基于微藻的沼气品位提升和沼液处理的协同作用研究

【摘要】：如何应对全球气候变化是近年来各国制定环境政策的核心内容,而减少人为的二氧化碳(CO2)排放量是应对全球气候变化的最主要手段。世界各国为了应对这一问题,都在提高可再生能源的使用比例而减少化石燃料的使用。沼气是将来最有前途的可再生能源之一,其可以显著减轻全球气候变化的压力。我国已经成为世界上最大的户用沼气生产国和消费国。但是沼气的主要组成中甲烷(CH4)含量较低而CO2含量较高使得沼气品位低下,极大的限制了沼气的高效广泛的利用。此外,发酵产沼气过程中产生的副产物沼液是一种高污染物负荷的污水,其极易造成环境污染。沼气品位低下和沼液污水难以处理是限制我国沼气事业可持续发展的两大瓶颈。为了可以同时解决以上两个问题,本文创新性的开发出了一种基于微藻的可以同时提升沼气品位和处理沼液污水的技术,并且在深入分析其各种影响因素的基础上研究了沼气品位提升过程和沼液污水处理过程间的协同作用。沼气品位提升通常是指对生产出来的原沼气进行处理,以降低其CO2的含量而使得沼气中CH4所占相对比例得以提升。本研究利用微藻极高的光合作用效率和碳固定能力去除沼气中的CO2,使得沼气品位得以提升；在此过程中利用沼液作为微藻的培养液基质,使得微藻可以吸收沼液中的污染物以净化沼液。本文研究了微藻藻种性质、光生物反应器中微藻的光合作用以及沼气沼液协同作用的影响。对微藻生长趋势、沼气品位提升效果和微藻对沼液培养基质的代谢效果,以及人工光源的能耗效率等进行了分析,并在此基础上着重探讨了微藻对于沼气中气体碳源CO2的固定过程与沼液中营养物质的代谢吸收过程之间的协同作用。(1)微藻藻种性质的研究利用驯化技术培育得到了可以耐受高浓度CO2环境的小球藻Chlorella sp.藻种,其完全具备了耐受沼气中高浓度CO2环境的能力。驯化后的微藻Chlorella sp.藻种在约30%(v/v)的CO2浓度条件下,生长状况良好,生物质干重从初始接种量约100 mg L-1最大可以增长到316.47±16.30 mg-1。光生物反应器中最佳的微藻初始接种量范围是：约120 mg L-1(中等密度微藻初始接种量)至约180 mg-1(高密度微藻初始接种量)。中等密度微藻初始接种量条件下,微藻的生长周期较短,微藻生长状况稳定,且其沼气品位提升效果和沼液处理效果都很理想。高密度微藻初始接种量条件下,微藻的生长周期比“中等密度”实验组更短,但是微藻细胞进入衰亡期较“极高密度”实验组要晚。其沼气品位提升效果和沼液处理效果接近于“中等密度”实验组。在此最佳初始接种量范围内,如果克服了微藻藻体细胞相互遮蔽的缺点后,微藻的生长趋势、沼气的品位提升效果和微藻对于沼液培养基质的代谢效果都还有进一步提升的空间。但是在约60 mg L-1微藻初始接种量(一般密度微藻初始接种量)条件下,因为微藻初始接种量过小,造成微藻的生长周期较长,其难以在较短时间内达到良好的沼气品位提升效果和沼液处理效果。在约240 mgL-1微藻初始接种量(极高密度微藻初始接种量)条件下,由于沼液中营养物质被竞争性快速吸收,微藻细胞代谢有毒废弃物快速积累,最终造成微藻细胞数量急剧下降,沼气品位提升效果和沼液处理效果也都较差。(2)光生物反应器中微藻光合作用的研究混合光质条件下的微藻生长趋势、沼气品位提升效果和微藻对沼液的代谢效果都显著的优于单色光质条件。最佳光质条件是采用基于光照强度的混合比例5：5的红色光质与蓝色光质,因为其可以均衡的供给蓝色和红色两种光质而平衡的增强光合作用系统Ⅰ和光合作用系统Ⅱ的效果。最佳的光照策略是在微藻培养周期中逐渐增加光照强度：0至48小时内采用400 μmol m-2 s-1的光照强度,48至96小时内采用500 μmol m-2 s-1的光照强度,96至144小时内采用600 μmol m-2 s-1的光照强度。此光照策略可以克服在采用“高密度(约180 mg L-1)”微藻初始接种量时所产生的微藻藻体细胞相互遮蔽的问题,其极大的提高了微藻生长趋势、沼气品位提升效果和微藻对沼液的代谢效果。