海洋微藻的加壓氣浮采收工藝研究

李秀辰牟晨曉母剛李豐

(大連海洋大學遼寧省漁業(yè)裝備工程技術研究中心,遼寧大連116023)

海洋微藻的加壓氣浮采收工藝研究

李秀辰,牟晨曉,母剛,李豐

(大連海洋大學遼寧省漁業(yè)裝備工程技術研究中心,遼寧大連116023)

對小球藻Chlorococcumsp.和金藻Dicrateriazhanjiannsis的回流式、氣液加壓氣浮采收工藝進行了研究,通過單因子和綜合因子試驗,探討了微藻液位高度、藻液流量、溶氣壓力和氣體流量對微藻采收效果的影響。結果表明:微藻液位高度對小球藻和金藻采收效果的影響最顯著;當微藻液位高度、藻液流量、溶氣壓力或氣體流量分別為1.2m、400 L/h、0.6 MPa或120 L/h時,微藻可獲得較好的采收效果;小球藻Ⅰ、小球藻Ⅱ和金藻的最大采收率分別為60.3%、68.1%和65.4%。試驗結果顯示,在不改變藻液pH值和不添加絮凝劑的條件下,利用回流式、連續(xù)加壓氣浮技術對微藻進行采收,采收效果優(yōu)于傳統(tǒng)氣浮采收。

海洋微藻;采收;溶氣氣浮;回流

海洋微藻不僅是重要的海產動物餌料及食品、工業(yè)原料,而且已被列為第三代可再生能源和環(huán)境增值能源開發(fā)的重要原料[1-4]。由于微藻細胞小、濃度低[5],無論作為水產餌料還是作為生物質原料,一般需要進行濃縮分離[5-6]。采用離心、化學(生物)絮凝、超聲波或膜技術等均可實現(xiàn)微藻濃縮,但上述方法存在著成本高、微藻產品被污染或膜件堵塞等突出問題[6-11]。利用氣浮技術分離水體中的微型固體顆粒 (＜30μm),在工農業(yè)生產和污水處理中已得到廣泛應用[12-13]。近年來,已有利用氣浮技術采收微藻的研究報道[14-15]。 Wiley等[16]將空壓機制備的超飽和溶氣水與氧化塘小球藻Chlorella和柵藻Scenedesmu藻液混合,進行氣浮濃縮小規(guī)模試驗研究,發(fā)現(xiàn)添加一定量的絮凝劑(C-FLOC 60),微藻的氣浮采收率達76.7% ～84.9%;曾文爐等[17]將空壓機制備的溶氣水與鈍頂螺旋藻Spirulinaplayensis藻液混合,進行氣浮采收小規(guī)模試驗,發(fā)現(xiàn)添加絮凝劑、調節(jié)pH值和提高溶氣壓力,微藻的氣浮采收率可達25%～45%,能耗為離心分離的40% ～65%;崔景芹等[18]利用氮氣瓶提供氣源,對鹽藻Dunalillasalina進行氣浮采收小規(guī)模試驗,發(fā)現(xiàn)將藻液pH值提高到10.5～11.5時,采收率在80%以上;高莉麗等[19-20]將空壓機制備的溶氣水分別與小球藻和紫球藻Prophyridiumcruentum藻液混合,進行氣浮濃縮小規(guī)模試驗,通過調節(jié)pH值、調控溶氣時間和溶氣水流量等,微藻細胞的采收率在90%以上。雖然目前對微藻的氣浮采收已獲得較高的采收率,但多是在與氣浮絮凝聯(lián)合作用或通過改變藻液的pH值來實現(xiàn)的,絮凝劑的添加和pH值的改變不僅會造成微藻產品的污染和微藻細胞活力的下降,還會增加采收和后續(xù)加工的成本[5,21];此外,目前微藻的氣浮采收主要是利用空壓機或高壓氣瓶制備溶氣水,再與藻液混合進行氣浮分離,不僅增加了附屬設備投資,而且溶氣水還會稀釋藻液,降低藻液的濃縮效率[16]。本研究中,作者擬采用回流式、連續(xù)加壓溶氣氣浮工藝,對海洋微藻進行氣浮濃縮試驗研究,探討在不添加絮凝劑和不調節(jié)藻液pH值的條件下,海洋微藻氣浮采收的可行性及效率,確定海洋微藻氣浮采收的合理工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用海水小球藻Chlorococcumsp.和湛江叉鞭金藻Dicrateriazhanjiannsis(簡稱為金藻)藻液均購自大連匯新鈦設備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 加壓氣浮采收系統(tǒng)工作原理 連續(xù)加壓溶氣氣浮試驗系統(tǒng)主要由型號為2 0 NPD 0 4 Z的尼可尼泵、壓力溶氣罐(Φ200 mm×430 mm,0～0.6 MPa)、釋氣裝置、氣液接觸器(Φ240 mm× 1 600 mm)和泡沫收集器等組成(圖1)。采用尼可尼氣液混合泵,可實現(xiàn)同時吸入藻液和空氣,并且產生微米級氣泡,克服了傳統(tǒng)的溶氣氣浮裝置體積大、能耗高、釋氣氣泡過大和藻液被溶氣水稀釋等弊端。

