Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js
高级搜索

不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控

,  ,  ,  , 

downloadPDF

上一篇

下一篇

魏琳, 刘祥, 杨浩, 祝孔松, 吴慎独. 不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
引用本文: 魏琳, 刘祥, 杨浩, 祝孔松, 吴慎独. 不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
shu
WEI Lin, LIU Xiang, YANG Hao, ZHU Kongsong, WU Shendu. Regulation of sulfur on growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
Citation: WEI Lin, LIU Xiang, YANG Hao, ZHU Kongsong, WU Shendu. Regulation of sulfur on growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
shu

不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控

  • 河海大学农业科学与工程学院，南京，210098

    • 通讯作者: Tel：15105272715，E-mail：gclx_2007@126.com; 
  • 基金项目:
    江苏省自然科学基金( BK20200527 )和中央高校基本科研业务费项目(B200201026)资助.

Regulation of sulfur on growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio

  • College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing, 210098, China

    • Corresponding author: LIU Xiang, gclx_2007@126.com ; 
  • Fund Project: the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20200527) and Fundamental Research Funds for the Central Universities of China（B200201026）.

摘要

  • 摘要: 为探究不同C/N污水下下硫对微藻生长、水体净化与油脂积累的调控作用，以斜生栅藻为研究对象，通过改变NH+4-N浓度配制了4种不同C/N的实验用水，对比研究了斜生栅藻在无硫和含硫条件下经5 d培养后的生长、碳氮利用与油脂合成情况。结果表明，外源硫添加可有效促进微藻的生长，当C/N为15时，藻细胞密度达到最大，为1.23×107 cells·mL−1，较无硫条件提高了90%；同时，外源硫也有助于提升藻细胞对碳氮的利用效率，微藻对有机物的利用效率随着C/N的降低而升高，并在C/N为7.5时最大，为80.33%，较无硫条件提升了63%；当C/N为7.5时NH+4-N去除率为73.6%，较无硫条件提升了149%，其余实验组别NH+4-N去除率均达100%；此外，在含硫条件下，油脂产率和油脂含量均随着C/N升高而降低，均在C/N为7.5时达到最大，油脂产率为5.04 mg·(L·d)−1，相较于无硫条件提升了50.51%，油脂含量为15.4%，较无硫条件下降了33.3%，表明硫加入可有效提升油脂产率但不利于油脂积累，在低C/N条件下促进作用更强。综合来看，当C/N在7.5—15时，外源硫加入取得的综合效益最佳。通过探究微藻生长、碳氮利用、油脂积累的适宜条件，可为微藻的精细化培养提供参考。
    Abstract: To explore the regulating effect of sulfur on the growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio conditions, taked Scenedesmus obliquus as the research object, set 4 kinds of experimental water with different C/N ratios by changing the concentration of ammonia nitrogen, and comparatively studied the growth and lipid synthesis of microalgae after 5 days of culture under both sulfur-free and sulfur-containing conditions. The results showed that the addition of exogenous sulfur can effectively promote the growth of microalgae. When C/N ratio was 15, the density of microalgae reached the maximum, which was 1.23×107 cells·mL−1, it was 90% higher than the sulfur-free condition. Additional sulfur also helped to improve the carbon and nitrogen utilization efficiency of microalgae. The utilization efficiency of organic matter by microalgae increased with the decrease of carbon to nitrogen ratio, when C/N was 7.5, it reached 80.33%, which was 63% higher than that of sulfur-free conditions, while the ammonia nitrogen removal efficiency was 73.6%, which was 149% higher than the sulfur-free condition, and the removal efficiency of the remaining experimental groups reached 100%. In addition, under the sulfur-containing condition, the lipid yield and lipid content both decreased with the increase of carbon to nitrogen ratio. When C/N ratio was 7.5, the lipid yield was highest, which was 5.04 mg·(L·d)−1, it was 50.51% higher than that of sulfur-free conditions. When the C/N ratio was 7.5, the lipid content was 15.4%, which was 33.3% lower than the sulfur-free condition, indicating that sulfur addition can effectively increase the lipid yield but was not conducive to the accumulation of lipid, and exogenous sulfur had a stronger promoting effect under low carbon to nitrogen ratio conditions. In summary, when the C/N ratio was between 7.5 and 15, the overall benefits were relatively best. By exploring the appropriate conditions for microalgae growth, carbon and nitrogen utilization, and lipid accumulation,This research can provide references for the refined cultivation of microalgae.

  • 焦化废水是炼焦工业中煤气净化及焦化产品制作回收等环节产生的混合工业废水[1]。焦化废水水质属性复杂多变，含有大量氨氮、苯酚、氰化物、硫氰化物等特征污染物，并且具有难降解、生物毒性强及生化性差等的特点[2-3]。工业水处理中常用的生物工艺有缺氧/好氧(A/O)工艺、厌氧/缺氧/好氧(A2/O)工艺[4-6]等，但这些工艺在处理焦化废水等高毒性的工业废水时，时常出现硝化失败的情况，其除碳脱氮效果不理想，出水水质不稳定[7-9]。针对上述问题，迫切需要开发更加先进高效的除碳脱氮工艺应用于毒性高的工业废水处理。

    好氧-水解-好氧(OHO)作为一种新型脱氮工艺，其原理方面的研究以及工业应用已经证明，该工艺可以很好地解决传统生物工艺除碳脱氮效果不理想、出水水质不稳定的问题[10-12]。OHO工艺具有功能明确的组成单元，与传统工艺相比，采用流化床的三泥法运行模式可以选择性富集微生物群落，并可实现良好的工艺稳定性，突破了高毒性及高COD/TN比废水处理的负荷瓶颈，而且节能降耗。OHO工艺采用基于流化床的三污泥法运行模式，通过回流与超越操作手段，可以实现污泥生物量的富集与微生物功能/丰度调控，活性污泥与焦化废水中的污染物完全混合并充分接触，高效的混合与传质克服了毒性抑制问题。O1单元中好氧微生物氧化去除氰化物、硫氰酸盐、硫化物、苯酚等还原性物质，可大幅度削减废水毒性，为后续工艺单元提供良好的水质条件。毒性降低的焦化废水在H单元进行高效的反硝化脱氮。H单元采用长时间停留，具有容纳毒性负荷的能力，超越比例的控制以H单元中的微生物活性不受进水抑制为基础，与传统工艺相比，降低了厌氧单元的毒性负荷，表现出OHO-MBR工艺的先进性。潘建新[13]发现，异养菌在O1单元富集，自养硝化菌在O2单元富集，O1单元中相对丰度最高的菌属Comamonas贡献有机物的去除，O2单元中AOB菌也具有相当高的相对丰度，贡献了O2单元的硝化，体现了OHO工艺在稳定处理焦化废水时具有的差异化优势。

    随着我国污/废水排放标准要求的不断提高，为实现废水零排放的目标，对焦化废水的有效处理、达标排放提出了更加严峻的挑战。膜生物反应器(membrane bioreactor, MBR)是生物处理与膜分离的有机结合，其优质的生物出水水质为后续的脱盐等深度处理营造了优越、稳定的水质条件，成为现有活性污泥处理工艺升级改造、实现废水零排放所优先考虑的生物处理工艺[14-15]。SUN等[16]采用厌氧-缺氧-好氧膜生物反应器(A2O-MBR)处理纺织助剂废水，在内循环比为1.5时，COD、NH+4-N和TN的平均去除率分别约为87%、96%和55%。WANG等[17]开发了实验室规模的A2O-MBR系统处理煤气化废水，COD、NH+4-N和酚类物质的最大去除率分别为97.4%、92.8%和99.7%。ZHAO等[18]采用实验室规模的厌氧-缺氧-好氧膜生物反应器(A2O-MBR)系统处理高负荷、高毒性的焦化废水，其结果表明，A2O-MBR系统在污染物和急性毒性降低方面比传统的厌氧-缺氧-好氧系统更有效和更可靠。以上所实现的单污泥工艺结合膜生物反应器虽然对污染物去除效果较好，但因负荷高而产生严重的膜污染，对富集硝化菌也不利，需要的停留时间没有明显缩短。

    基于上述研究结果，本研究以OHO新型生物处理工艺为基础[11]，在二级好氧池内加装膜组件，构建了OHO-MBR组合工艺，研究了其处理实际焦化废水的可行性；通过分析工艺对COD、NH+4-N、NO−2-N、NO−3-N和TN等水质指标的转化关系及去除效果，考察了OHO-MBR工艺处理焦化废水的效能，分析了组合工艺的特点以及可能的技术应用方向。