在考虑经济效益的实际应用中,在统一考虑沼气品位提升效果和微藻对于沼液污水的代谢效果时,混合光质因素条件下均衡的红色光质和蓝色光质供给条件(即红蓝5：5比例光质因素条件)是最适宜的光质因素条件,其人工光源能耗效率高,经济效益好。如果将本研究所述的沼气品位提升和沼液处理的协同方法作为单一的手段,则可以采用最优光照强度策略,其保证了处理后所得高品位沼气的CH4浓度和沼液污水的净化效果。而如果对沼气品位要求很高,本研究所述的协同方法并非单一的处理单元,而是在其后还要加上别的沼气品位提升方法以进一步提高沼气中CH4含量,则可以采用400 μmol m-2 s-1光照强度条件,其不仅在一定程度上提升了沼气品位,而且还保持了很高的人工光源能耗效率,极大的提高了经济效益。(3)沼气沼液协同作用的影响光生物反应器中微藻气体碳源和培养基质之间的数量关系,即初始沼气和沼液的最佳的比例范围是：13L沼气：1.8 L沼液(中等比例沼气和沼液比)至12L沼气：2.8 L沼液(一般比例沼气和沼液比)之间。这是因为中等比例沼气和沼液比条件与一般比例沼气和沼液比条件都有充足的沼液培养液和CO2气体碳源,所以它们都获得了较其它实验组更好的沼气品位提升效果和微藻对沼液培养基质的代谢效果。但是14L沼气：0.8 L沼液(高比例沼气和沼液比)条件则因为沼液量不足且沼气的CO2绝对量过多,故其沼气品位提升效果极差；11 L沼气：3.8 L沼液(低比例沼气和沼液比)条件则因为沼液量过多且沼气的气体碳源量不足,故其沼液污染物去除率极差。不同原沼气品位条件下品位提升效果的预测是：高品位原沼气可以得到较好的品位提升效果,低品位原沼气品位提升效果较差。当原沼气品位处于中等水平时(约50%(v/v)的CH4和约50%(v/v)的CO2),因为其气体碳源CO2含量足以维持微藻的大量增殖而又不会因为CO2绝对量过多而难以去除,所以其微藻生长趋势、沼气品位提升效果和微藻对沼液培养基质的代谢效果都较好。而当原沼气品位较低时(约40%(v/v)的CH4和约60%(v/v)的CO2),因为其CO2浓度过高,所以其沼气品位提升效果很差。当原沼气品位较高时(约60%(v/v)的CH4和约40%(v/v)的CO2),因为其CO2浓度过低,气体碳源量不足,所以其微藻生长趋势和微藻对沼液培养基质的代谢效果都很差。各原沼气品位条件下沼液培养基质中的溶解氧含量都只有小幅度的增加,且都小于抑制微藻生长的限值。光生物反应器中的氧气(O2)浓度一直处于很低的水平,而由于沼气中CO2浓度很高,所以光生物反应器中的CO2和O2的比例可以一直维持在一个较高的水平,从而避免O2产生光呼吸作用。故光生物反应器中的O2并不会影响微藻的生长和光合作用。光生物反应器中CH4浓度一直较高而O2浓度一直较低,CH4与O2的混合气体一直处于爆炸混合比例范围之外,故光生物反应器中因为CH4和O2的混合而产生爆炸的危险的可能性也是极小的(4)沼气品位提升与沼液污水净化之间的协同作用的研究微藻通过光合作用吸收沼气中CO2以提升沼气品位的过程与利用沼液作为液体培养基质以净化沼液污水的过程在光生物反应器中是完全协同的。这两个过程相互促进：沼液富含微藻生长所必须的各种营养元素,非常适合微藻的大规模培养；沼气中较高浓度的CO2可以为微藻的生长提供额外的气体碳源,更进一步促进微藻在沼液中的增殖,有益于微藻代谢吸收沼液中的污染物,净化沼液污水；而微藻通过代谢沼液中的营养物质得以大量增殖,其可以积累大量的微藻细胞生物质,而微藻藻体细胞有一半的干重增长都来自于其对CO2的吸收,所以这就又促进了微藻对沼气中CO：的去除,有益于沼气品位的提升。所以本研究所述的基于微藻的沼气品位提升和沼液处理的协同方法最终可以达到很好的沼气品位提升效果和沼液污水的处理效果：在最优条件下可以将沼气品位从65.4±4.2%(v/v)的CH4提升至90.9±4.3%(v/v)的CH4；沼液中污染物去除率达到67.94±3.23%的化学需氧量、60.25±3.68%的总氮和61.02±4.57%的总磷。 【关键词】：微藻Chlorella sp. 协同作用 沼气 CO_2沼液
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.4;X703
【目录】：