加壓氣浮采收系統(tǒng)工作時,微藻原液和空氣同時由尼可尼泵吸入,在溶氣罐內混合增壓,混合液由氣液接觸器底部進入釋氣裝置進行減壓釋放,所產生的大量微氣泡在上升過程中不斷黏附微藻顆粒,并將微藻顆粒載至氣液接觸器液面上部的收集槽;采收后的藻液由接觸器底部排出,再次由尼可尼泵吸入進行氣浮濃縮,每次試驗持續(xù)15～20 min。

圖1 加壓氣浮采收系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of dissolved air flotation system

1.2.2 微藻采收試驗 選用小球藻Ⅰ (密度為68萬個/mL)、小球藻Ⅱ (密度為390萬個/mL)和金藻 (密度為184萬個/mL)培養(yǎng)液進行氣浮采收試驗,試驗溫度為 (20±2)℃。首先選取微藻液位高度、藻液流量、溶氣壓力和氣體流量進行單因子試驗,然后根據(jù)單因子試驗結果,進行綜合因子的正交試驗。

1.2.3 測定方法 每次試驗開始前和系統(tǒng)運行15 min后,分別在原藻液、濃縮液中各取3個平行樣,測定藻液濁度和單位體積的微藻細胞個數(shù),取其平均值進行氣浮采收效果評價。

采用TSZ-400B臺式智能散光濁度儀測定藻液濁度;采用Motic B1生物光學顯微鏡及血球計數(shù)板方法測定微藻細胞個數(shù),試驗所用的血球計數(shù)板規(guī)格為25×16。微藻液濃縮倍數(shù)和細胞采收率計算公式為

B=Tse/Tsi,R= (Nse-Nsi)/Nse,

其中:B為微藻濃縮倍數(shù) (倍);Tsi、Tse分別為微藻原液和微藻濃縮液的濁度 (NTU);R為微藻采收率 (%);Nsi、Nse分別為微藻原液和微藻濃縮液的密度 (萬個/mL)。

2 結果與分析

2.1 微藻液位高度對微藻氣浮采收效果的影響

在藻液流量為400 L/h,溶氣壓力為0.4 MPa的試驗條件下,液位高度對小球藻和金藻氣浮采收效果的影響試驗結果見圖2。從圖2可見:當微藻液位高度為0.6～1.0 m時,隨著液位高度的增加,微藻的采收率隨之升高,當微藻液位高度為1.0 m時,小球藻Ⅰ、小球藻Ⅱ和金藻的采收率均達到最大,分別為60.3%、55.0%和47.8%。當液位高度超過1.0 m時,微藻采收率呈下降趨勢,其中小球藻Ⅰ的采收率降幅最大,微藻液位高度為1.2 m時,小球藻Ⅰ的采收率降至7.4%;微藻液位高度為1.4 m時,小球藻Ⅱ的采收率降至41.6%。當微藻液位高度由0.6 m升到1.0 m時,小球藻Ⅱ和金藻的濃縮倍數(shù)增至最大,分別為1.63和1.46;當液位高度超過1.0 m時,兩種藻液的濃縮倍數(shù)開始下降,當液位高度為1.2 m時,小球藻Ⅱ和金藻的濃縮倍數(shù)分別降至1.52和1.37;在試驗液位范圍內,小球藻Ⅰ的濃縮倍數(shù)變化不大 (1.01～1.06)?？梢?由于小球藻Ⅰ的濃度較低,其氣浮采收效果不穩(wěn)定;當液位高度保持在0.8～1.2 m時,小球藻Ⅱ和金藻的采收效果比較理想。

圖2 液位高度對微藻采收效果的影響Fig.2 Effects of liquid height on harvesting efficiency of algaem icroalgae