    1.   材料与方法

    1.1   实验废水

    本研究的OHO-MBR系统进水采用宝武集团广东韶关钢铁有限公司焦化厂混凝预处理后的实际焦化废水。系统进水耗氧有机物(以COD计)质量浓度为2 600~3 477 mg·L−1，进水BOD为1 025~1 440 mg·L−1，进水SCN−-N质量浓度为53~156 mg·L−1，进水TN质量浓度为56~144 mg·L−1，进水NH+4-N质量浓度为12~39 mg·L−1，进水NO−3-N质量浓度为0.10~5.22 mg·L−1，进水NO−2-N质量浓度为0.12~2.66 mg·L−1。预处理采用混凝/吸附的物化工艺，去除废水中的大部分油分、悬浮颗粒、酚类、硫化物及氰化物等污染物，降低生化单元的处理负荷，减轻毒性物质对微生物活性的抑制作用。焦化废水水质组分复杂，进水水质指标随厂区运行情况存在一定波动。

    1.2   OHO-MBR系统装置

    实验所用连续流OHO-MBR小试装置如图1所示。OHO-MBR反应器槽体为矩形结构，尺寸为814 cm×250 cm×500 cm，总有效容积为56.8 L。该实验系统由O1、H、O2单元组成，采用连续流进水模式。其中O1为一级好氧单元，有效容积20.4 L，分离区5.3 L，通过进水泵调节进水流量，控制进出水平衡，设置曝气装置，保证曝气量在2~3 L·min−1；H为水解单元，有效容积为18.4 L，分离区为5.0 L，通过机械搅拌及水流提升作用，均匀单元水质，维持厌氧环境；O2为二级好氧膜分离单元，有效容积为18.0 L，分离区为4.7 L，调节进气口曝气器保证混合液均匀充氧，膜组件采用沉没式平板膜，有效膜面积为0.10 m2，孔径为0.10 μm，额定膜通量为20 L·(m2·h)−1。各单元主要运行参数见表1。

    图 1  OHO-MBR装置示意图
    Figure 1.  Schematic diagram of OHO-MBR device
    下载: 全尺寸图片 幻灯片
    表 1  OHO-MBR各单元主要运行参数
    Table 1.  Main operating parameters of OHO-MBR.
    工艺单元HRT/hSRT/dMLSS/(mg·L−1)pHDO/(mg·L−1)
    O120204 000~6 0008.0~8.54~6
    H18903 000~5 0007.4~8.1<0.2
    O2-MBR18504 000~5 0007.9~8.24~6
     | Show Table
    DownLoad: CSV

    OHO-MBR反应器运行模式可以为推流、超越与回流及其结合的模式。33%的进水经蠕动泵抽取超越至H单元，回流泵从O2分离区吸取上清液至H单元，回流比R2为0.66。O1/H组合形成高效除碳氨化单元，焦化废水进水经O1好氧单元充分去除有机污染物，有机氮、氰化物和硫氰化物等的含氮化合物均被氧化降解释放出氨氮，随后进入H单元，在水解酸化作用下提升反应器内残余有机污染物的可生化性。H/O2形成一个高效生物脱氮体系，在反硝化作用下，降低废水中的总氮，MBR膜组件对好氧曝气处理后的废水污泥混合液进行高效固液分离，生物单元处理后的废水经膜组件过滤后排出。分别从O1、H、O2单元中定时采集水样，简单沉淀后，取上清液进行检测分析，分析COD、NH+4-N、TN及特征污染物在各单元中的去除及转化特征，进而考察组合工艺处理实际焦化废水的可行性。

    1.3   分析检测

    选取SCN−-N、NH+4-N、NO−3-N、NO−2-N、TN和COD作为主要监测指标。SCN−-N的测定采用硫氰酸铁分光光度法(GB/T 6609.15-1986)；NH+4-N的测定采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)；NO−3-N的测定采用紫外分光光度法(HJ/T 346-2007)；NO−2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法(GB 7493-1987)；TN的测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法(HJ 636-2012)；COD的测定采用重铬酸钾消解滴定法(HJ 828-2017)。

    2.   结果与讨论

    2.1   OHO-MBR对SCN−-N的去除效果

    图2和图3反映了OHO-MBR反应系统3个处理单元中SCN−-N质量浓度及各单元对污染物去除的贡献情况。在OHO-MBR的进水SCN−-N质量浓度为53.1~156 mg·L−1，除进水波动、DO不足的情况之外，系统出水SCN−-N质量浓度在1.00 mg·L−1以下，表明系统对SCN−-N具有高效的转化效率。

    图 2  OHO-MBR反应装置中SCN−-N随时间运行效果
    Figure 2.  Operation effect of SCN−-N concentration over time in OHO-MBR reactor
    下载: 全尺寸图片 幻灯片
    图 3  OHO-MBR中各单元对SCN−-N去除的贡献情况
    Figure 3.  Contribution of each unit in OHO-MBR to SCN−-N removal
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    进水SCN−-N在一级好氧单元O1中经微生物作用氨化降解为NH+4-N。SCN−-N占TN比例从58.7%下降为20.6%，NH+4-N占TN比例由18.6%上升到64.6%。在1~17 d，反应环境较为稳定，进水SCN−-N为63.0~81.7 mg·L−1，O1单元对SCN−-N去除的贡献率平均为59.6%。在37~39 d，O1单元对SCN−-N去除贡献率降至6.16%，这是由于O1单元内DO含量下降至0.74 mg·L−1，SCN−-N的好氧降解受到抑制。调节O1单元DO至5.75 mg·L−1后，SCN−-N去除效果得到改善，O1单元SCN−-N出水质量浓度由63.8 mg·L−1降至21.5 mg·L−1。在67~79 d，进水SCN−-N质量浓度剧增，其中在67~69 d，O1单元对SCN−-N去除的贡献率下降至25.2%，这是因为O1单元进水负荷增大，超过好氧降解能力的范围，但在70~79 d，O1单元平均去除贡献率上升至64.8%，展现出了O1单元对于SCN−-N的良好的去除能力及抵抗高负荷进水的能力。

    在水解单元H中，缺氧条件下，SCN−-N在水解酶的作用下完全降解。H单元中SCN−-N来源于O1单元出水和超越至H单元的进水之和，由于O2单元回流硝化液会稀释H单元进水中SCN−-N的质量浓度。在58~87 d，由于进水SCN−-N质量浓度大幅增加，导致超越至H单元的SCN−-N质量浓度增加，在回流体积不变的条件下，H单元中SCN−-N质量浓度出现峰值。在系统进水负荷降低后，H单元出水SCN−-N质量浓度由45.7 mg·L−1降至7.49 mg·L−1。

    二级好氧单元O2中，NH+4-N及超越至H池的进水中的SCN−-N被氧化为NO−3-N。在57~93 d，前序单元对SCN−-N去除效果不佳的情况下，O2单元出水SCN−-N平均质量浓度为0.79 mg·L−1，最低可至0.00 mg·L−1。在OHO-MBR运行期间，O2单元对SCN−-N有很好的降解效果。由于膜的截留作用，O2单元内活性污泥MLSS保持在4 000~5 000 mg·L−1，单元内硝化效率有所提高。

    SCN−-N作为还原性物质在废水COD值测定中产生1.10的当量贡献，高浓度SCN−-N为焦化废水的主要耗氧有机物(以COD计)来源，常与酚类和硫化物被称为焦化废水COD三大主要来源之一，故SCN−-N去除效果直接影响出水水质[19-20]。有研究[21]表明，焦化废水中SCN−-N有COS−和CNO− 2种生物降解途径，在不同菌属的作用下降解为相同的最终产物。黄会静[22]发现，20%接种量下SCN−-N降解速率最为合适，且微生物降解难降解污染物质均有一个适应期，适应期的长短与污染物的初始浓度、菌种驯化周期、菌量及培养条件有关。这也解释了在系统启动初期O2单元出水SCN−-N平均质量浓度为2.76 mg·L−1的原因。总体而言，SCN−-N主要在OHO-MBR的好氧单元被转化，在稳定运行情况下，SCN−-N平均去除率为98.5%，基本不构成对生物脱氮的毒性抑制。

    2.2   OHO-MBR对NH+4-N的去除效果

    图4反映了OHO-MBR反应系统3个处理单元中NH+4-N质量浓度的变化情况。稳定运行情况下，OHO-MBR的进水NH+4-N为14.0~39.0 mg·L−1，O2单元出水质量浓度为0.00~16.5 mg·L−1，平均去除率高于95%。

