基于城市污水資源化的斜生柵藻室外培養(yǎng)條件優(yōu)化

韓松芳，金文標(biāo)，涂仁杰，周 旭，陳洪一

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，深圳微藻生物能源工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳518055)

基于城市污水資源化的斜生柵藻室外培養(yǎng)條件優(yōu)化

韓松芳，金文標(biāo)，涂仁杰，周 旭，陳洪一

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，深圳微藻生物能源工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳518055)

城市污水培養(yǎng)微藻，可在實(shí)現(xiàn)污水無害化處理的同時(shí)，回收生物質(zhì)能源。從反應(yīng)器寬度、混合方式、磁場3個(gè)方面優(yōu)化了利用城市污水室外培養(yǎng)斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)的培養(yǎng)條件。結(jié)果表明：當(dāng)反應(yīng)器寬度為25 cm時(shí)，斜生柵藻干重與油脂產(chǎn)量較高，當(dāng)反應(yīng)器寬度為35 cm時(shí)，斜生柵藻油脂單位面積產(chǎn)量較高，較寬的反應(yīng)器寬度表明深圳天氣有利于斜生柵藻的室外規(guī)?；囵B(yǎng)；較優(yōu)混合方式為循環(huán)泵混合，該方式下斜生柵藻油脂產(chǎn)量相比不加混合的空白對照組提高了78.1%；將磁場應(yīng)用于微藻培養(yǎng)中，當(dāng)磁作用面積為2S、磁場強(qiáng)度為40 mT時(shí)，斜生柵藻油脂產(chǎn)量相比于不加磁場的空白對照組進(jìn)一步提高了36.7%。

斜生柵藻；城市污水；室外培養(yǎng)；油脂產(chǎn)量

微藻生物柴油因其生產(chǎn)效率高、綠色環(huán)保的特性越來越受到各國研究者的關(guān)注[1-3]。在微藻生物柴油生產(chǎn)工藝中，微藻培養(yǎng)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。利用人工配制培養(yǎng)基培養(yǎng)微藻需消耗大量淡水資源，同時(shí)營養(yǎng)物質(zhì)的投加進(jìn)一步增加了微藻的培養(yǎng)成本[4-5]。與此同時(shí)，城市污水中因含有大量的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)，易引起水華等環(huán)境污染問題。利用城市污水培養(yǎng)微藻，可在污水凈化的同時(shí)，為微藻的生長提供豐富的氮、磷資源。

實(shí)驗(yàn)室條件下，利用人工光源的小規(guī)模培養(yǎng)難以滿足微藻的產(chǎn)量需求，若想實(shí)現(xiàn)微藻的規(guī)模化培養(yǎng)，室外培養(yǎng)必不可少。同時(shí)，室外培養(yǎng)可直接利用自然光源，從而增強(qiáng)微藻生物柴油的經(jīng)濟(jì)性。室外微藻培養(yǎng)常用的培養(yǎng)裝置有跑道式光生物反應(yīng)器、板式光生物反應(yīng)器、管式光生物反應(yīng)器等。其中板式光生物反應(yīng)器具有比表面積大、易于放大的特點(diǎn)[6]。板式光生物反應(yīng)器常用寬度均較小，文獻(xiàn)中所采用的較寬的寬度有10 cm[7]和15 cm[8]。同時(shí)，隨著培養(yǎng)規(guī)模的擴(kuò)增，微藻細(xì)胞間相互遮擋，使反應(yīng)器中央的微藻處于光限制狀態(tài)，微藻的培養(yǎng)效率大幅度降低。再加上室外環(huán)境條件復(fù)雜，對微藻的抗逆性也提出了更高的要求。斜生柵藻是一種產(chǎn)脂效率高、抗逆性強(qiáng)、對污水具有良好適應(yīng)性的微藻[9]。同時(shí)磁場的應(yīng)用可增強(qiáng)微藻的抗逆性[10]。因此，本文目的在于優(yōu)化出深圳本地室外培養(yǎng)斜生柵藻時(shí)所用板式光生物反應(yīng)器的較優(yōu)寬度，并通過優(yōu)化混合方式，外加磁場等手段提高微藻室外培養(yǎng)時(shí)的油脂產(chǎn)量及抗逆性，以期為以城市生活污水為培養(yǎng)基的微藻室外規(guī)?；囵B(yǎng)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 藻種與培養(yǎng)基