2.2 藻液流量對微藻采收效果的影響

在微藻液位高度為1.0 m,溶氣壓力為0.4 MPa的試驗條件下,藻液流量對小球藻和金藻氣浮采收效果的影響試驗結果見圖3。從圖3可見:當藻液流量由200 L/h提高到400 L/h時,微藻的采收率明顯增加,當藻液流量為400 L/h時,小球藻Ⅰ、小球藻Ⅱ和金藻的采收率均達到最大,分別為41.5%、63.2%和50.0%;繼續(xù)增加流量,微藻的采收率呈下降趨勢,當藻液流量為500 L/h時,小球藻Ⅰ、小球藻Ⅱ和金藻的采收率分別降至24.6%、49.0%和35.7%。小球藻Ⅱ和金藻濃縮倍數(shù)的變化與采收率的變化基本一致,當藻液流量由200 L/h提高到400 L/h時,兩種藻液的濃縮倍數(shù)增至最大,分別為1.41和1.66,繼續(xù)增加流量,濃縮倍數(shù)呈下降趨勢;由于小球藻Ⅰ的濃度較低,其濃縮倍數(shù)變化不顯著 (1.06～1.14)。可見,當藻液流量保持在200～600 L/h時,小球藻Ⅱ和金藻的采收效果比較理想。

圖3 藻液流量對微藻采收效果的影響Fig.3 Effects of liquid flow rate on harvesting efficiency ofm icroalgae

2.3 溶氣壓力對微藻采收效果的影響

在微藻液位高度為1.0 m,流量為400 L/h的試驗條件下,溶氣壓力對小球藻Ⅱ和金藻氣浮采收效果的影響試驗結果見圖4。從圖4可見:當溶氣壓力由0.2 MPa升至0.4 MPa時,小球藻Ⅱ的采收率明顯增加,并且達到最大 (58.4%),繼續(xù)增加溶氣壓力,小球藻Ⅱ的采收率呈緩慢下降趨勢,當溶氣壓力為0.6 MPa時,其采收率降至54.4%;當溶氣壓力由0.4 MPa升至0.5 MPa時,金藻的采收率由53.4%增至54.9%,當溶氣壓力為 0.6 MPa時,其采收率降至50.1%。當溶氣壓力由0.2 MPa升至0.4 MPa時,小球藻Ⅱ的濃縮倍數(shù)由1.39增至1.77,并且達到最大,隨著溶氣壓力繼續(xù)增加,濃縮倍數(shù)逐漸降低,當溶氣壓力為0.6 MPa時,其濃縮倍數(shù)降為1.32;而金藻濃縮倍數(shù)的變化與其采收率的變化基本一致,當溶氣壓力為0.5 MPa時,其濃縮倍數(shù)達到最大 (2.38)。綜合分析試驗結果可知,提高溶氣壓力更有利于微藻的氣浮采收。

圖4 溶氣壓力對微藻采收效果的影響Fig.4 Effects of air dissolving pressure on harvesting efficiency ofm icroalgae

2.4 氣體流量對金藻氣浮采收效果的影響

在微藻液位高度為1.0 m,流量為400 L/h的試驗條件下,氣體流量對金藻氣浮采收效果的影響試驗結果見圖5。從圖5可見:當氣體流量由40 L/h提高到120 L/h時,金藻的采收率增至最大(50.0%),當氣體流量提高至160 L/h時,金藻的采收率降至30.8%;當氣體流量由40 L/h升提高到80 L/h時,金藻的采收倍數(shù)由1.34增至1.45,繼續(xù)增加氣體流量時,其濃縮倍數(shù)增幅不顯著(1.45～1.46)?？梢?當氣體流量保持在80～160 L/h時,金藻的氣浮采收效果比較理想。

圖5 氣體流量對微藻采收效果的影響Fig.5 Effects of air flow rate on harvesting efficiency ofm icroalgae

2.5 綜合因子試驗

選擇小球藻Ⅱ和金藻兩種藻液,選用L9(34)正交表分別進行正交試驗。正交試驗因素及水平見表1,試驗設計方案及試驗結果見表2。

從極差分析結果 (表2)可見:影響小球藻Ⅱ采收效果的主要因子為微藻液位高度,其次為藻液流量和溶氣壓力,最優(yōu)因子組合為A3B2C3;影響金藻采收效果的因子依次為微藻液位高度、氣體流量和藻液流量,最優(yōu)因子組合為A3B2C2。通過驗證試驗發(fā)現(xiàn):在最優(yōu)組合條件下,即微藻液位高度、藻液流量和溶氣壓力分別為1.2 m、400 L/h和0.6 MPa時,小球藻Ⅱ的氣浮采收率最高,為68.1%;微藻液位高度、藻液流量和氣體流量分別為1.2 m、400 L/h、120 L/h時,金藻的氣浮采收率最高,為65.1%?？梢?3因子共同作用時,微藻液位高度對小球藻Ⅱ和金藻采收效果的影響最顯著,因此,合理調控微藻液位高度,對提高微藻的氣浮采收率比較有利。

