楊 婷

(泉州師范學(xué)院 應(yīng)用科技(航海)學(xué)院，福建 泉州 362000)

能源短缺與環(huán)境污染已成為制約當(dāng)前世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)生活的嚴(yán)重問(wèn)題.微藻作為可再生能源的優(yōu)良原料，常見(jiàn)的小球藻具有生長(zhǎng)速率快產(chǎn)油率高的特點(diǎn).Chisti報(bào)道微藻生物柴油是非常有希望滿足交通運(yùn)輸業(yè)能源需求的可再生能源.微藻生物油比大多數(shù)油料作物多了很多帶有四個(gè)及以上雙鍵的不飽和脂肪酸，因此微藻生物柴油是唯一在經(jīng)濟(jì)上可行可代替液體燃料的可再生能源[1].微藻固定化培養(yǎng)是通過(guò)自然或者人工的方法將活體藻細(xì)胞吸附于固定載體上，使藻體不會(huì)懸浮或者游離于其原始吸附位置的一種培養(yǎng)方式[2]將藻類(lèi)培養(yǎng)與污水處理結(jié)合起來(lái)，在使微藻產(chǎn)量最大化的同時(shí)可以有效減少?gòu)U水中可溶氮、磷濃度，而收獲的微藻生物質(zhì)還可提供生物油和其他副產(chǎn)物[3].“吸附式微藻固定化培養(yǎng)”是將濕藻種育種于由支持材料形成的生物膜層上，營(yíng)養(yǎng)鹽和水分由承載體多孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)作用吸附和擴(kuò)散傳質(zhì)給微藻供其生長(zhǎng)，是一種高效的微藻培養(yǎng)方法，并為生物油產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供了技術(shù)支持[4].

經(jīng)過(guò)數(shù)年的研究，微藻的懸浮培養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并且隨著先進(jìn)的光能利用技術(shù)在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中被引用，懸浮培養(yǎng)的光能利用率及培養(yǎng)產(chǎn)量都有了大幅的提高，但由于懸浮培養(yǎng)技術(shù)的自身缺陷(培養(yǎng)與收獲成本過(guò)高)并不能達(dá)到理論預(yù)期[5].相較懸浮培養(yǎng)，固定化培養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)，并且越來(lái)越受到研究學(xué)者的認(rèn)同[6].但還是存在營(yíng)養(yǎng)傳質(zhì)時(shí)對(duì)藻體的沖刷與吸附穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，目前此項(xiàng)研究還屬于起步階段.對(duì)于利用毛細(xì)作用原理進(jìn)行廢水營(yíng)養(yǎng)傳質(zhì)與在固定化培養(yǎng)中加入光稀釋原理的研究甚少，所以選擇以此為切入點(diǎn)進(jìn)行研究，在生產(chǎn)可再生能源的同時(shí)達(dá)到了污水治理的目的，提高生物質(zhì)產(chǎn)量的同時(shí)降低了能耗消耗，具有顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

藻種：普通小球藻(Chlorella vulgaris FACHB-1072)，藻種來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院野生生物種質(zhì)庫(kù)淡水藻種庫(kù).用于藻種育種的培養(yǎng)液為Modified Basal培養(yǎng)液，育種方法及初始培養(yǎng)條件同Shen等[7].

固定化培養(yǎng)培養(yǎng)基和載體材料：實(shí)驗(yàn)采用預(yù)處理過(guò)的禽畜出水作為培養(yǎng)基，禽畜污水來(lái)源于福州市上街鎮(zhèn)溪源宮養(yǎng)豬場(chǎng).將獲取的出水過(guò)濾并按一定比例稀釋后以備使用.預(yù)處理后養(yǎng)殖廢水的基本性質(zhì)為：褐色，pH 7，TN濃度為262±5.86 mg/L，TP濃度為11.4±0.0.25 mg/L.承載體選用親水材料氨綸.骨架材料選取了高聚合物材料聚丙烯(Polypropylene)作為骨架部分的材料，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均裁剪為10 cm×50 cm的規(guī)格.

試劑：所用試劑均為分析純.

