chǎn)油脂技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化發(fā)展的主要瓶頸 [3]。 因此，找到合適的廉價培養(yǎng)基，降低生產(chǎn)成本，成為該技術(shù)的關(guān)鍵之一。 而每年城市生活污水的排放達(dá)到一個驚人的量，其含有豐富的營養(yǎng)鹽， 基于微藻培養(yǎng)的污水深度處理和生物柴油生產(chǎn)耦合系統(tǒng)應(yīng)運而生 [3]。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 4 污水深度處理和生物柴油生產(chǎn)耦合系統(tǒng) 基于微藻培養(yǎng)的污水深度處理和生物柴油生產(chǎn)耦合系統(tǒng)是在污水處理廠二級沉 沉池之后構(gòu)建微藻光生物反應(yīng)器，選擇高含油的脫氮除磷優(yōu)勢藻種 接種于微藻光生物反應(yīng)器，以二級出水為培養(yǎng)基培養(yǎng)微藻。由于光合放氧作用，微藻光生物反應(yīng)器的出口氣體含有濃度相對較高的 O2，可用于二級生物處理中曝氣池的曝氣；由于活性污泥中微生物的呼吸作用，曝氣池的出口氣體含有濃度相對較高的 CO2，可用于微藻光生物反應(yīng)器的曝氣（如污水處理廠附近有熱電廠，可向微藻光生物反應(yīng)器中通入熱電廠廢氣，其中的高濃度 CO2 可作為微藻生長所需的無機碳源）。在微藻光生物反應(yīng)器內(nèi)部或外部，通過膜分離截留和濃藻液回流的方式，實現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)部微藻的高密度培養(yǎng)，同時膜分離可得到低氮磷含量的清水。膜分 離得到的高密度藻液通過進(jìn)一步濃縮、提取油脂，最終可制備生物柴油 [3] [4]。 課題研究目的和意義 隨著全球化石能源短缺和環(huán)境不斷惡化問題的日益突出 ， 生物柴油作為一種可持續(xù)的綠色能源形式 ， 受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注 。 目前全球各國都在大力發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè) ， 但其最大的瓶頸在于大規(guī)模低成本可持續(xù)性油脂原料的供應(yīng) 。 微藻是一種浮游的光自養(yǎng)微生物類群 ,廣泛存在于海洋 、 湖泊 、 河流等水體環(huán)境中 ， 其中有很多藻種在特定環(huán)境條件下 ,可以積累大量的油脂產(chǎn)物 ， 用于生物柴油生產(chǎn) ， 同時由于其光合效率高 、 生長速度快 、 產(chǎn)油量高 、 吸收 CO2 作為碳源利用 、 不與民爭糧和不與糧爭地等優(yōu)勢 ， 因而具有比傳統(tǒng)油料作物更高的發(fā)展?jié)摿?。 微藻培養(yǎng)主要采用的是液體懸浮式的培養(yǎng) ， 水源 、 營養(yǎng)鹽等消耗大 ,培養(yǎng)成本過高使得微藻能源產(chǎn)品的生產(chǎn)成本過高 ， 因此發(fā)展微藻生物能源技術(shù) ， 除了通過培養(yǎng)技術(shù)突破大幅度提高微藻產(chǎn)率外 ， 解決廉價的水資源和營養(yǎng)鹽成本也是降低微藻培養(yǎng)成本的重要措施之一 。 人類社會生產(chǎn)和生活產(chǎn)生大量富含氮磷東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 5 的廢水 ， 這些廢水的無害化處理已成為環(huán)境保護(hù)的重要問題 ， 利用廢水來培養(yǎng)產(chǎn)油微藻 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)廢水深度處理與產(chǎn)油微藻培養(yǎng)藕合 ， 一舉兩得 。 本課題 研究利用城市 生活污水進(jìn)行規(guī)?；茉串a(chǎn)油微藻培養(yǎng)，同時進(jìn)行產(chǎn)油微藻對城市生活污水處理效果的研究，為工業(yè)廢水治理提供可行性的技術(shù)基礎(chǔ)。 國內(nèi)外 微藻凈化污水現(xiàn)狀 目前污水氮磷處理方法主要有物理化學(xué)法和生物法。物理化學(xué)法處理費用較高，且易產(chǎn)生二次污染，越來越多的學(xué)者關(guān)注生物處理法。廢水二級處理出水的進(jìn)一步脫氮除磷是國內(nèi)外研究的難題和熱點。傳統(tǒng)的生化二級處理除磷工藝使大量的磷從污水轉(zhuǎn)移至剩余污泥中，從根本上看，仍然不能消除磷對生態(tài)環(huán)境的影響。藻類是自養(yǎng)型生物，其生長對廢水中的營養(yǎng)要求較低。藻細(xì)胞以光能作為能源，利用氮、磷 等營養(yǎng)物質(zhì)合成復(fù)雜的有機質(zhì)。因此，藻類可降低水體中的氮、磷含量。 微藻在污水處理中去除氮磷的機理包括直接作用和間接作用。微藻細(xì)胞能利用水體中多種無機氮和有機氮化合物作為氮源 , 利用二氧化碳和碳酸鹽作為碳源，進(jìn)行光能自養(yǎng)生長。被藻細(xì)胞吸收的硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽可以用于氨基酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的合成；水中的磷可直接被藻細(xì)胞吸收 ,并通過多種磷酸化途徑轉(zhuǎn)化成 ATP、磷脂等有機物。同時，微藻的光合作用造成水體 pH值升高，導(dǎo)致正磷酸鹽和 NH3 H2O 分別通過形成沉淀和揮發(fā)的形式去除，從而間接去除氮磷。此外，微藻光合作 用形成高 pH值，也可起到一定的消毒作用。 作為一種新型的“綠色”技術(shù)，利用藻細(xì)胞去除 污水中的 氮磷主要有以下優(yōu)勢： （太陽光）充足； CO2； ； ； ，無二次污染； （如動物飼料、生 物沼氣、生物柴油等）。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 6 由于微藻的上述優(yōu)勢，加之其生長速度快，代謝迅速，對污水的凈化效率高 , 因此利用微藻凈化污水已經(jīng)成為污水處理中的重要研究方向。 20世紀(jì) 60年代， 出現(xiàn)了高速率藻塘，它通過形成藻菌共生系統(tǒng)來凈化污水。此工藝既有傳統(tǒng)氧化塘工藝投資省、運行費用低、易管理等特點，較普通氧化塘，它又能承受更高負(fù)荷的污水，塘更淺。但由于其主要依靠自然生長的藻類和半人工控制手段，藻類的生長受到許多因素的控制，處理效果的穩(wěn)定性受到影響。同時，出水中藻類難以收獲或收獲費用太高，這些都嚴(yán)重阻礙其進(jìn)一步的應(yīng)用發(fā)展。1971年， Mcgriff 等提出“活性藻”方法，把藻類和活性污泥結(jié)合起來，使藻類具有與活性污泥一樣良好的絮凝沉降性能，再采用與活性污泥相似的流程來處理污水，污水中氮的去除率達(dá) 92%，磷的去除率達(dá) 94%。但由于活性污泥的