    图 4  OHO-MBR反应装置中NH+4-N随时间运行效果
    Figure 4.  Operation effect of NH+4-N concentration over time in OHO-MBR reactor
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    在好氧条件下，焦化废水中的NH+4-N经微生物的硝化作用去除。在一级好氧单元O1，焦化废水中有机氮化合物、氰化物及硫氰化物被大量降解，释放出NH+4-N，导致O1单元出水中NH+4-N质量浓度升高，NH+4-N表现为净生成。在7~17 d，O1单元出水NH+4-N平均质量浓度高达104 mg·L−1。其原因是O1单元内DO含量过低(0.85 mg·L−1)，而DO含量充足是保证氨化反应顺利进行的必要条件之一，当DO调节至4.09 mg·L−1时，NH+4-N出水质量浓度下降至63.0 mg·L−1。

    水解单元H中，有机氮化合物、氰化物及硫氰化物发生水解氨化作用，有利于后续生物脱氮的进行。稳定运行情况下，H单元NH+4-N平均增加量8.94 mg·L−1，其中SCN−-N氨化对应的NH+4-N增加量为6.03 mg·L−1，有机氮化合物、氰化物等其他物质水解对应的NH+4-N增加量为2.91 mg·L−1。H单元中NH+4-N的变化趋势与O1单元基本相同，这是因为O2单元的回流液稀释了H单元中NH+4-N的质量浓度。

    前序单元进水中残留的NH+4-N在O2单元实现完全去除。在48~58 d，由于O1单元出现了DO降低及换泥的情况，导致进入O2单元的有机物浓度负荷升高，系统NH+4-N去除效果较差。在61~71 d，系统NH+4-N进水质量浓度从14.0 mg·L−1升高至39.0 mg·L−1，但是O2单元仍能将NH+4-N平均出水质量浓度维持在1.76 mg·L−1左右的水平，这是因为废水经O1和H单元处理后，毒性大大削减。此外，O2单元中膜组件对污泥的截留作用，保障了增殖较慢的硝化细菌在反应器内的有效增殖，使得硝化反应可以充分进行。OHO-MBR工艺中O1、O2双好氧单元的设置，即使在前置好氧单元O1受到进水负荷冲击的条件下也可以有效保障NH+4-N的高效去除。

    总体而言，NH+4-N主要在OHO-MBR工艺的O1、O2单元中经硝化作用去除。稳定运行情况下，NH+4-N去除率最高可达99.4%。好氧单元中硝化细菌为自养微生物，其生长速率较低，MBR可以在更长的SRT条件下运行，可以保留生长缓慢的硝化细菌[23]。因此，可通过延长SRT减少污泥的流失从而提高氨氮的硝化率。在工艺参数进一步优化的条件下，各单元去除效能仍有较大提升潜力。

    2.3   OHO-MBR中对NO−x的去除效果

    图5、图6反映了OHO-MBR反应系统3个处理单元中NOx−-N (NO−3-N、NO−2-N)的质量浓度变化情况。在稳定运行情况下，OHO-MBR的进水NO−3-N质量浓度在0.10~4.12 mg·L−1，O2单元出水质量浓度在2.50~48.4 mg·L−1。进水中几乎不含NO−2-N。焦化废水中的NO−3-N在厌氧环境中经微生物的反硝化作用还原为N2，从而实现脱氮。33%进水超越至H单元，66%的进水推流进O1单元。在1~93 d，O1单元中进水NO−3-N质量浓度为0.10~5.22 mg·L−1，出水NO−3-N质量浓度维持在1.49~45.6 mg·L−1，O1单元中部分NH+4-N发生了硝化反应，转化为NO−3-N。

    图 5  OHO-MBR反应装置中NO−3-N随时间运行效果
    Figure 5.  Operation effect of NO−3-N concentration over time in OHO-MBR reactor
    下载: 全尺寸图片 幻灯片
    图 6  OHO-MBR反应装置中NO−2-N随时间运行效果
    Figure 6.  Operation effect of NO−2-N concentration over time in OHO-MBR reactor
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    水解单元H是发生反硝化脱氮的主要场所。O1单元出水和O2单元回流液汇入H单元，为H单元提供了NO−3-N，而超越至H单元的原水为反硝化提供了碳源或电子供体，反硝化菌在缺氧条件下将NO−3-N还原为N2。在71~77 d的运行过程中，H单元出水NO−3-N质量浓度上升至60.5 mg·L−1。其原因可能是，好氧单元进水混合液中含有残留毒性污染物，对反硝化作过程产生抑制作用，因此，出水中NO−3-N质量浓度升高。

    O2是好氧硝化单元，废水中残余氰化物、硫氰化物、氨氮等污染物在好氧环境中充分降解。在1~3 d内，处于反应器启动初期，污染物在O1中即完成硝化作用，因此，O2单元出水中NO−3-N质量浓度低于O1单元出水。在51~57 d内，由于O1单元更换污泥，在O1单元具有较好的生物活性，保证了硝化反应的进行，因此，O2单元出水中NO−3-N质量浓度较低。

    NO−2-N是硝化与反硝化过程的主要中间产物。NO−2-N在硝化与反硝化过程中积累的现象也常见于一些文献报道[10,24]。本工艺中，O1、H、O2单元中均检测到NO−2-N，即存在NO−2-N积累的情况。H单元出水NO−2-N平均质量浓度低于进水平均质量浓度，表观上看，H单元中NO−2-N积累主要来源于不完全硝化过程。在整个工艺运行周期内，NO−2-N积累在90%的运行时间内是由不完全硝化过程造成的，在剩余10%的运行时间内，H单元中不完全反硝化过程贡献了NO−2-N的积累。硝化作用分为2个阶段，由氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)驱动，它们分别将NH+4-N氧化为NO−2-N和将NO−2-N氧化为NO−3-N[25]。HUNG等[26]的研究也表明，SCN−-N对硝化的2个阶段均有抑制作用，不完全硝化导致NO−2-N在池体内的积累。在1~9 d内，O2单元出水NO−2-N平均质量浓度系统达到8.79 mg·L−1，其原因是，SCN−-N及残余有毒污染物对于亚硝酸盐氧化过程的抑制作用，造成了O2单元内NO−2-N的积累。

    反硝化是一个涉及到多种酶参与、电子传递及能量转化的过程。本研究中O2到H单元的回流比为66%，可通过提高回流比R2的方式提高OHO-MBR工艺中的TN去除。

    2.4   OHO-MBR对TN的去除效果

    图7和图8反映了OHO-MBR反应系统3个处理单元中TN质量浓度及各单元对污染物去除的贡献情况。本研究中采用了较低的O2硝化液回流比(66%)；但即使在低回流比条件下，TN平均去除率仍可达到65.4%。

    图 7  OHO-MBR反应装置中TN随时间运行效果
    Figure 7.  Operation effect of TN concentration over time in OHO-MBR reactor
    下载: 全尺寸图片 幻灯片
    图 8  OHO-MBR中各单元对TN去除的贡献情况
    Figure 8.  Contribution of each unit in OHO-MBR to TN removal
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    TN的去除途径有微生物同化作用和硝化-反硝化作用。好氧单元O1及O2去除TN在于微生物的同化作用；H单元去除TN在于反硝化作用，反硝化的程度决定了OHO-MBR工艺对的TN去除性能。一级好氧单元O1中，SCN−-N降解为NH+4-N，同时有机含氮化合物降解释放出部分氨氮，碳元素以CO2形式释放(观察到大量的泡沫)，氮的存在形式发生转化，NH+4-N是TN的主要来源。在O1单元中TN的去除主要源于微生物代谢活动中氮素的消耗。

    水解单元H中，回流的好氧硝化液在此单元内经反硝化作用达到脱氮的目标。稳定运行条件下，H单元对去除TN的贡献最高为84.05%。SCN−-N、NH+4-N、NO−3-N在TN中平均占比分别为31.3%、48.8%、18.1%。其中NO−3-N作为反硝化作用的底物占比过少，导致反硝化程度较低，从而限制了系统的脱氮性能。

    在稳定运行状态下，二级好氧单元O2出水中TN平均质量浓度为47.3 mg·L−1，表明OHO-MBR工艺出水中仍含有一定量的TN。O2单元出水中NO−3-N在TN中平均占比为73.1%。好氧单元中微生物的同化作用对TN的去除能力较弱。O2单元内以硝化反应为主，在硝化菌的作用下，含氮化合物的存在形式主要是由NH+4-N转化为NO−3-N，为H单元反硝化作用的进行提供条件。作为初步的可行性探索，本研究采用的O2硝化液回流比为66%，即使在低回流比条件下，OHO-MBR工艺的TN去除率最高也达到了84.1%。若运行以TN去除为目标的工艺，则需要通过提高硝化液回流比或投加电子供体以实现更高的TN去除率。