藻種斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)購買于中科院(武漢)水生生物研究所淡水藻種庫，藻種采用BG-11培養(yǎng)基[11]進(jìn)行傳代培養(yǎng)保藏。

城市污水取自深圳大學(xué)城市政污水井，經(jīng)潛污泵抽取除去粗大懸浮物后使用。污水水質(zhì)如表1所示。

表1 大學(xué)城生活污水水質(zhì)

1.1.2 試劑與設(shè)備

氯仿、甲醇、鹽酸均為分析純。DHG-9075A電熱鼓風(fēng)干燥箱，WSZ-200A回旋振蕩器，VS-2500T多管旋渦混合儀，BT124S電子分析天平，DD-5 高速臺(tái)式離心機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 微藻培養(yǎng)

以BG-11培養(yǎng)基培養(yǎng)處于對數(shù)生長期的微藻為種子液，以相應(yīng)的不加微藻的城市污水為空白對照，接種一定量斜生柵藻于生活污水中，使反應(yīng)器中的液面高度相同，取達(dá)到穩(wěn)定期的藻液測其干重與油脂產(chǎn)量。

1.2.2 微藻干重的測定

微藻的干重采用稱重法測定。10 mL藻液經(jīng)預(yù)稱重(W1)的微孔濾膜(Φ0.45 μm)過濾、洗滌，于105℃下烘至恒重(W2)，不加微藻的空白對照組干重為W0，微藻干重(DW)的計(jì)算公式如下：

DW=(W2-W1-W0)/ 0.01

1.2.3 微藻油脂產(chǎn)量的測定

微藻油脂提取采用氯仿甲醇共溶劑提取法[12]。待提取結(jié)束后，收集氯仿相，轉(zhuǎn)移至預(yù)稱重的錫紙盤中，待有機(jī)溶劑揮發(fā)完全后，于80℃烘箱中烘至恒重，得到微藻油脂產(chǎn)量。微藻細(xì)胞油脂含量為微藻油脂產(chǎn)量與微藻干重的百分比。

2 結(jié)果與討論

2.1 板式光生物反應(yīng)器寬度的優(yōu)化

室外培養(yǎng)篩選最佳反應(yīng)器寬度時(shí)，所用微藻培養(yǎng)裝置為一系列相同高度(50 cm)、長度(35 cm)，不同寬度(5、10、15、20、25、35 cm)的板式光生物反應(yīng)器，加入生活污水使反應(yīng)器中的液面高度同為40 cm。板式光生物反應(yīng)器不同寬度下斜生柵藻產(chǎn)脂情況如圖1所示。

圖1 板式光生物反應(yīng)器不同寬度下斜生柵藻產(chǎn)脂情況

由圖1可以看出，隨著反應(yīng)器寬度的增加，斜生柵藻干重與油脂產(chǎn)量在反應(yīng)器寬度為25 cm時(shí)達(dá)到最高，分別為0.40 g/L與0.06 g/L。與文獻(xiàn)中常見的板式反應(yīng)器寬度越小微藻生長越好不同，本試驗(yàn)反應(yīng)器最佳寬度為25 cm，遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)中的寬度。這主要是因?yàn)槲墨I(xiàn)中的培養(yǎng)一般為室內(nèi)培養(yǎng)或在中高緯度室外培養(yǎng)，光強(qiáng)較弱。而深圳屬于低緯度地區(qū)，光強(qiáng)較強(qiáng)。反應(yīng)器寬度過小，會(huì)使微藻長期處于光抑制狀態(tài)而抑制微藻生長。當(dāng)反應(yīng)器寬度過大，會(huì)使微藻長期處于光限制狀態(tài)而限制微藻生長。因此，存在最佳的反應(yīng)器寬度，并受外界光照強(qiáng)度的影響，光照強(qiáng)度越強(qiáng)反應(yīng)器的最佳寬度會(huì)越大。