• 摘要5-9
• ABSTRACT9-13
• 第一章 前言13-52
• 1.1 概述13-21
• 1.1.1 沼气的发展历程13-19
• 1.1.2 沼液污染物的环境危害19
• 1.1.3 微藻的培养和利用19-21
• 1.2 沼气品位提升技术研究现状21-25
• 1.3 沼液处理技术研究现状25-26
• 1.4 研究内容26-33
• 1.5 研究的技术路线33-35
• 1.6 研究目的和意义35-41
• 1.6.1 研究目的35
• 1.6.2 研究意义35-41
• 参考文献41-52
• 第二章 材料与方法52-66
• 2.1 实验材料52-58
• 2.2 操作方法58-60
• 2.3 实验条件60-61
• 2.4 分析仪器和方法61-65
• 参考文献65-66
• 第三章 微藻藻种性质的研究66-81
• 3.1 实验设计66-67
• 3.2 微藻藻种的驯化67-70
• 3.3 藻种初始接种量的影响70-77
• 3.3.1 微藻生长趋势的分析70-73
• 3.3.2 沼气品位提升效果73-74
• 3.3.3 微藻对沼液培养基质的代谢74-77
• 3.4 本章小结77-79
• 参考文献79-81
• 第四章 光生物反应器中微藻光合作用的研究81-102
• 4.1 实验设计81-82
• 4.2 光质因素对微藻代谢的影响82-88
• 4.3 光照强度策略的建立88-95
• 4.4 人工光源能耗效率分析95-97
• 4.5 本章小结97-99
• 参考文献99-102
• 第五章 沼气沼液协同作用的影响102-124
• 5.1 实验设计102-103
• 5.2 微藻气体碳源和培养基质之间的数量关系103-110
• 5.3 沼气组分的影响与品位提升效果的预测110-116
• 5.4 沼气中O_2的影响116-118
• 5.5 协同作用的分析118-119
• 5.6 本章小结119-121
• 参考文献121-124
• 第六章 结论与展望124-128
• 6.1 研究的主要结论124-126
• 6.2 研究的创新点126
• 6.3 研究展望126-128
• 致谢128-129
• 攻读博士学位期间取得的成果129-131

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

微生物法净化沼气的研究进展    李晓燕;朱建良;杨晓瑞;陈晓晔;梁金花;

农村沼气的净化及资源化利用研究进展    李芬容;易红宏;唐晓龙;宁平;余琼粉;

不同氮源对麦秆厌氧消化过程的影响    陈广银;郑正;常志州;叶小梅;罗艳;

餐厨垃圾制沼及膜法沼气提纯一体化系统设计及理论研究    尼姝丽

沼气高效厌氧发酵的条件及产气效应研究    楚莉莉

污水处理用高发泡E/VAC悬浮填料的研制与应用    刘宇航;陆晓中;胡翔;赵明;孙晓民;