    2.5   OHO-MBR对COD的去除效果

    图9和图10反映了OHO-MBR反应系统3个处理单元中COD的变化和各单元对COD的去除贡献。在稳定运行状态下，OHO-MBR的进水COD为2 711~3 477 mg·L−1，O2单元出水COD最低为297 mg·L−1。焦化废水耗氧有机物(以COD计)来源于水中的易生物降解物质和难生物降解物质。COD主要通过好氧条件对还原性物质的氧化及反硝化过程中对有机物的利用来去除。一级好氧单元O1在稳定运行条件下，O1单元出水中COD平均值为491 mg·L−1，O1单元对COD平均去除贡献为84.1%。进水中耗氧有机物(以COD计)主要由有机污染物、酚类、硫氰化物、氰化物、硫化物构成，易降解耗氧有机物(以COD计)在O1单元去除，削减了水中的COD。COD的去除率取决于污泥浓度、溶解氧与进水有机负荷。

    图 9  OHO-MBR反应装置中COD随时间运行效果
    Figure 9.  Operation effect of COD concentration over time in OHO-MBR reactor
    下载: 全尺寸图片 幻灯片
    图 10  OHO-MBR中各单元对COD去除的贡献情况
    Figure 10.  Contribution of each unit in OHO-MBR to COD removal
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    H单元通过反硝化过程中对碳源的利用实现对COD的去除。O1单元出水及超越至H单元的进水提供了反硝化所需碳源，O2单元好氧硝化液回流提供NO−3-N。H单元将难降解有机物水解转化为易降解形态，废水B/C值由0.1左右提升到0.25~0.28，为后续的好氧降解提供了有利条件。H单元出水COD高于O1单元出水，这是因为进水超越33%带来一部分的复杂有机物在水解单元被降解，进而表现为COD升高。

    二级好氧单元O2在稳定运行条件下，进水COD平均值为1 135 mg·L−1，出水平均值为435 mg·L−1，O2单元对COD去除贡献平均为38.1%。O2单元接纳H单元出水，进一步氧化焦化废水中残留的有机物和还原性物质，从而实现对COD的去除。在47~49 d内，O2单元出水COD上升至1 016 mg·L−1，这是因为O1单元DO不足，导致对有机物的降解能力下降，超出O2单元的COD接纳负荷。MBR作为出水单元可去除悬浮组分及胶体组分，有效截留单元内的活性污泥。WEI等[27]发现，在焦化废水生物处理出水平均残余COD为168.8 mg·L−1的条件下，采用膜过滤(0.45 μm)工艺深度处理后的出水平均COD降为95.1 mg·L−1，膜过滤对生物处理出水COD的平均去除率为43.7%。在稳定运行状态下，经过OHO-MBR工艺处理后，出水COD最低为297 mg·L−1，对COD的最高去除率为89.8%。残余COD主要由可溶性有机物构成[28]，可采用混凝沉淀、臭氧氧化或吸附等后物化处理工艺进一步去除，实现出水的排放标准或达到脱盐的入膜水质要求。

    2.6   OHO-MBR工艺效能比较

    表2所示为不同处理工艺对焦化废水的处理效能对比，其中AO、A2O、A2O-MBR为实验室规模，OHO-MBR为小试装置，OHO为工程应用。OHO设置双好氧单元，可以有效消除或减轻焦化废水的毒性抑制作用，以保证硝化反硝化反应的顺利进行，提高工艺脱氮效率。传统生物工艺如AO和A2O工艺虽然通过前置厌氧单元去除部分有机物，但高浓度的CN−、SCN−以及苯酚会严重抑制有机物的利用，在焦化废水的实际工程中表现为极度不稳定且难以控制，且受冲击后恢复时间较长等问题。结合OHO的MBR反应器可有效截留和富集不易增殖的微生物，解决稳定性问题。SAHARIAH等[33]采用A2O工艺处理焦化废水，实验结果表明，A单元对COD的去除率仅为2%。本工艺在稳定运行状态下，O1单元对COD平均去除贡献率可达84.1%。本研究作为OHO-MBR工艺的可行性初探，即使在偏低的硝化液回流(0.66)及低环境温度(10~20 ℃)条件下，仍可实现对污染物的良好去除，说明工艺处理效能有可进一步拓展提升的空间。

    表 2  不同工艺对焦化废水的处理性能
    Table 2.  Treatment performance of coking wastewater by different processes
    运行工艺进水COD/(mg·L−1)HRT/h回流比去除率/%来源
    CODNH+4-NTNSCN−-N
    AO1 500~2 60016.75859783100[29]
    A2O960~1 40046586.597.9——[30]
    OHO5 000~6 00064394.689.488.7100[31]
    A2O-MBR2 000~4 20048397.492.879—[32]
    OHO-MBR2 600~3 477560.6685.995.165.498.6本研究
     | Show Table
    DownLoad: CSV

    3.   结论

    1) OHO-MBR工艺能够稳定降解焦化废水中的有机物及毒性物质，实现脱氮除碳的目标。在总HRT为56 h、进水COD、TN、NH+4-N、SCN−-N的平均质量浓度分别为3 063、146、27.3、85.1 mg·L−1的条件下，对COD、TN、NH+4-N、SCN−-N的平均去除率分别达到85.9%、65.4%、95.1%、98.6%。

    2) O1单元可实现有机物质及毒性污染物的降解；H单元在反硝化脱氮的同时，亦可水解焦化废水中难降解有机物；O2单元实现完全硝化的同时，亦可实现对残余有机物及还原性无机物的最终氧化去除。

    3) OHO-MBR作为生物处理与膜分离的有机结合工艺，可有效截留和富集特种功能微生物，提高工艺污泥负荷和出水的分离效率，对焦化废水表现出良好的脱氮除碳效果，同时系统具备抵抗冲击负荷的能力，可为后续的脱盐等深度处理营造优越、稳定的水质条件。OHO-MBR可作为负荷增强、提高水质的备选技术，在不增加新的构筑物条件下，可用于现有工程的升级改造。

  • 图 1  不同C/N下无硫（a）和含硫（b）条件对微藻生长的影响

    Figure 1.  Effects of sulfur-free（a） and sulfur-containing（b） on the growth of microalgae under different C/N ratio

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 2  不同C/N下无硫（a）和含硫（b）条件对微藻生长系统pH变化的影响

    Figure 2.  Effects of sulfur-free （a）and sulfur-containing （b）on pH changes of microalgae growth system under different C/N ratio

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 3  不同C/N下无硫（a）和含硫（b）条件对微藻去除NH+4-N能力的影响

    Figure 3.  Effects of sulfur-free（a）and sulfur-containing（b）on the ability of microalgae to remove NH+4-N under different C/N ratio

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 4  不同C/N下无硫、含硫条件对系统COD值的影响

    Figure 4.  Effects of sulfur-free and sulfur-containing conditions on the COD value of the system under different C/N ratio

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 5  不同C/N下无硫、含硫条件对油脂含量(a)和油脂产率(b)的影响

    Figure 5.  Effects of sulfur-free and sulfur-containing conditions on lipid content(a) and lipid yield(b) under different C/N ratio

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    表 1  不同C/N下无硫、含硫条件对斜生栅藻脂肪酸组成及相对含量的影响（%）

    Table 1.  Effects of sulfur-free and sulfur-containing conditions on the composition and relative content of fatty acids in Scenedesmus obliquus under different C/N ratio

