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人类对化石能源需求的逐年增加,导致了其储量的剧烈下降;而且,化石能源的大量使用也造成了环境污染问题的频发[1]。因此,寻找可替代的清洁能源已成为能源发展的新趋势。作为第4代生物质燃料,微藻具有生长速率快、二氧化碳固定效率高、油脂累积量高,不与人争粮争地等优势,在未来商业与工业化应用方面潜力巨大,故相关研究已成为生物质能源研究领域的热点[2-3]。而且,微藻可以高效吸收水中氮、磷等物质,并利用其作为自身营养物质生长,因而可在累积能源生物质的同时,实现净水目的。有研究表明,微藻可有效降低生活污水、食品加工及畜禽养殖污水中的污染物,在COD、氨氮(
${\rm{NH}}_4^{+} $ -N)、总磷(TP)的去除率及油脂累积量方面具有巨大的潜力[4-6]。目前,基于微藻的污水处理与资源化技术在世界范围内得到了较好的发展,具有广阔的应用前景[7]。然而,基于微藻的水处理与资源化技术的产业化推广仍面临许多挑战,其中藻细胞的收获是实现营养物质后续增值利用的关键环节,也是制约其大规模商业化应用的瓶颈。微藻细胞直径仅为3~30 μm,密度接近水,带负电荷。因此,藻细胞可以稳定地悬浮在水中,难以被自然分离[8]。传统的微藻收获技术主要包括离心法、膜过滤法、气浮法及絮凝法等[9-12]。前3种方法操作便捷、分离速度快、分离效率高,但其设备安装复杂、造价高[9-10];而絮凝法中,化学絮凝法主要利用微藻和絮凝剂之间的电荷中和作用回收藻细胞,其收获率高,但存在残留金属离子二次污染问题[9-11]。近年来,生物絮凝法因其具备良好的环境友好性、无二次污染、操作简便等优点受到了广泛的关注,具有广阔的工业化应用前景[12]。生物絮凝法包括微生物絮凝和微藻细胞自絮凝2种方式[13]。微生物絮凝是利用细菌或真菌等微生物分泌的胞外分泌物(exocellular polymeric substances,EPS)及自身结构,通过电荷中和或网捕卷扫作用使藻细胞絮凝。细菌、真菌与放线菌是主要的絮凝微生物。其中,真菌在自然界中存在广泛、容易获得,其菌丝结构致密、吸附效果好,应用潜力大[12-14]。有研究结果表明,米曲霉、青霉和黑曲霉等真菌可实现90%以上微藻回收[15-16]。黑曲霉(Aspergillus niger)是一种常见的曲霉属真菌,属于半知菌亚门的丛梗孢科,具有生长快速、成球性能好、菌丝球结构致密、比表面积大等特点,可实现90%以上的藻细胞回收率,在微藻收获领域受到了学者们广泛关注[17-21]。经收获后的黑曲霉菌丝球与藻细胞混合体可直接通过水热法转化为生物原油,且其操作过程简单高效。然而,目前针对富油小球藻絮凝效果及其絮凝机制方面的探讨较为欠缺。
本研究首先考察了从猪粪沼气站分离纯化的一株高含油小球藻Chlorella sp. M-12对猪粪沼液中氮磷的吸收效果,随后采用黑曲霉菌丝球对其进行了生物絮凝采收;考察了不同因素及水平对黑曲霉菌丝球絮凝收获Chlorella sp. M-12的影响,并初步探讨了其絮凝机制。本研究结果可为能源微藻的快速、高效、经济采收方法与技术提供参考。
黑曲霉菌丝球絮凝能源微藻Chlorella sp. M-12的优化
Flocculation effect optimization of Aspergillus niger mycelium to an energy microalgae Chlorella sp. M-12
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摘要: 针对能源微藻采收效率低、能耗高的问题,采用一株黑曲霉Aspergillus niger的菌丝球絮凝能源微藻Chlorella sp. M-12,以期提供一种快速高效的营养回收及藻细胞采收方法。通过优化实验考察了能源微藻Chlorella sp. M-12去除猪粪沼液污染物的效果及黑曲霉菌丝球初始投量、pH、温度及转速等条件对絮凝Chlorella sp. M-12的影响,并进行了絮凝机制分析。结果表明,在初始
${{\rm{NH}}_4^{+}} $ -N质量浓度为24 mg·L−1 时,猪粪沼液中NH4+-N、TP去除率分别达到84.2%及100.0%,每消耗1 g${{\rm{NH}}_4^{+}} $ -N可产出4.3 g Chlorella sp. M-12干物质。黑曲霉菌丝球与Chlorella sp. M-12干重比为1∶1、初始pH为6.0、培养温度为28 ℃、转速为180 r·min−1时,Chlorella sp. M-12的收获率可达90%以上。黑曲霉菌丝球的网捕卷扫及其胞外聚合物的电中和作用导致了较高的Chlorella sp. M-12收获率。该研究结果可为微藻污水资源化技术中资源回收及藻细胞采收提供参考。Abstract: Aiming at solving the problems of low harvesting ratio and high cost of energy microalgae collection, the mycelial of a strain of Aspergillus niger were used to flocculate Chlorella sp. M-12, which was expected to provide a rapid and effective method for nutrient recovery and microalgal cells harvesting. The optimization experiments about piggery biogas slurry treatment by using Chlorella sp. M-12, and initial inoculate size of Aspergillus niger mycelium, initial pH, temperature, and rotation speed for Chlorella sp. M-12 flocculation were implemented. In addition, the bio-flocculation mechanism was also explored. Results showed that with the initial${\rm{NH}}_4^{+} $ -N concentration of 24 mg·L−1,${\rm{NH}}_4^{+} $ -N and TP removal in piggery biogas slurry reached 84.2% and 100%, which meant consuming 1 g${\rm{NH}}_4^{+} $ -N could produce 4.3 g dry microalgal biomass. The highest Chlorella sp. M-12 harvest ratio reached above 90% under the optimal conditions with the Aspergillus niger mycelium to Chlorella sp. M-12 (dry cell weight) ratio of 1∶1, initial pH of 6.0, temperature of 28 ℃ and rotation speed of 180 r·min−1. The trapping and sweeping, and the charge neutralization effects of Aspergillus niger mycelium ball might be the main reason for the high Chlorella sp. M-12 harvest ratio. This research will provide the theoretical bases and technology support for the nutrients recovery and microalgal harvest from wastewater. -
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