厌氧-复合人工湿地工艺处理农村生活污水研究    蒯圣龙;尹程;

一株氨氮降解菌的筛选及其降解特性的初步研究    杨代金;张穗;王玉军;温广月;

好氧颗粒污泥吸附孔雀绿研究    詹婧;孙庆业;石先阳;

Cu~(2+)与解偶联剂协同作用污泥减量化    石先阳;凌晨慧;鲍婷;谢继峰;周芬;盛雅琪;

荧光法与分光光度法测定叶绿素a的对比试验    孙力

EDTA滴定法测定水中钙镁总量的测量不确定度评定    汪海波

人工神经网络光度法同时测定水中Fe(II)、Fe(III)    郭小慧,孙静月,赵中一

Fenton试剂氧化处理TNT废水的试验研究    陈林;涂春贤;张国珍;宋小山;

影响总氰化物测定结果的因素    黄仙花;方谨继;

淀山湖氮磷营养物与浮游藻类增长相互关系的研究    程曦

城市污水生物絮凝吸附工艺的特性及模拟研究    刘绍根

毛竹林生态型模式施肥应用研究    王宏

高效短程硝化/厌氧氨氧化富集培养物的研究    胡安辉

离心式微流控法快速分析环境污染物的研究    席永清

铁矿石催化过氧化氢—过硫酸钠去除地下水中三氯乙烯的研究    黄伟英

处理焦化废水微氧EGSB反应器启动和运行特性研究    耿炤宇

三峡库区大宁河富营养化和水华研究    张佳磊

固定化脱氮菌群处理含氮污水的研究    肖晶晶

缺氧—好氧生物脱氮系统中N_2O的释放机理与减量化控制研究    胡振

阳离子淀粉/壳聚糖交联共混絮凝剂（CATCS）的制备与应用研究    游力军

养分管理措施对丹江口库区橘园氮磷行为特征的影响    毕磊

动物废弃物培养蕹菜、蝇蛆的研究    贝亦江

双能场/生物法降解废水中苯酚的研究    陈静颖

浊点萃取光度法测定铬及萃取剂回收方法研究    金洪洙

环境水中二甲胺和二乙胺分析方法的研究    马兴华

一种新型厌氧化反应器的研制与启动试验研究    孙延格

抗铅联合苯酚降解多功能菌的构建    彭冉

粉煤灰制备聚氯化铝工艺研究    常志达

潞安矿区矿井水资源化评价研究    潘妍妍

接种物数量对沼气产气量的影响    赵洪;邓功成;高礼安;李静;马媛;李永波;俸才军;张林;杨世凯;黎娇凌;

沼气发酵微生物低温驯化研究    邓功成;李静;赵洪;高礼安;马媛;李永波;黎娇凌;俸才军;张林;杨世凯;

pH值对水稻秸秆厌氧发酵产沼气的影响    王永泽;邵明胜;王志;陈雄;李冬生;王金华;

搅拌对猪粪半干法发酵产沼气的影响    程洋;陈泽智;龚慧娟;孟德胜;

中温下3种落叶厌氧发酵产气量研究    孙树贵;任广鑫;翟宁宁;王诺菡;霍敏;

干物质浓度对菠萝叶渣干式厌氧发酵产沼气的影响    邓怡国;王金丽;孙伟生;焦静;郑勇;王刚;

蚕豆壳发酵产沼气潜力的研究    尹雯;茹菁宇;刘士清;张无敌;王家强;

马铃薯皮渣沼气发酵潜力的研究    孙传伯;李云;廖梓良;刘士清;

二氧化碳的吸收方法及机理研究    宿辉;崔琳;

沼气净化脱硫工艺的研究进展    陈沛全;曾彩明;李娴;王德汉;