培養(yǎng)系統(tǒng)反應(yīng)器裝置：基于毛細(xì)作用的微藻固定化復(fù)合載體培養(yǎng)系統(tǒng)如圖1，該反應(yīng)器的主要組成部分包括：培養(yǎng)單元、光源供給系統(tǒng)、CO2發(fā)生及供給裝置系統(tǒng)、流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與通氣道.培養(yǎng)單元中復(fù)合載體培養(yǎng)單元三維示意圖如圖2所示.骨架豎直支撐于儲(chǔ)液槽上方，并且骨架底部部分區(qū)域(豎直高度3～5 cm)浸沒(méi)于培養(yǎng)液中，主要作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入端，通過(guò)親水材料承載體的毛細(xì)作用及承載體非浸沒(méi)區(qū)域液體的蒸騰作用在豎直方向建立壓力差作為驅(qū)動(dòng)力，使得培養(yǎng)液在承載體的毛細(xì)管間隙中自下而上的運(yùn)動(dòng)為微藻生長(zhǎng)提供必要的養(yǎng)分.本實(shí)驗(yàn)中所采用的CO2供給系統(tǒng)由CO2氣瓶、空氣壓縮機(jī)、氣體流量計(jì)、CO2濃度傳感器和通氣管道等組成.結(jié)合培養(yǎng)區(qū)域空間大小及在培養(yǎng)環(huán)境中所需的CO2濃度，通過(guò)調(diào)整CO2氣瓶及空氣壓縮機(jī)的壓力及流量，形成具有一定壓力和所需濃度的CO2混合氣，CO2濃度由濃度傳感器監(jiān)測(cè)，并由氣體流量計(jì)控制各個(gè)培養(yǎng)單元的氣體流量，由于CO2密度較空氣大，將進(jìn)氣管道的輸出端布置于培養(yǎng)區(qū)域的上部.CO2供給裝置與培養(yǎng)單元組成統(tǒng)一的整體.各培養(yǎng)單元之間用PVC薄膜隔開(kāi)，整體為半開(kāi)放式.由頂置36 W射燈作為人造光源，可調(diào)整培養(yǎng)載體每側(cè)光照強(qiáng)度在0～350 μmol/m2/s之間.本實(shí)驗(yàn)裝置將提供微藻生長(zhǎng)所需空間的承載體蛇形纏繞于固體骨架材料表面，組成復(fù)合載體，這在一定程度上擴(kuò)大了微藻培養(yǎng)載體面積，不同面積的承載體纏繞于固定尺寸的骨架上，即產(chǎn)生了不同光稀釋率的培養(yǎng)單元，如圖2所示.

圖1 基于毛細(xì)作用的微藻固定化復(fù)合載體培養(yǎng)系統(tǒng)

圖2 培養(yǎng)面積擴(kuò)大方式

(1)

(2)

其中：Rl為培養(yǎng)單元光稀釋率；RAD為光稀釋面積比率即光能有效利用面積與投影面積比率；Ac為培養(yǎng)微藻載體面積；Al為培養(yǎng)單元接收到入射光投影面積；AR骨架面積，n1(2)為培養(yǎng)單元載體片數(shù)；L1復(fù)合載體長(zhǎng)度，W1(0.05 m)復(fù)合載體寬度；L2(0.1 m)投影面積長(zhǎng)度；W2投影面積寬度(0.06 m)；L3(0.5 m)骨架長(zhǎng)度；W3(0.1 m)骨架寬度.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)產(chǎn)油微藻Chlorella vulgaris FACHB-1072固定化培養(yǎng)過(guò)程及本反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)以微藻在培養(yǎng)周期內(nèi)的生物質(zhì)產(chǎn)率為響應(yīng)目標(biāo)，選取培養(yǎng)周期(h)、CO2流量(L/min)、光稀釋面積比率RAD為研究因素，采用曲面響應(yīng)法(Response surface methodology,RSM)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究不同反應(yīng)條件對(duì)目標(biāo)參數(shù)的協(xié)同作用，并進(jìn)行目標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算.三因素水平分別選取為24～216 h、0～0.06 L/min、1.1-1.5進(jìn)行優(yōu)化分析：利用中心組合設(shè)計(jì)(Central Composite Design,CCD)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出二階響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，用來(lái)確定最優(yōu)生物質(zhì)產(chǎn)率實(shí)驗(yàn)條件；最終進(jìn)行最優(yōu)培養(yǎng)條件的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).