當(dāng)藻液高40 cm，設(shè)定兩個(gè)反應(yīng)器間距為50 cm時(shí)，35 cm寬、1 000 cm長面積上共可放置5、10、15、20、25、35 cm寬度的反應(yīng)器個(gè)數(shù)為18、16、15、14、13、11個(gè)。在此條件下計(jì)算反應(yīng)器不同寬度下斜生柵藻油脂的單位面積產(chǎn)量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 板式光生物反應(yīng)器不同寬度下斜生柵藻油脂的單位面積產(chǎn)量

由圖2可以看出，當(dāng)反應(yīng)器寬度越大時(shí)，在所設(shè)定的條件下斜生柵藻油脂的單位面積產(chǎn)量也增大，但增加幅度趨于減緩。當(dāng)反應(yīng)器寬度為35 cm時(shí)，斜生柵藻油脂的單位面積產(chǎn)量最大。綜合考慮斜生柵藻油脂的單位體積產(chǎn)量與單位面積產(chǎn)量，以及反應(yīng)器擴(kuò)大化搭建與內(nèi)部清洗的難易程度，最終確定35 cm為室外培養(yǎng)斜生柵藻板式光生物反應(yīng)器的最佳寬度。因此，構(gòu)建長約115 cm、寬35 cm、高80 cm的板式反應(yīng)器，用于后續(xù)對反應(yīng)器的進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 板式光生物反應(yīng)器混合方式優(yōu)化

混合可使藻液處于懸浮狀態(tài)，從而提高微藻的光能利用效率并有效降低光抑制，提高CO2氣體的溶解速率，并有利于O2從藻液中分離[13]，因此混合單元是反應(yīng)器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要單元?；旌戏绞竭x取循環(huán)泵、曝氣板、曝氣頭3種方式。循環(huán)泵固定在反應(yīng)器內(nèi)側(cè)壁上，流量為100 L/min，曝氣頭按相同間隔懸于反應(yīng)器中，距底部2 cm，曝氣板固定于反應(yīng)器底部，控制曝氣頭與曝氣板曝氣量為0.2 vvm。另設(shè)一空白對照，不進(jìn)行任何混合處理。斜生柵藻在不同混合方式下的產(chǎn)脂情況如圖3所示。

圖3 斜生柵藻在不同混合方式下的產(chǎn)脂情況

由圖3可以看出，相較于空白對照組，增加了混合裝置的試驗(yàn)組微藻干重與油脂產(chǎn)量大幅度提高。其中曝氣板組斜生柵藻干重較高，為0.45 g/L，循環(huán)泵組油脂含量較高，為22.4%。由于油脂產(chǎn)量由微藻干重與油脂含量共同決定，因此總體表現(xiàn)為循環(huán)泵組油脂產(chǎn)量較高，為0.095 g/L，相較于無任何混合的空白對照組提高了78.1%。因此，選擇循環(huán)泵作為室外利用板式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)斜生柵藻的混合方式，用于后續(xù)試驗(yàn)。