    组别GroupsC/NC16:0C16:1C18:0C18:1C18:2C18:3Others
    无硫组Sulfur-free group030.400.155.2950.824.793.704.85
    7.532.060.342.5641.928.4412.582.10
    1538.160.223.0839.217.189.332.82
    3029.380.202.8445.627.9311.542.49
    6029.140.183.4947.118.249.212.63
    含硫组Sulfur-containing group025.520.153.9955.725.616.022.99
    7.524.700.530.6618.4813.3139.432.89
    1526.780.603.1947.148.1611.802.33
    3026.150.512.5743.0610.0215.322.37
    6022.860.610.9023.9015.5833.382.77
    组别GroupsC/NC16:0C16:1C18:0C18:1C18:2C18:3Others
    无硫组Sulfur-free group030.400.155.2950.824.793.704.85
    7.532.060.342.5641.928.4412.582.10
    1538.160.223.0839.217.189.332.82
    3029.380.202.8445.627.9311.542.49
    6029.140.183.4947.118.249.212.63
    含硫组Sulfur-containing group025.520.153.9955.725.616.022.99
    7.524.700.530.6618.4813.3139.432.89
    1526.780.603.1947.148.1611.802.33
    3026.150.512.5743.0610.0215.322.37
    6022.860.610.9023.9015.5833.382.77
    下载: 导出CSV
  • [1] MICHAL B, GRAHAM J E, ANNA K, et al. Transcriptome analysis of the sulfate deficiency response in the marine microalgae Emiliania huxleyi [J]. New Phytologist, 2013, 199(3): 650-662. doi: 10.1111/nph.12303
    [2] ABOMOHRA A E F, ELADEL H, EL-ESAWI M, et al. Effect of lipid-free microalgal biomass and waste glycerol on growth and lipid production of Scenedesmus obliquus: Innovative waste recycling for extraordinary lipid production [J]. Bioresource Technology, 2018, 249: 992-999. doi: 10.1016/j.biortech.2017.10.102
    [3] YIN Z H, ZHU L D, LI S X, et al. A comprehensive review on cultivation and harvesting of microalgae for biodiesel production: Environmental pollution control and future directions [J]. Bioresource Technology, 2020, 301: 122804. doi: 10.1016/j.biortech.2020.122804
    [4] 谢雅清, 郁彬琦, 靳翠丽, 等. 微藻规模化培养与生物能源开发 [J]. 现代化工, 2019, 39(8): 27-32.

    XIE Y Q, YU B Q, JIN C L, et al. Large-scale cultivation of microalgae for bio-energy utilization [J]. Modern Chemical Industry, 2019, 39(8): 27-32(in Chinese).

    [5] RAN W Y, WANG H T, LIU Y H, et al. Storage of starch and lipids in microalgae: Biosynthesis and manipulation by nutrients [J]. Bioresource Technology, 2019, 291: 121894. doi: 10.1016/j.biortech.2019.121894
    [6] QIU R H, GAO S, LOPEZ P A, et al. Effects of pH on cell growth, lipid production and CO2 addition of microalgae Chlorella sorokiniana [J]. Algal Research, 2017, 28: 192-199. doi: 10.1016/j.algal.2017.11.004
    [7] GAO F, YANG H L, LI C, et al. Effect of organic carbon to nitrogen ratio in wastewater on growth, nutrient uptake and lipid accumulation of a mixotrophic microalgae Chlorella sp. [J]. Bioresource Technology, 2019, 282: 118-124. doi: 10.1016/j.biortech.2019.03.011
    [8] BASHIR K M I, MANSOOR S, KIM N R, et al. Effect of organic carbon sources and environmental factors on cell growth and lipid content of Pavlova lutheri [J]. Annals of Microbiology, 2019, 69(4): 353-368. doi: 10.1007/s13213-018-1423-2
    [9] ANAND J, ARUMUGAM M. Enhanced lipid accumulation and biomass yield of Scenedesmus quadricauda under nitrogen starved condition [J]. Bioresource Technology, 2015, 188: 190-194. doi: 10.1016/j.biortech.2014.12.097
    [10] ZHENG H L, LIU M Z, LU Q, et al. Balancing carbon/nitrogen ratio to improve nutrients removal and algal biomass production in piggery and brewery wastewaters [J]. Bioresource Technology, 2018, 249: 479-486. doi: 10.1016/j.biortech.2017.10.057
    [11] LV J, GUO J Y, FENG J, et al. Effect of sulfate ions on growth and pollutants removal of self-flocculating microalga Chlorococcum sp. GD in synthetic municipal wastewater [J]. Bioresource Technology, 2017, 234: 289-296. doi: 10.1016/j.biortech.2017.03.061
    [12] 王倩雅, 张莹, 李爱芬, 等. 硫素营养水平对产油尖状栅藻光合生理及生化组成的影响 [J]. 水生生物学报, 2017, 41(4): 904-913. doi: 10.7541/2017.113

    WANG Q Y, ZHANG Y, LI A F, et al. Effects of sulfur concentration on the photosynthetic physiology and biochemical composition of Scenedesmus acuminatus [J]. Acta Hydrobiologica Sinica, 2017, 41(4): 904-913(in Chinese). doi: 10.7541/2017.113

    [13] ZHANG T Y, WU Y H, ZHU S F, et al. Isolation and heterotrophic cultivation of mixotrophic microalgae strains for domestic wastewater treatment and lipid production under dark condition [J]. Bioresource Technology, 2013, 149: 586-589. doi: 10.1016/j.biortech.2013.09.106
    [14] 余亚岑, 钱领, 刘广发, 等. 碳源对巴氏杜氏藻生长及其脂类含量的影响 [J]. 厦门大学学报(自然科学版), 2015, 54(6): 812-818.

    YU Y C, QIAN L, LIU G F, et al. The influence of carbon resources on the growth and lipid content of Dunaliella bardawil [J]. Journal of Xiamen University (Natural Science), 2015, 54(6): 812-818(in Chinese).

    [15] 刘祥, 杨美娟, 散而复, 等. 不同营养模式下固定化斜生栅藻和普通小球藻氨氮去除能力对比分析 [J]. 环境科学研究, 2020, 33(8): 1869-1876.

    LIU X, YANG M J, SAN E F, et al. Comparative analysis of ammonia nitrogen removal capacity of immobilized Scenedesmus obliquus and Chlorella vulgaris under different trophic modes [J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(8): 1869-1876(in Chinese).

    [16] SHEN Y, GAO J Q, LI L S. Municipal wastewater treatment via co-immobilized microalgal-bacterial symbiosis: Microorganism growth and nutrients removal [J]. Bioresource Technology, 2017, 243: 905-913. doi: 10.1016/j.biortech.2017.07.041
    [17] MA C, WEN H Q, XING D F, et al. Molasses wastewater treatment and lipid production at low temperature conditions by a microalgal mutant Scenedesmus sp. Z-4 [J]. Biotechnology for Biofuels, 2017, 10: 111. doi: 10.1186/s13068-017-0797-x
    [18] ZHANG Y, HUANG Z Z, ZHENG H L, et al. Growth, biochemical composition and photosynthetic performance of Scenedesmus acuminatus under different initial sulfur supplies [J]. Algal Research, 2020, 45: 101728. doi: 10.1016/j.algal.2019.101728
    [19] CHENG J, WANG Z Y, LU H X, et al. Hydrogen sulfide improves lipid accumulation in Nannochloropsis oceanica through metabolic regulation of carbon allocation and energy supply [J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8(6): 2481-2489.
    [20] 许海, 陈丹, 陈洁, 等. 氮磷形态与浓度对铜绿微囊藻和斜生栅藻生长的影响 [J]. 中国环境科学, 2019, 39(6): 2560-2567. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2019.06.039

    XU H, CHEN D, CHEN J, et al. Effects of nitrogen and phosphorus forms and concentrations on the growth of Microcystis aeruginosa and Scenedesmus obliquus [J]. China Environmental Science, 2019, 39(6): 2560-2567(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2019.06.039

    [21] 尚常花, 王忠铭, 袁振宏, 等. 氮限制对产油杜氏藻转录组的影响 [J]. 中国油料作物学报, 2016, 38(4): 524-528. doi: 10.7505/j.issn.1007-9084.2016.04.018

    SHANG C H, WANG Z M, YUAN Z H, et al. Effect of nitrogen limitation on transcriptome of oleaginous Dunaliella parva [J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2016, 38(4): 524-528(in Chinese). doi: 10.7505/j.issn.1007-9084.2016.04.018

    [22] 周涛, 李正魁, 冯露露. 氨氮和硝氮在太湖水华自维持中的不同作用 [J]. 中国环境科学, 2013, 33(2): 305-311. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2013.02.017

    ZHOU T, LI Z K, FENG L L. The different roles of ammonium and nitrate in the bloom self-maintenance of Lake Taihu [J]. China Environmental Science, 2013, 33(2): 305-311(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2013.02.017

    [23] 王蒙, 李纯厚, 戴明, 等. C/N对牟氏角毛藻生长速率和总脂含量的影响[J]. 水产学报, 2010, 34(10): 1518-1524.

    WANG M, LI C H, DAI M, et al. The effect of C/N on the growth and total lipid content of Chaetoceros muelleri[J]. Journal of Fisheries of China, 2010, 34(10): 1518-1524(in Chinese).

