废水培养藻类在可再生资源生产中的应用:检验及初步结果外文翻译资料

 2022-09-15 02:09

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废水培养藻类在可再生资源生产中的应用:检验及初步结果

Omatoyo K Dalrymple1*, Trina Halfhide1 , Innocent Udom2 , Benjamin Gilles2 , John Wolan2 , Qiong Zhang1 and Sarina Ergas1*

摘要

微藻原料的生产可以固定废水和工业来源的二氧化碳。本文综述了关于藻类在废水中生长繁殖的相关文献,包括Howard F对厌氧消化污泥分离液中藻类生产的初步分析。卡伦牌高级污水处理厂(HFC AWTP)在佛罗里达州坦帕市,并且莱克兰城二次废水的污水处理设施在佛罗里达州莱克兰城。它表明,混合培养的野生藻类物种可以成功依靠废水中的营养物质生长,并有可能扩展到商业生产。藻类已经证明其有能力快速有效地处理莱克兰城湿地处理系统产生的低营养废水。实验结果表明,在HFC AWTP的高浓度废水中,藻类的生长繁殖是受到光限制的,当培养室内户外照明超过50%时,温室内藻类的生长减弱。分析表明弗罗里达州两个城市的废水营养物质可以支持大量藻类的生长繁殖。这项研究是在南佛罗里达州大学进行的,由光生物反应器中生长的藻类的生长及生产率数据指导。在分析中,认为营养物质和光是有限的,而二氧化碳是充足的。由于HFC AWTP位于坦帕湾,导致在陆地方面有一定的局限性。假定一年四季坦帕的温度范围都适合藻类生长,为实现商业规模的藻类生产的众多技术均可实现,实验结果表明,每公顷每年可生产超过71吨藻类。目前有两个能源生产方案被提出:一是利用从高脂质含量的藻类原料中提取的液体生物能源,二是利用藻类厌氧消化产生的沼气。潜在的石油总量大约为337500加仑/年,若假设转换效率为80%,那么生物柴油的年产量为270000加仑,大约能够供应平均450辆车一年的燃油。潜在的沼气产量估计为415000公斤/年以上,相当于500个家庭接近一年的使用量。

1.前言

美国(美国)对石油消耗进口57%。在所有部门中,运输占所有石油消费量的72%。随着能源消耗的增加,美国对外国石油的依赖也将增加,并与快速增长的经济体,如中国,印度和巴西的能源需求进行了激烈的竞争。这将对全球石油生产产生巨大的压力,还可能降低能源安全。此外,化石燃料的广泛和持续使用是大气中温室气体增加的主要原因,这可能有助于全球气候变化。这些挑战引发了对替代能源的追求,将其作为可行的替代品来减少对化石燃料的依赖,提高环境可持续性。在众多的选择中,微藻作为生物燃料的生产来源受到了极大的关注。从太平洋西北国家实验室的模型估计,藻类生物燃料(特别是生物柴油)有可能满足多达17%的运输燃料需求。每单位面积微藻的产油量远远超过其他油料作物2至3个数量级,如玉米,大豆,椰子和棕榈油。此外,它们不竞争的耕地,且可以在合适的气候全年生产。它们也能比传统作物生长得快得多(倍增时间可快达24小时),并有可能更迅速地从不利影响中恢复过来。

藻类的大规模商业化生产,其成本可能要比传统的作物生产更高。藻类培养需要大量的能源和水,并使用厂区外生成的二氧化碳。一个能源密集型的过程,例如,藻类生物量的收获,它可以占到生产总成本的30%。幸运的是,藻类可以根据物种选择生长在淡水和海水中,但营养费用可能是很高。藻类生长的主要营养要求是氮、磷和一些包括钾在内的微量元素。藻类吸收这些营养物质和二氧化碳,通过光合作用产生生物量。各种组合的肥料都可能使用,包括常见的大田作物氮磷钾肥料,但相关的成本有时会超过最后的藻类产品的价值。

对藻类生物燃料来说,为实现其全部潜力,投入到藻类养殖的原料必须是廉价且允许经济大规模生产的。市政、工业和农业废水是实用且便宜的营养来源。脱氮除磷是污水处理的一个重要方面,因为富营养化流排入自然水体可以导致水体富营养化。此外,滤清液(厌氧消化过程后的富营养污水流)一般会作为污水处理工艺的源头回收,由于磷的积累,处理成本会增加并且影响整个处理过程。由于藻类在废水中生长,一个可能的协同解决方案是共置和整合藻类生产与富营养废水处理以及电厂烟气中的二氧化碳的使用。这种方法本质上降低藻类的生产成本,同时防止富营养化和减少二氧化碳排放量。