表1 各因素水平表

1.3 實(shí)驗(yàn)具體過(guò)程

利用如圖1所示基于毛細(xì)作用的微藻固定化復(fù)合載體培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行5種培養(yǎng)周期(24 h；63 h；120 h；177 h；216 h)、5種CO2流量(0 L/min；0.012 L/min；0.03 L/min；0.048 L/min；0.06 L/min)與5種光稀釋面積比率RAD(1.1；1.18；1.3；1.42；1.5)的交叉培養(yǎng).將微藻均勻接種于具有不同光稀釋面積比率的復(fù)合載體表面，接種密度為15 g/m2，實(shí)驗(yàn)光照條件為反應(yīng)器桁架頂部36 W白色射燈光源平行載體表面照射，環(huán)境溫度為26±3 ℃，在各個(gè)載體表面通入1%濃度不同流速的CO2混合氣.光照與通氣均為24 h不間斷進(jìn)行.培養(yǎng)初期儲(chǔ)液槽中各加入400 mL處理過(guò)的養(yǎng)殖廢水作為培養(yǎng)基，培養(yǎng)基TN濃度(262)mg/L，TP濃度(11.4)mg/L.為了補(bǔ)償每日的營(yíng)養(yǎng)供給及蒸發(fā)消耗，后續(xù)每天兩次(上午8點(diǎn)與下午20點(diǎn))為其補(bǔ)充蒸餾水至400 mL體積刻度處.以此來(lái)探究在額定的光能投影面積條件下，通過(guò)改變培養(yǎng)單元的光稀釋率、培養(yǎng)周期及不同的CO2流速，以確定最佳的培養(yǎng)參數(shù)設(shè)置，具體實(shí)驗(yàn)分組如表2所示.

表2 中心組合設(shè)計(jì)與結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)產(chǎn)率為響應(yīng)指標(biāo)的響應(yīng)面模型建立與顯著性檢驗(yàn)

以生物質(zhì)產(chǎn)率為響應(yīng)指標(biāo)的響應(yīng)模型的方差分析(ANOVA)結(jié)果如表3所示.該模型Prob(P)>F值小于0.001，表明該模型極顯著.失擬項(xiàng)F值為0.35，Prob(P)>F值為0.860 8大于0.05，失擬項(xiàng)不顯著，故該模型設(shè)計(jì)可靠度高.在回歸方程模型中，一次項(xiàng)A、C及所有二次項(xiàng)均極為顯著，而交互項(xiàng)AB顯著，交互項(xiàng)AC、BC作用不顯著.三個(gè)因素對(duì)微藻生物質(zhì)產(chǎn)率的顯著性依次為A>C>B，即培養(yǎng)周期>光稀釋面積比率RAD>CO2流速.

表3 二次多項(xiàng)模型及其各項(xiàng)對(duì)生物質(zhì)產(chǎn)率的方差分析

經(jīng)過(guò)多元回歸二次擬合分析，得到生物質(zhì)產(chǎn)率Y對(duì)培養(yǎng)周期A、CO2流量B、光稀釋面積比率C的二次多項(xiàng)式回歸方程為：

Y=33.87+1.42A+0.68B+1.05C+0.61AB-0.25AC+0.11BC-5.30A2-6.05B2-2.89C2

(3)

2.2 生物質(zhì)產(chǎn)率為響應(yīng)指標(biāo)的響應(yīng)曲面圖分析

培養(yǎng)周期(A)、CO2流速(B)和光稀釋面積比率RAD(C)對(duì)生物質(zhì)產(chǎn)率的響應(yīng)曲面圖及等高線圖如圖3所示.