    [24] ADAMS C, GODFREY V, WAHLEN B, et al. Understanding precision nitrogen stress to optimize the growth and lipid content tradeoff in oleaginous green microalgae [J]. Bioresource Technology, 2013, 131: 188-194. doi: 10.1016/j.biortech.2012.12.143
    [25] TAKESHITA T, OTA S, YAMAZAKI T, et al. Starch and lipid accumulation in eight strains of six Chlorella species under comparatively high light intensity and aeration culture conditions [J]. Bioresource Technology, 2014, 158: 127-134. doi: 10.1016/j.biortech.2014.01.135
    [26] PAL D, KHOZIN-GOLDBERG I, COHEN Z, et al. The effect of light, salinity, and nitrogen availability on lipid production by Nannochloropsis sp [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2011, 90(4): 1429-1441. doi: 10.1007/s00253-011-3170-1
    [27] 黄怡, 高保燕, 王飞飞, 等. 不同磷、硫及二氧化碳浓度对标志链带藻生长和碳水化合物积累的影响 [J]. 微生物学报, 2019, 59(10): 1915-1926.

    HUANG Y, GAO B Y, WANG F F, et al. Effects of phosphorus, sulfur and carbon dioxide concentrations on growth and carbohydrate accumulation of Desmodesmus insignis [J]. Acta Microbiologica Sinica, 2019, 59(10): 1915-1926(in Chinese).

    [28] THUNYARATCHATANON C, LUENGNARUEMITCHAI A, JITJAMNONG J, et al. Influence of alkaline and alkaline earth metal promoters on the catalytic performance of Pd-M/SiO2 (M = na, ca, or Ba) catalysts in the partial hydrogenation of soybean oil-derived biodiesel for oxidative stability improvement [J]. Energy & Fuels, 2018, 32(9): 9744-9755.
    [29] MIAO X L, WU Q Y. Biodiesel production from heterotrophic microalgal oil [J]. Bioresource Technology, 2006, 97(6): 841-846. doi: 10.1016/j.biortech.2005.04.008
    [30] 韩松芳, 金文标, 涂仁杰, 等. 细菌对城市污水中斜生栅藻生长与产脂的影响 [J]. 中国环境科学, 2017, 37(10): 3867-3872. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2017.10.031

    HAN S F, JIN W B, TU R J, et al. Effects of bacteria on growth and lipid production of Scenedesmus obliquus cultivated in municipal wastewater [J]. China Environmental Science, 2017, 37(10): 3867-3872(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2017.10.031

    [31] HOEKMAN S K, BROCH A, ROBBINS C, et al. Review of biodiesel composition, properties, and specifications [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(1): 143-169. doi: 10.1016/j.rser.2011.07.143
    [32] HOEKMAN S K, BROCH A, ROBBINS C, et al．Review of biodiesel composition, properties, and specifications[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(1): 143-169．
  • 加载中
    Created with Highcharts 5.0.7访问量Chart context menu近一年内文章摘要浏览量、全文浏览量、PDF下载量统计信息摘要浏览量全文浏览量PDF下载量2024-052024-062024-072024-082024-092024-102024-112024-122025-012025-022025-032025-040Highcharts.com
    Created with Highcharts 5.0.7Chart context menu访问类别分布DOWNLOAD: 4.7 %DOWNLOAD: 4.7 %HTML全文: 86.9 %HTML全文: 86.9 %摘要: 8.3 %摘要: 8.3 %DOWNLOADHTML全文摘要Highcharts.com
    Created with Highcharts 5.0.7Chart context menu访问地区分布其他: 95.0 %其他: 95.0 %XX: 4.3 %XX: 4.3 %北京: 0.1 %北京: 0.1 %南宁: 0.1 %南宁: 0.1 %天津: 0.1 %天津: 0.1 %深圳: 0.3 %深圳: 0.3 %其他XX北京南宁天津深圳Highcharts.com
WeChat 点击查看大图
图( 5) 表( 1)
计量
  • 文章访问数:  3231
  • HTML全文浏览数:  3231
  • PDF下载数:  68
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-02
  • 录用日期:  2022-02-14
  • 刊出日期:  2022-03-27
魏琳, 刘祥, 杨浩, 祝孔松, 吴慎独. 不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
引用本文: 魏琳, 刘祥, 杨浩, 祝孔松, 吴慎独. 不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
shu
WEI Lin, LIU Xiang, YANG Hao, ZHU Kongsong, WU Shendu. Regulation of sulfur on growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
Citation: WEI Lin, LIU Xiang, YANG Hao, ZHU Kongsong, WU Shendu. Regulation of sulfur on growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
shu

不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控

    通讯作者: Tel：15105272715，E-mail：gclx_2007@126.com; 
  • 河海大学农业科学与工程学院，南京，210098
  • 收稿日期:  2021-11-02
  • 录用日期:  2022-02-14
  • 网络出版日期:  2022-03-25
基金项目:
江苏省自然科学基金( BK20200527 )和中央高校基本科研业务费项目(B200201026)资助.

摘要: 为探究不同C/N污水下下硫对微藻生长、水体净化与油脂积累的调控作用，以斜生栅藻为研究对象，通过改变NH+4-N浓度配制了4种不同C/N的实验用水，对比研究了斜生栅藻在无硫和含硫条件下经5 d培养后的生长、碳氮利用与油脂合成情况。结果表明，外源硫添加可有效促进微藻的生长，当C/N为15时，藻细胞密度达到最大，为1.23×107 cells·mL−1，较无硫条件提高了90%；同时，外源硫也有助于提升藻细胞对碳氮的利用效率，微藻对有机物的利用效率随着C/N的降低而升高，并在C/N为7.5时最大，为80.33%，较无硫条件提升了63%；当C/N为7.5时NH+4-N去除率为73.6%，较无硫条件提升了149%，其余实验组别NH+4-N去除率均达100%；此外，在含硫条件下，油脂产率和油脂含量均随着C/N升高而降低，均在C/N为7.5时达到最大，油脂产率为5.04 mg·(L·d)−1，相较于无硫条件提升了50.51%，油脂含量为15.4%，较无硫条件下降了33.3%，表明硫加入可有效提升油脂产率但不利于油脂积累，在低C/N条件下促进作用更强。综合来看，当C/N在7.5—15时，外源硫加入取得的综合效益最佳。通过探究微藻生长、碳氮利用、油脂积累的适宜条件，可为微藻的精细化培养提供参考。

English Abstract

    全文HTML

  • 随着社会经济的高速发展，人类正面临着能源匮乏和水环境污染的双重危机，亟需开发环境友好、可重复再生的清洁能源。相较于化石能源，生物质能源因具有可再生性、原料丰富和环境友好等优点[1]，被认为是环境可持续发展框架下新能源的重要发展方向[2]。在众多生物质原料中，微藻具有生长周期短、光合效率高、适应污水生长以及“不与人争粮和不与粮争地”的优势，被认为是一种极具潜力的生物柴油生产原料[3]。当前，利用微藻制备生物柴油，已成为新型可再生清洁能源开发的研究热点，但高成本问题始终制约着微藻生物柴油的产业化进程[4]。因此，如何提升油脂产率，提高微藻工艺的综合效益已成为促进微藻生物燃料实现低成本、规模化生产的关键。

    截止目前，营养盐调控仍是提高微藻产量及油脂含量的可靠方法[5]，通常情况下，培养体系中营养成分如碳、氮、硫等的变化会影响微藻生长与内部物质的积累[6]。碳是微藻生长必不可少的营养元素[7]，约占藻细胞干质量的50%，是藻细胞的主要组成部分。KHAWAJA等[8]研究表明，不同碳源对促进微藻生长存在较大差异，在异养情况下，小分子碳源更有利于微藻生长。氮是蛋白质合成的重要元素，对促进碳源代谢至关重要。ANAND等[9]研究表明，贫氮条件更利于微藻积累油脂，富氮条件更利于促进微藻生长，存在兼顾微藻生长与油脂积累的氮浓度。碳、氮的耦合作用对微藻生长的促进作用也不容忽视。ZHENG等[10]指出，C/N过低会抑制微藻生长，过高不利于释放微藻生长潜力，存在适宜微藻生长的最适C/N。此外，硫是微藻碳氮代谢的关键偶联元素，调控着微藻生长和细胞代谢过程。LV等[11]研究表明，硫酸盐缺乏会削弱微藻生长与污水净化的能力；王倩雅等[12]也指出，硫限制会导致藻细胞碳氮代谢途径重新调整。当前，针对营养元素影响微藻生长、油脂积累的研究主要集中于单一碳源、单一氮源方面，而对不同C/N条件下硫元素的影响研究较少，而从硫元素出发研究微藻的生长、胞内组分动态变化，对全面了解微藻光合产油机制具有重要意义。