佛罗里达州,特别是坦帕湾地区,已被确定为藻类原料和生物燃料生产的理想位置,因为它接收大量的阳光,并且相比于这个国家的其他地区而言,其季节蒸发损失相对均衡。后者对开放池培养系统特别重要,其主要通过蒸发损失大量的水。在这项研究中,我们重新评估了废水在藻类生产方面的使用,特别是可再生能源发电方向。对废水中生产藻原料的潜力进行初步评估,提出了2个坦帕湾的城市,包括坦帕市和莱克兰城。所有坦帕市的废水都在HFCAWTP污水处理厂处理。HFCAWTP设计平均每日流量为9600万加仑/天,采用高纯度氧气曝气,通过硝化和反硝化作用去除生化需氧量(BOD)。莱克兰城的市政废水由两个传统的污水处理厂处理,二级出水排放到一个1400英亩的湿地处理系统(WTS)以达到允许的营养减少的水平。排放至湿地的平均每日流量为520万加仑/天。WTS是由一系列工程排放结构连接而成的湿地细胞组成。WTS的出水排放到Alafia River。WTS中生长着大量的淡水藻类。

大部分提供给海湾地区的电力来自坦帕电气公司(TEC),其中有一个发电厂位于莱克兰WTS南部约15英里,另一厂在HFC AWTP对面。这两个电厂每年共排放约550万公吨的二氧化碳。此外,为了减少对稀缺的淡水资源的负担,TEC与莱克兰城在2009年达成了再生水协议,该协议允许TEC从2012年年底开始使用WTS的再生污水。TEC将安装一个水处理系统,确保出水达到循环冷却水标准。

这些设施的位置提供了一个可行的机会去探索利用废水和工业二氧化碳的藻类原料生产的协同作用。研究人员做了一个初步的评估,以确定可以产生的藻类原料的数量。该分析的依据是在封闭的实验室规模的反应器中藻类的生长的实验工作,目的是评估藻类生长速率、养分吸收和利用HFC AWTP和湖区WTS的厌氧消化分离液的油脂产量。

2.实验方法

2.1接种物的收集与富集

野生型藻从坦帕的HFC AWTP的二沉池中收获。样品转移到1L的烧瓶中,在310mu;mol m-2s-1的人工光照条件下按照18小时明/暗循环的充气培养,气体中含2%的CO2。从相同设施的厌氧消化污泥分离液用滤布去除悬浮物后作为富集培养的培养基,没有营养补充。接种物接种时的生物量以总悬浮固体(TSS)计,取5mL藻类悬浮液按标准方法分析,干重为2 g/L-1。佛罗里达大学环境生物技术实验室进行了样品分析,确定主要藻种为小球藻、栅藻。

2.2光生物反应器的设置和操作

藻类培养装置为三管聚乙烯反应器(从挪威生命科学大学获得),被安置在南佛罗里达州大学植物园的一个温室中。图1显示了该生物反应器的安装程序,该反应器于2011年二月开始运行。反应器高237.13cm,直径12.32cm,每管体积为7L。使用粗气泡扩散器将含2%CO2的空气扩散至反应器,为光合自养生长提供无机碳并起混合作用。气体流量保持在0.5升min-1。该反应器在半连续操作的基础上,平均细胞停留时间为7天。

每天向反应器中加入1 L从HFC AWTP收集的离心分离液。在添加之前,对浓缩液的营养含量进行分析。数据记录器(onsetw HOBO U12)每15分钟记录一次辐照度、环境温度、培养温度和相对湿度。

1L的间歇式反应器用于处理莱克兰城WTS的湿地水。WTS含有外来藻类,经GreenWater CyanoLab (Palatka, FL) 分析后,确定包括硅藻、绿藻和蓝藻组。用类似塑料反应器的方式将含2%CO2的空气通入反应器。通过向反应器中半连续添加50 ml 22.5 mg·L-1 K2HPO4和60.71mg·L-1NaNO3,使培养基维持在低营养状态。反应器运行3周。类似的营养分析进行了先前描述。研究中所用的所有营养物质由Sigma Aldrich (St. Louis, MO)提供。