2.3 板式光生物反應(yīng)器外加磁場優(yōu)化

一定強(qiáng)度的磁場可以促進(jìn)生物生長，增強(qiáng)生物對環(huán)境的抗逆性，有利于水質(zhì)的凈化[14-16]。試驗(yàn)所用為鐵氧體普磁長方形磁鐵，尺寸為150 mm ×100 mm ×25 mm，磁鐵表面磁場最強(qiáng)處強(qiáng)度為100 mT。將磁鐵以表面積最大的面相對，對稱放于板式光生物反應(yīng)器兩側(cè)，使反應(yīng)器表面最強(qiáng)處磁場強(qiáng)度為80 mT，2塊磁鐵為1對，設(shè)定其作用面積為1S。相應(yīng)的4塊(2對)磁鐵、8塊磁鐵(4對)的磁作用面積分別為2S、4S?？疾觳煌抛饔妹娣e對斜生柵藻生長與產(chǎn)脂的影響，另設(shè)一不加磁場的空白對照組，各組均以循環(huán)泵混合。取達(dá)到穩(wěn)定期的藻液測其干重與油脂產(chǎn)量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 斜生柵藻在不同磁作用面積下的產(chǎn)脂情況

由圖4可以看出，隨著磁作用面積的增加，斜生柵藻的干重與油脂產(chǎn)量先升高后降低，當(dāng)磁作用面積為2S時(shí)達(dá)到最高，油脂產(chǎn)量相較于不加磁場的空白對照組提高了28.3%。

設(shè)置磁作用面積為2S，調(diào)節(jié)磁鐵與板式反應(yīng)器的距離使反應(yīng)器表面磁場強(qiáng)度分別為20、40、60、80 mT，考察不同磁場強(qiáng)度對斜生柵藻生長與產(chǎn)脂的影響，另設(shè)一不加磁場的空白對照組，各組均以循環(huán)泵混合。取達(dá)到穩(wěn)定期的藻液測其干重與油脂產(chǎn)量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 斜生柵藻在不同磁場強(qiáng)度下的產(chǎn)脂情況

由圖5可以看出，隨著磁場強(qiáng)度的增加，斜生柵藻的干重與油脂產(chǎn)量先升高后降低，當(dāng)磁場強(qiáng)度為40 mT時(shí)達(dá)到最高，油脂產(chǎn)量相較于不加磁場的空白對照組提高了36.7%。

3 結(jié) 論

本文從反應(yīng)器寬度、混合方式、磁場3個(gè)方面優(yōu)化了利用城市污水室外培養(yǎng)斜生柵藻的培養(yǎng)條件。結(jié)果表明：當(dāng)反應(yīng)器寬度為25 cm時(shí)，斜生柵藻干重與油脂產(chǎn)量較高，當(dāng)反應(yīng)器寬度為35 cm時(shí)，斜生柵藻油脂單位面積產(chǎn)量較高。優(yōu)化的反應(yīng)器寬度高于文獻(xiàn)中常見的板式光生物反應(yīng)器寬度，說明深圳天氣有利于斜生柵藻的室外規(guī)模化培養(yǎng)。優(yōu)化所得的較優(yōu)混合方式為循環(huán)泵混合，該方式下斜生柵藻油脂產(chǎn)量相比于不加混合的空白對照組提高了78.1%。將磁場應(yīng)用于微藻培養(yǎng)中，當(dāng)磁作用面積為2S、磁場強(qiáng)度為40 mT時(shí)，斜生柵藻油脂產(chǎn)量相比于不加磁場的空白對照組進(jìn)一步提高了36.7%。

[1] CHISTI Y. Constraints to commercialization of algal fuels [J]. J Biotechnol, 2013, 167(3):201-214.

[2] HAN S F, JIN W B, TU R J, et al. Biofuel production from microalgae as feedstock: current status and potential[J]. Crit Rev Biotechnol, 2014, 35(2):255-268.

[3] ABOMOHRA A E, JIN W B, TU R J, et al. Microalgal biomass production as a sustainable feedstock for biodiesel: current status and perspectives[J]. Renew Sust Energ Rev, 2016, 64:596-606.

[4] YANG J, XU M, ZHANG M X, et al. Life-cycle analysis on biodiesel production from microalgae: water footprint and nutrients balance [J]. Bioresour Technol, 2011,102:159-165.