(a)A、B對(duì)產(chǎn)率響應(yīng)圖

由圖3(b)小圖可知，當(dāng)CO2流速保持在0.03 L/min，隨著培養(yǎng)周期從63 h增加到120 h，生物質(zhì)產(chǎn)率由27 g/m2/day提高至34.87 g/m2/day左右，隨著培養(yǎng)周期的持續(xù)增加，生物質(zhì)產(chǎn)率開(kāi)始下降，這是因?yàn)殡S著生物質(zhì)產(chǎn)率的增高，生物膜的厚度也隨之增加，而當(dāng)厚度超過(guò)一定值時(shí)，處于生物膜底層的藻細(xì)胞被新生長(zhǎng)的表層生物膜覆蓋，無(wú)法正常接受生長(zhǎng)所必需的光照及二氧化碳而生長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)衰減或者死亡現(xiàn)象，這表明在本光生物反應(yīng)器中，過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短的培養(yǎng)時(shí)間均不利于微藻生物質(zhì)產(chǎn)率達(dá)到較高水平.由圖3中(d)小圖可知當(dāng)光稀釋面積比率RAD在1.24～1.36之間時(shí)，隨著培養(yǎng)周期的增加，生物質(zhì)產(chǎn)率由26 g/m2/day提高至34 g/m2/day左右，而后隨著周期的繼續(xù)增加產(chǎn)率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).故可得出培養(yǎng)周期對(duì)產(chǎn)率的影響極其顯著，并在120 h左右達(dá)到最大值.分析小圖(d)和(f)發(fā)現(xiàn)，保持其他因素不變，光稀釋面積比率RAD對(duì)產(chǎn)率的影響也較為明顯：當(dāng)固定培養(yǎng)周期在120 h時(shí)，光稀釋面積比率RAD從1.18擴(kuò)大到1.36時(shí)，生物質(zhì)產(chǎn)率從30 g/m2/day提高至34 g/m2/day左右，而隨著光稀釋面積比率RAD的繼續(xù)擴(kuò)大，生物質(zhì)產(chǎn)率開(kāi)始下降，這是因?yàn)樵谌肷涔鈴?qiáng)及分布相等的情況下，不同培養(yǎng)單元改變光稀釋比后，可以等價(jià)于改變了單位面積的光照強(qiáng)度.光照強(qiáng)度的不同對(duì)微藻生長(zhǎng)有著顯著的影響，Boussiba等進(jìn)行了光照強(qiáng)度0～2 000 μmol/m2/s范圍內(nèi)對(duì)微藻生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著光照強(qiáng)度的增加，微藻的生物質(zhì)產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后減少規(guī)律.其次，在骨架表面積不變的情況下，合理擴(kuò)大培養(yǎng)載體表面積，在一定程度上提高了同樣培養(yǎng)單元內(nèi)的微藻固定化生長(zhǎng)面積，而選用具有一定透光性的氨綸作為載體材料，使其少量的載體重疊部分也能吸收一定的光能，使得生物質(zhì)產(chǎn)率有所提高的同時(shí)也增加了培養(yǎng)單元的光能利用率.

2.3 優(yōu)化固定化培養(yǎng)條件驗(yàn)證

綜合考慮生物質(zhì)產(chǎn)率及廢水中氮去除率兩個(gè)指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)可行性等因素，得到最優(yōu)組合條件為培養(yǎng)周期取124.86 h，CO2流速取0.04 L/min，光稀釋面積比率RAD取1.33，最大生物質(zhì)產(chǎn)率及TN去除率可分別達(dá)到33.65 g/m2/d,94.896%.經(jīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到小球藻生物質(zhì)產(chǎn)率為34.81 g/m2/day，TN去除率為95.64%，與模型預(yù)測(cè)值無(wú)顯著性差異，說(shuō)明該模型能夠較好地預(yù)測(cè)實(shí)際小球藻在此反應(yīng)器的生長(zhǎng)及TN去除情況.

表4 響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

采用頂部直射光源設(shè)計(jì)，結(jié)合反應(yīng)器自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用中心組合設(shè)計(jì)確定最佳實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，對(duì)模型進(jìn)行方差分析得響應(yīng)值生物質(zhì)產(chǎn)率Y與所考察的因素之間的線性關(guān)系顯著，三種因素的影響依次為：培養(yǎng)周期、光稀釋面積比率RAD、CO2流速.對(duì)模型進(jìn)行方差分析得響應(yīng)值與所考察因素之間線性關(guān)系顯著，模型能夠很好地預(yù)測(cè)響應(yīng)值，得到固定化培養(yǎng)微藻及廢水除氮最佳培養(yǎng)參數(shù)：培養(yǎng)周期124.86 h，CO2流速0.04 L/min，光稀釋面積比率RAD為1.33，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到小球藻生物質(zhì)產(chǎn)率為34.81 g/m2/d，TN去除率為95.64%，與模型預(yù)測(cè)值無(wú)顯著性差異，說(shuō)明該模型能夠較好地預(yù)測(cè)實(shí)際小球藻在此反應(yīng)器的生長(zhǎng)及TN去除情況.