2.3预处理及废水特性

厌氧消化污泥分离液每周收集一次,并用过滤织物去除粗生物固体。测定总氮(TN)、氨和总磷(TP)的含量。为了避免分离液营养含量很低时生物的死亡,向饲料中添加(NH42SO4,使TN浓度保持在200–250 mg ·L-1。表1为分离液中各营养物质的含量。

2.4生物量及和营养含量监测

每天测定TSS和pH值。每周按标准方法分析营养物的去除率,包括TN、氨(NH3)、硝酸盐(NO3minus;)、TP和化学需氧量(COD)[ 17 ]。5mL悬浮藻液过滤后在烘箱烘干24小时,其干重为TSS。

2.5脂质含量分析

藻类脂质含量按照Bligh和Dryer的方法[ 18 ]测定。藻类悬浮液的样品于3800 转/分的转速下离心10分钟获得浓藻浆。浆液的干重(Wd)是藻液在60℃下干燥之后用重量法测定的。2 mL藻液样品与4 mL2:1的氯仿/甲醇溶液混合在玻璃容器中,悬浮液静置24个小时。此后,加入1 mL氯仿,并将溶液搅拌混合1分钟,然后加入2毫升的水,再搅拌混合2 min。在2000转/分的转速下离心10分钟,溶液分层。下层采用玻璃注射器提取,用沃特曼1号滤纸过滤到先前称重过的玻璃容器中,容器重量计为W1。溶剂在98℃水浴中干燥后再次称量容器的重量,计为W2。按公式1计算得到样品的脂肪含量。

(1)

3.实验结果

3.1光照条件

实验时间2011年的夏天,从5月7日到9月30日。实验是在位于弗洛里达州坦帕市的南佛罗里达州大学的温室条件下进行的。蒸发冷却系统保持温室内每日最高环境温度在40℃以下。图2显示了培育期的瞬时PAR和日常综合日照。日平均日照在夏季初最高(五月~七月),平均12 mol-photons· m-2 ·d-1。培养后期(八月~九月),日平均日照跌至10mol-photons· m-2 ·d-1。每日峰值瞬时PAR约为600mu;mol-photons· m-2 ·d-1

3.2温度和pH

实验期间的培养温度如图3所示。平均培养温度为29.2°C,日最高气温仍保持在40°C以下,昼夜温差变化平均为13°C.。PH值的变化如图4所示,通常在6~9之间变化,在20到30天之间,有一次特例,pH值超过9。

3.3生物量增长与生产率

在光生物反应器中微藻生物量的增长情况如图5所示。现存生物量浓度(干重)在运行的第一个80天为0.75g/L。空气扩散器在第80天时被替换,改进了混合效果,并且相关的现存生物量增加一倍。稳定状态的生物量浓度(干重)仍低于2g/L。光生物反应器单位面积产量计为P(干重,g·m-2·d-1),表面照射面积计为A(m2),根据方程2计算P。

(2)

式中:Q——每日流量(L·d-1

C——藻类生物量浓度(干重,g·L-1

在前80天,平均生产速率为2.5g·m-2·d-1(干重),后45天增加到4.5g·m-2·d-1(干重)。最大持续生产速率为7 g·m-2·d-1(干重),持续时间为一周。培养莱克兰城WTS藻类的间歇式反应器的单位面积产量(干重)约为0.5g·m-2·d-1(数据未显示)。对于管式反应器,最活跃的生长期在空气扩散器被取代之后,发生在第87至100天。

3.4营养物质的吸收率

各营养成分所占的比例如图6所示。营养物质的吸收率由过滤和未过滤的样品之间的差值决定。后者在分析前需稀释。经测定,总氮的吸收率低于60%,氨的吸收率为72%,磷去除率大于85%。

3.5脂质含量

相比于莱克兰城WTS藻体中藻类65%的油脂含量,高浓度浓缩液中生长的藻类脂肪含量很低,小于10%。

4.讨论

4.1利用废水资源生产藻类的潜力

这项研究对利用废水作为培养基培养藻类的潜力进行了评估。包括栅藻和小球藻在内的藻体在HFC AWTP的厌氧污泥分离液中都生长良好。磷和氨的吸收率相对较高。总氮的吸收率则低得多,因为有机氮最有可能不被藻体同化吸收。整个培养期的平均生产率为3.3plusmn;1.5g·m-2·d-1(干重),这与沃尔茨等人[ 19 ]的结果相似,他们报道小球藻在废水中培养的生物量产率为3g·m-2·d-1 剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


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