[5] JIANG L, LUO S, FAN X, et al. Biomass and lipid production of marine microalgae using municipal wastewater and high concentration of CO2[J].Appl Energ, 2011,88:3336-3341.

[6] MORWEISER M, KRUSE O, HANKAMER B,et al. De-velopments and perspectives of photobioreactors for biofuel production[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2010, 87(4):1291-1301.

[7] ZHANG C W, ODI Z, REUVEN K,et al. An industrial-size flat plate glass reactor for mass production ofNannochloropsissp.[J].Aquaculture,2001, 195:35-49.

[8] 康少鋒. 基于CFD的平板式光生物反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].上海：華東理工大學(xué)，2013.

[9] HAN S F, JIN W B, TU R J, et al. Optimization of aeration for biodiesel production byScenedesmusobliquusgrown in municipal wastewater[J].Bioproc Biosyst Eng, 2016,39(7):1073-1079.

[10] HAN S F, JIN W B, CHEN Y G, et al. Enhancement of lipid production ofChlorellapyrenoidosacultivated in municipal wastewater by magnetic treatment[J].Appl Microbiol Biotechnol, 2016, 180(6):1043-1055.

[11] STAINIER R Y, KUNISAWA R, MANDEL M, et al. Purification and properties of unicellular blue-green algae (orderChroococcales) [J]. Bacteriol Rev, 1971, 35(2):171-205.

[12] FOLCH J, LEES M, STANLEY G H S. A simple method for the isolation and purification of total lipids from animal tissues [J]. J Biol Chem, 1957, 226:497-509.

[13] UGWU C U, AOYAGI H, UCHIYAMA H, et al. Photobioreactors for mass cultivation of algae[J]. Bioresour Technol, 2008, 99:4021-4028.

[14] ZHONG P, LIN Z F, LIU Z W, et al. The sources, species and measurement of reactive oxygen species in aquatic environment[J].Ecol Sci, 2005, 24(4):364-367.

[15] JI Y L, WANG Y H, SUN J S, et al. Enhancement of biological treatment of wastewater by magnetic field[J].Bioresour Technol, 2010, 101(22):8535-8540.

[16] CAI J, WANG L, WU P, et al. Study on oxygen enrichment from airby application of the gradient magnetic field[J]. J Magn Magn Mater,2008,320:171-181.

OptimizationofoutdoorcultivationconditionsofScenedesmusobliquususingmunicipalwastewaterasresource

HAN Songfang, JIN Wenbiao, TU Renjie, ZHOU Xu, CHEN Hongyi

(Shenzhen Engineering Laboratory of Microalgal Bioenergy, Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, Guangdong, China)

Using municipal wastewater to cultivate microalgae can achieve not only harmless treatment of wastewater but also recovery algal biofuel as energy source. The outdoor culture conditions ofScenedesmusobliquuswere optimized from three aspects including width of the reactor, mixing method and magnetic field. The results showed that when the width of the reactor was 25 cm, the dry weight and the lipid yield ofScenedesmusobliquuswas higher, when the width of the reactor was 35 cm, lipid yield per unit area ofScenedesmusobliquuswas higher, indicating that the weather in Shenzhen was conducive to large-scale outdoor culture ofScenedesmusobliquus. When using circulating pump to mix, the lipid yield ofScenedesmusobliquuswas 78.1% higher than the control group without mixing. When magnetic area was 2S and magnetic field intensity was 40 mT, the lipid yield ofScenedesmusobliquusincreased by 36.7% compared with the control group without magnetic treatment.

Scenedesmusobliquus; municipal wastewater; outdoor culture; lipid yield

Q89；Q813

A

1003-7969(2017)11-0093-04

2017-04-01；

2017-08-18

深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(JCYJ20150529114024234)

韓松芳(1989)，女，博士研究生，研究方向?yàn)槲⒃迳锬茉?E-mail)hansongfang@stmail.hitsz.edu.cn。

金文標(biāo)，教授，博士(E-mail)jinwb@hit.edu.cn。