表1 試驗因子及其水平Tab.1 Experimental parameters and levels

表2 微藻采收正交試驗設計方案及試驗結果Tab.2 The resu lts of orthogonal design for harvesting ofm icroalgae

3 討論

本試驗結果顯示,微藻液位高度過低或過高均不利于氣浮采收,當液位高度小于0.8 m時,由于液面與釋氣頭距離較近,釋氣頭出水對液柱產生較大的擾動,影響微氣泡對微藻細胞的黏附和提升效果;當液位高度超過1.2 m時,由于靜壓增大,氣泡的流速降低[22],氣泡在上升過程中受到擠壓和撞擊破碎的機會增多,采收效果亦不理想。

在本試驗條件下,藻液流量小于300 L/h時,由于流速低,氣泡在氣液接觸柱內的滯留時間延長而容易破碎,因此氣浮采收效率比較低;當藻液流量超過500 L/h時,由于氣液比降低,單位時間內向藻液中輸送的氣量減少,氣泡密度降低,致使氣浮效率下降。在本試驗條件下,當藻液流量一定時,隨著溶氣壓力的增加,一方面氣體溶解度提高,單位液體中溶氣量增加[23];另一方面,理論釋氣量呈線性增加,并且所產生的氣泡直徑減小[24],因此單位溶氣量所釋放的氣泡個數(shù)增多,有利于氣浮采收。在本試驗條件下,當藻液流量一定時,隨著氣體流量的增加,藻液中溶入的氣量不斷增加,析出的微氣泡增多,金藻的采收效率不斷提高;但是當氣體流量超過120 L/h時,溶氣量有達到飽和的趨勢,單位液體的溶氣總量不僅不會增加,未溶解的氣體還會對析出的氣泡產生一定的擾動,造成氣泡破碎,從而降低金藻的采收效率。

不同藻液濃度和微藻種類的采收結果顯示,小球藻Ⅱ的采收率高于小球藻Ⅰ,表明微藻濃度越高越有利于氣浮采收;另外,與金藻相比,小球藻更有利于氣浮采收,這可能是由于金藻細胞形狀不規(guī)則,其與氣泡黏附時容易造成氣泡破碎,從而影響氣浮分離效果。

4 結論

1)微藻的采收效果與微藻液位高度、藻液流量、溶氣壓力或氣體流量等因素有關,其中微藻液位高度對微藻采收效果的影響最顯著;2)微藻液位高度、藻液流量和溶氣壓力分別為1.2 m、400 L/h和0.6 MPa時,小球藻的采收效果最好;微藻液位高度、藻液流量和氣體流量分別為1.2 m、400 L/h和120 L/h時,金藻的采收效果最好;3)微藻的氣浮效果與藻液濃度和微藻種類有關,藻液濃度愈高,愈有利于氣浮采收,小球藻的氣浮采收優(yōu)于金藻;在本試驗條件下,小球藻Ⅰ、小球藻Ⅱ和金藻的最大采收率分別為60.3%、68.1%和65.4%;4)在未改變藻液pH值和未添加絮凝劑的條件下,利用回流式、連續(xù)加壓氣浮技術對微藻進行采收,采收效率明顯高于傳統(tǒng)氣浮采收。

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Performance of dissolved air flotation for marinem icroalgae harvesting

LIXiu-chen,MU Chen-xiao,MU Gang,LIFeng
(R&D Center of Fisheries Equipment and Engineering of Liaoning Province,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

Harvesting experiments ofChlorococcumsp.andDicrateriazhanjiannsiswere carried out using recycled and dissolved air flotation.Effects of the height and flow rate of algae liquid,the dissolving pressure and flow rate of air on harvesting efficiency ofmicroalgae were studied by single and multi-parameter experimental approaches. Results show that the harvesting efficiency ofChlorococcumsp.andDicrateriazhanjiannsisare influenced significantly by the height of algae liquid.Relatively higher harvesting efficiency were obtained when the height and flow rate of algae liquid,the dissolving pressure or flow rate of airwere kept at1.2 m,400 L/h,0.6 MPa or120 L/h, respectively.Maximum harvesting efficiency forChlorococcumsp.Ⅰ,Chlorococcumsp.Ⅱ andDicrateriazhanjiannsiswere found as 60.3%,68.1%and 65.4%,respectively.Without changing in pH and adding any flocculent to the algae liquid,the harvesting efficiency ofmarinemicroalgae is clearly higher by the recycled and dissolved air flotation than that of traditional foam flotation

marinemicroalgae;harvesting;dissolved air flotation;recycle

S985.4

A

2095-1388(2012)04-0355-05

2012-05-03

遼寧省優(yōu)秀人才計劃項目 (LR201120)

李秀辰 (1964-),女,教授。E-mail:lxc@dlou.edu.cn