    因此，本研究以斜生栅藻为研究对象，探究了微藻生长、碳氮去除、油脂积累与脂肪酸分布对水体C/N变化的响应规律以及硫在其中的调控作用，旨在了解不同C/N条件下硫对微藻光合作用、碳氮利用和油脂积累的影响，以期为探究微藻碳流趋向油脂积累的光合营养机制提供参考。

    • 1.   材料与方法 (Materials and methods)

      1.1.   实验藻种及培养

    • 本实验选用由中科院淡水藻种库提供的斜生栅藻(Scenedesmus obliquus，FACHB-12)作为受试藻种。斜生栅藻属于绿藻门，适应污水环境且对营养盐具有较高的吸收转化能力，是生产生物柴油的优势藻种[13]。实验前先将藻种在无菌条件下转接至装有BG11培养基的锥形瓶中，于(25±1) ℃、光照度4800 Lx，光暗比12 h:12 h的恒温培养箱(PGX-350B，宁波赛福实验仪器有限公司)中进行扩大培养，培养期间应每天随机变换锥形瓶位置以保证受光均匀，并按时摇动锥形瓶3次确保藻水混合均匀。实验中所用玻璃制品、培养基等均经高温高压灭菌后使用(温度121 ℃，时间20 min)。

      • 1.2.   实验用水

    • 乙酸钠、氯化铵是促进微藻生长的优质营养盐[14-15]，因此，本实验选用乙酸钠和氯化铵分别作为实验用碳源、氮源，并结合前人已有研究配制实验用水[16]，即1 L实验用水中包含385 mg NaAc(300 mg·L−1 COD)；115 mg NH4Cl(30 mg·L−1 NH+4-N)；13 mg KH2PO4；0.55 mg FeCl2·4H2O；6 mg CaCl2；66 mg MgCl2·6H2O；1 mL A5溶液 (A5溶液为微量金属的混合液，1 L的A5溶液包括：0.08 g·L−1 CuCl2·2H2O、1.86 g·L−1 MnCl2·4H2O、0.22 g·L−1 ZnCl2、0.39 g·L−1 Na2MoO4·2H2O、0.05 g·L−1 Co(NO3)2·6H2O、2.86 g·L−1 H3BO3)。其中，根据调整配方中NH4Cl的质量配制氮元素浓度分别为0、5、10、20、40 mg·L−1的实验用水。此外，将配方中的FeCl2·4H2O、MgCl2·6H2O替换成等质量的FeSO4·7H2O、MgSO4·7H2O，用于配制含硫实验用水。上述实验用水配制完毕随即置于高压灭菌锅(SN310C，日本雅马拓公司)中灭菌，隔夜冷却后使用。

      • 1.3.   实验设计

    • 本实验在已有研究基础上设置4种不同C/N水平[17](C/N水平为：7.5，15，30，60)及缺硫、含硫两种条件，对照组中不含NH4+-N，每组设置3个平行实验。首先，将藻液置于BG11培养基中培养10 d至对数生长期，再将对数生长期藻液置于高速冷冻离心机(TGL168，长沙湘智离心机有限公司)，在3500 r·min−1、4 ℃条件下离心8 min，舍弃上清液，用15 mg·L−1的NaHCO3溶液冲洗藻体并离心2次，以去除藻细胞表面吸附的营养盐；随后用无菌水冲洗、离心2次再将其转入无氮培养基培养3 d以耗尽藻细胞内营养盐并离心获取藻细胞；最后用无菌水冲洗、离心3次后用无菌水再悬浮，测定藻细胞密度后供实验使用。实验开始时，在已灭菌的锥形瓶里加入500 mL实验用水，再加入一定量上述实验藻液，保证初始接种密度为1×106 cells mL−1，实验周期设置为5 d。每天定时取样。在培养结束后，离心收集各平行实验微藻生物量并富集于50 mL离心管中，经冲洗和真空冷冻干燥(DZF-6020，上海煜南仪器有限公司)用于油脂与脂肪酸测定。

      • 1.4.   实验分析方法

      1.4.1.   藻细胞计数

    • 取混匀的藻浓液1 mL于15 mL离心管中，用无菌水稀释至10 mL并摇匀，用滴管取适量藻液注入血球计数板(25×16)并利用显微镜(CX33，南京奥力科学仪器有限公司)计数3次，若3次误差大于10%，则重新计数直至符合实验标准。同时，保证每个计数格中的藻细胞数为5—8个，以便精准计数，否则应调整藻液稀释倍数重新计数。

      • 1.4.2.   微藻标准计数曲线绘制

    • 取适量藻密度已知的藻浓液按5倍梯度稀释7个样品(每个梯度下的藻密度可根据计算得到)，利用紫外可见分光光度计(DR 6000，美国哈希公司)在682 nm波长下进行测定，以得到的吸光度值为横坐标，藻密度为纵坐标绘制藻密度标准曲线(y=197.53x，R2=0.9999)。

      • 1.4.3.   水质参数、油脂相关指标测定

    • 水质参数：污水pH采用pH计(FE 28，美国梅特勒-托利多公司)测定；水体COD采用COD快速消解仪(DRB 200，美国哈希公司)测定；水体NH+4-N浓度采用纳氏试剂分光光度法(HJ535-2009)测定。

      油脂含量及脂肪酸：取适量真空冷冻干燥后的微藻混合样于试管中，加入10 mL盐酸溶液，在70 —80 ℃下水浴，至试样消解完全；取出试管，加入10 mL乙醇并混匀，将试管中的水解液转移到分液漏斗中，用乙醚石油醚混合液冲洗试管和塞子，冲洗液并入分液漏斗中，加盖振摇后静置，将醚层提取液收集到250 mL烧瓶中，按上述步骤重复提取水解液3次，再用乙醚石油醚混合液冲洗漏斗，并收集到已恒重的烧瓶中，将烧瓶置水浴上蒸干，最后置于 (100 ± 5) ℃干燥至恒重，计算油脂含量。然后对脂肪进行皂化以及脂肪酸甲酯化处理，再利用气相色谱仪(Agilent 7890A，美国安捷伦公司)进行脂肪酸分析，色谱柱为HP-88 (100 m×0.25 mm×0.20 μm)，检测器为FID，采用分流方式进样，分流比为0.8。

      其中，Mt为收获时藻的生物质浓度(mg·L−1)，Lt为收获时总脂含量，t为培养时间。

      • 1.5.   数据处理与分析方法

    • 实验数据采用SPSS 25进行单因素方差分析，采用LSD法进行统计检验，P<0.05表示差异有统计学意义；采用Origin 2017进行绘图。

    2.   结果与讨论 (Results and discussion)

      2.1.   不同C/N条件下硫对微藻生长和系统pH的影响

    • 图1为无硫和含硫条件下，水体的C/N对微藻生长的影响情况。培养到第5天，含硫条件下各组别藻细胞密度显著高于无硫组(P<0.05)。

      如图1所示，在无硫条件下，斜生栅藻在培养初始阶段经过短暂的适应期后加速生长，藻细胞密度不断升高，随着C/N的增大，藻细胞密度也逐渐上升，培养到第5天，C/N为60的组别藻密度达到最大，为6.46×106 cells·mL−1；而在含硫条件下，藻细胞密度在C/N为15时达到最高，为1.23×107 cells·mL−1，较无硫条件提升了90%。无硫条件下藻细胞密度较低主要是因为藻细胞内加氧酶的酶活性降低，并诱导活性氧的产生，从而抑制了生长[18]。硫作为叶绿素合成的重要因子，加入后可有效促进藻细胞合成叶绿素，进而增强微藻光合作用，促进了藻细胞生长[19]，使得含硫条件下藻细胞密度有了较大的提高。MICHAL等[1]通过实验也证实了这一点。此外，在高C/N条件下碳源充足，随着氮素的消耗，氮逐渐成为微藻生长的限制因子[20]，而氮元素作为氨基酸的重要组成部分，需要以适当的形式进行合成或外部补充[21]，培养环境中氮元素降低反而影响藻细胞利用碳源进行增殖，致使微藻生长受到限制。周涛等[22]通过实验还发现，NH+4-N不宜过高，否则会对藻细胞产生毒害作用，影响其正常生长。因此，在微藻精细化培养过程中应综合考虑碳氮硫等的影响。