沼泽红假单胞菌RubisCO基因的克隆与表达及其固定二氧化碳特性的研究    杜翠红

泔脚废物厌氧两相发酵工艺及其矿化垃圾协同生物产氢过程研究    钱小青

光合菌在处理高浓度硫酸盐和高浓度有机废水中的应用    王艳朋

热碱预处理对秸秆厌氧发酵的影响    郑万里

城市生活垃圾厌氧消化处理技术研究    张波

城市生活垃圾厌氧发酵过程产生沼气的净化及利用    张海东

一体化折板式两相厌氧污水处理工艺研究    林英姿

城镇有机垃圾厌氧发酵中有机酸及氨氮抑制效应研究    周晓臣

城镇有机垃圾序批式两相厌氧消化工艺试验研究    罗伟

不同工艺条件下硫酸盐还原反应器微生物群落动态分析    刘一威

大中型沼气工程的沼气净化技术研究    黎良新

沼气生物脱硫静态因子试验与初步中试研究    孔垂雪

青岛酒厂沼气工程示范项目    

海南省农村沼气建设的发展思路和对策    符少怀,邝继云

河南省沼气协会第三次会员代表大会暨沼气生态农业论坛在焦作召开    张国强

养殖场沼气工程设计和施工监理工作的管理亟待加强    施国中;

“2008中国国际沼气学术研讨会暨产业化论坛”在成都召开    张蓓;

濮阳市农村沼气服务体系建设实践及探讨    罗军;王晓黛;左伟锋;董彦防;郭永霞;

实施沼气工程 建设生态新农村    刘菁菁;赖维磊;

沼气服务体系建设的实践与探索    吕宝仓;

沼气工程价值几何?    刘英;

积极推进沼气规模化发展    

新型高效规模化沼气工程的关键技术    蔡昌达;

对加强沼气工程标准制修订的一些认识    郑时选;

实行“沼气工程工艺设计资质”和“运营管理资质”证书的建议——推动沼气事业健康发展的重要措施    王永智;屠云璋;

建池质量是基础 加强沼气管理是关键    龙大友;

沼气产业化的春天    陆光正;沙宏卫;

新沼气 新风貌 新农村    屈锋;尹显智;

农村沼气产业化发展思考    高灵芝;

关于加快农村沼气服务体系建设的建议    

沼气研究和利用的现状与发展趋势    赵新波;祝诗平;

浅谈生物质能——沼气    王威;罗清威;樊占国;

沼气托起群众致富的希望    祝秀国 戎方雁

推广沼气工程 发展生态农业    陈国孟

沼气入户 福气进村    邓苏勇 韦克琼

大力普及沼气　扎实推进新农村建设    本报记者 田宜龙

小沼气点亮社会主义新农村    本报记者 田宜龙

河南：小沼气引领大节约    本报记者 王伟 通讯员 张国强

大力发展沼气事业 构建农村和谐社会    刘合心

创新提升沼气地位——沼气工程“三级跳”    本报记者 师晓京

建立沼气管理运营长效机制    李国华

小沼气带来周口农村大变化    本报记者 张培奇

基于微藻的沼气品位提升和沼液处理的协同作用研究    颜诚

中国农村户用沼气区域适宜性与可持续性研究    陈豫

沼气产业化基本理论与大中型沼气工程资源配置优化研究    王丽丽

餐厨垃圾制沼及膜法沼气提纯一体化系统设计及理论研究    尼姝丽

农村沼气生态校园模式及其综合效益评价研究    王兰英

规模化养猪场沼气工程发展的影响因素研究    林斌

农户沼气使用及生态环境效益评价：来自恩施州的证据    张嘉强

沼气制备车用燃料的实验研究    黄黎

人粪便厌氧处理工艺优化和沼气贮气膜气密性研究    尹福斌

沼液农田施用氮素迁移转化规律研究    张笑千

基于智能鸡舍的太阳能沼气工程的技术研究    赵梅娟

随州市农村户用沼气发展制约因素及潜力研究    冯大功

江苏省农村户用沼气物业化管理模式研究    李莉莉

沼气压力水洗提纯设备及工艺研究    耿宏超

辅热集箱式沼气工程标准化技术研究    王淮东

车用沼气纯化装置试验研究    周磊

晋北农村沼气推广影响因素及发展潜势研究    侯向娟

太阳能沼气工程无线监测系统设计    薄军

农村校园沼气管理专家系统研究    周曼

沼气化学能快速高效储存太阳热能的初步研究    马涛