      图2为不同C/N下无硫、含硫条件对微藻生长系统pH变化的影响情况。由图2可以看出，在无硫条件下，各组别pH均呈现先上升后下降的趋势，且均在第2天达到最大，随后趋于稳定。这主要是由于：在无硫条件下藻细胞利用营养物合成生命活动必要的蛋白质、叶绿素等过程受到抑制，生长潜力无法释放，且在低C/N条件下系统中的NH4+-N表现出毒害性，进一步抑制细胞生长，进而导致系统pH下降[3]；在含硫条件下，各组别pH变化存在较大差异，C/N为30和60的实验组呈先升后降的趋势，C/N为7.5和15的实验组在培养周期内pH逐渐升高，表明这2组有较大的生长潜力。硫元素加入后，有效驱动藻细胞大量合成叶绿素等光合作用必要前体物，光合作用增强，光合作用产物增多，使得系统pH有一定提高。

      • 2.2.   不同C/N条件下硫对微藻碳氮去除效率的影响

    • 图3为不同C/N下无硫、含硫条件对微藻去除NH+4-N能力的影响情况。由图3(a)可知，在无硫条件下，微藻对NH+4-N的去除率随着C/N增大而升高；培养到第3天，C/N为60的实验组中微藻对NH+4-N的去除率高达100%，高于低C/N组别。而由图3(b)可知，在含硫条件下，当C/N为15、30、60时，微藻对NH+4-N的去除率均能达到100%，C/N为7.5的实验组微藻对NH+4-N的去除率为73.6%，较在无硫时提升了1.49倍。对比无硫、含硫条件下，C/N为60的实验组去除率差异不明显，含硫条件下C/N为7.5、15和30的实验组中斜生栅藻对NH+4-N去除能力显著优于无硫条件(P<0.05)。其原因是，硫元素加入后藻细胞生长加快，吸收利用NH+4-N的能力增强，相较于无硫条件，能更多的利用NH+4-N合成有机物质，从而提高NH+4-N去除效率。

      图4为不同C/N下无硫、含硫条件对系统COD值的影响。由图4可知，含硫条件下微藻对有机物的去除效率优于无硫条件，且在培养前期微藻对营养物的利用效率更高。整体看来，COD去除率随着C/N降低而升高。培养到第5天，含硫条件下各实验组中微藻对营养物的去除率均高于50%，在C/N为7.5时COD值较初始下降了82.29%，去除效率达到80.33%，较无硫条件提升了63%；而在C/N为15、30、60时，微藻对营养物的利用效率分别是无硫条件的1.43、1.48、1.37倍。硫元素加入有效提升了微藻对碳源的利用效率。这主要是由于微藻从无氮培养基中转入含硫实验污水后大量合成叶了绿素、蛋白质等物质，藻细胞大量吸收营养物质以满足自身生理需求。GALINA等[23]也指出，藻细胞在合成蛋白质、油脂等过程中需要提供能量进行支撑，进一步促进藻细胞吸收有机物。此外，本研究的结果表明，当C/N在7.5—15时，微藻生长与碳氮利用的综合效益较好，但适宜不同种类微藻生长的条件存在差异，兼顾不同微藻碳氮利用与生长的C/N可能会有一定区别[24]。

      • 2.3.   不同C/N条件下硫对微藻油脂含量、产率及脂肪酸分布的影响

    • 图5(a)为不同C/N下无硫、含硫条件对油脂含量的影响情况。由图5(a)可以看出，无硫条件下，实验组的油脂含量在11.8%—24.4%，且随着C/N的增大先升后降，在C/N为15时达到最大，为24.4%，低于无硫对照组的53.1%，在氮、硫双重限制下的油脂含量是单一硫限制的3.34倍。有研究表明，营养盐限制越多更有利于碳流趋向油脂积累[25]。而在含硫条件下，油脂含量在6.5%—15.4%，且随着C/N增大而减小，在C/N为7.5时最高，占细胞干质量的15.4%，但远低于无硫条件的23.1%。这说明硫元素加入反而不利于微藻积累油脂。其原因在于藻细胞受到营养盐限制等外界环境胁迫时更倾向于积累油脂[26]，当硫元素限制或缺乏时影响了藻细胞正常生长，油脂作为一种持久性储能物质，对藻细胞应对营养胁迫和维持正常生命活动具有重要意义[27]，因此，藻细胞在硫胁迫时油脂含量更高。此外，氮限制也有利于微藻积累油脂且较低的C/N更利于油脂合成，油脂含量最高可达15.9%。这主要是由于氮素缺乏降低微藻对氮的同化作用，引起藻细胞内部小分子前体物和还原力积累，更利于微藻细胞合成油脂。ANAND等[9]也指出，氮素限制会抑制蛋白质等物质的合成，驱使藻细胞趋向更多的油脂积累。

      不同C/N水体中微藻油脂产率对比情况如图5(b)所示。在无硫条件下，油脂产率随着C/N增大先下降后上升，在C/N为60时达到最大，为3.35 mg·(L·d)−1。而在含硫条件下，C/N为7.5、15和30的实验组油脂产率均高于无硫条件，且随着C/N增大产率降低，油脂产率在C/N为7.5时达到最大值，为5.04 mg·(L·d)−1，较无硫条件提升了50.51%。其原因在于硫限制虽然有效提升了油脂含量，但同时加剧了生长和脂质合成的矛盾，外源硫加入后刺激了藻细胞生长，释放了微藻生长潜力，以此来弥补油脂含量降低带来的损失，从而提高了油脂产率；且随着C/N的降低，藻细胞利用营养物质促进生长的效率更高，增殖速率更快，从而能进一步弥补损失。黄怡等[28]通过研究发现，高硫条件更利于提升油脂产率，而本实验结果表明，高硫条件提升油脂产率不仅受硫浓度影响，还与培养体系的C/N息息相关。当C/N较高时，外源硫加入未能有效提升油脂产率，而随着C/N的降低，油脂产率才逐渐升高。因此，在进行微藻精细化培养时，既要关注硫浓度，也应综合考虑不同C/N的影响。

      表1为不同C/N下无硫、含硫条件对斜生栅藻脂肪酸组成及相对含量的影响情况。由表1可知，十六烷酸(C16:0)、十八烷酸(C18:0)、十八碳烯酸(C18:1)、十八碳二烯酸(C18:2)、十八碳三烯酸(C18:3)占据脂肪酸的绝大多数。在无硫条件下，各实验组中C18:1相对含量较高，但均小于对照组，且随C/N增大先下降后上升，在C/N为60时最大，为47.11%。对含硫条件而言，C/N为7.5、15、30、60的组别培养5 d后C16—C18的脂肪酸对总脂肪酸的占比分别为97.11%、97.67%、97.63%和97.23%。单不饱和脂肪酸含量随C/N增大先升高后降低，在C/N为15时达到最大，为48.45%。有研究表明，生物柴油的理化性质与脂肪酸组分密切相关[29]，C16—C18的脂肪酸更适宜生产生物柴油[30]，并且高品位的生物柴油应尽量多地含有单不饱和脂肪酸且尽量减少饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸含量[31]，而单不饱和脂肪酸更有利于提升生物柴油的低温流动性、氧化安定性等性能[32]。因此，C/N为15时得到的油脂产物更利于生产高品质柴油。

    3.   结论 (Conclusion)

    • (1)外源硫加入有利于释放微藻生长潜力，且C/N较低时硫促进生长的效果更好。培养到第5天，C/N为15的达到最大，藻密度为1.23×107 cells·mL−1，较无硫条件提升了90%。

      (2)外源硫加入可有效提升微藻对碳、氮源的利用效率。C/N为7.5时微藻对有机物的利用效率最高，为80.33%，较无硫条件提升了63%；C/N为7.5时，水体NH+4-N的去除率为73.6%，较无硫条件提高了149%，其余各组NH+4-N均能完全去除。

      (3)外源硫加入有利于提高油脂产率但不利于油脂积累。油脂产率随着C/N升高而降低且在C/N为7.5时达到最大，为5.04 mg·(L·d)−1，较无硫条件提升了50.51%；低C/N条件下油脂含量更高，C/N为7.5时油脂含量为15.4%，较无硫条件下降了33.3%；C/N为15时单不饱和脂肪酸含量最高，更适宜生产高品质生物柴油。

    参考文献 (32)

返回顶部

目录

/

返回文章
返回

Copyright © 2019 中国科学院生态环境研究中心