活性炭增值厭氧沼渣栽培螺旋藻

　　厭氧消化是將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣的生物過(guò)程，通過(guò)厭氧消化過(guò)程增加的沼氣產(chǎn)量引起了對(duì)液體消化物管理的一些問(wèn)題，如果處理不當(dāng)，可能會(huì)帶來(lái)一些環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。在處理消化物的不同技術(shù)中，微藻和藍(lán)藻培養(yǎng)已成為一種可持續(xù)的方法，可以在消化物中產(chǎn)生有價(jià)值的生物質(zhì)，用于生產(chǎn)生物燃料和高價(jià)值生物產(chǎn)品。然而，液體消化物的內(nèi)在參數(shù)可以強(qiáng)烈限制微藻或藍(lán)細(xì)菌的生長(zhǎng)以及限制殘余營(yíng)養(yǎng)物的吸收。在這項(xiàng)研究中，活性炭的處理潛力在螺旋藻之前對(duì)農(nóng)業(yè)工業(yè)液體沼渣進(jìn)行了評(píng)估栽培。

　　厭氧消化物和活性炭

　　使用的沼渣是在沼氣廠收集的，該工業(yè)廠房由兩個(gè)7000m3的消化池組成，在中溫條件下運(yùn)行，平均產(chǎn)生511Nm3/h的甲烷。原料主要由農(nóng)業(yè)殘留物、動(dòng)物糞便和食物垃圾組成。消化液直接從消化罐中取樣，隨后以50µm過(guò)濾以去除大顆粒。過(guò)濾后，在測(cè)試不同的吸附劑之前將其儲(chǔ)存在-20℃。活性炭在高于 800℃的溫度下對(duì)材料進(jìn)行了熱活化。在本研究中，通過(guò)混合20mL消化物和不同吸附劑濃度(5、10、25、50和100g/L)進(jìn)行消化物預(yù)處理實(shí)驗(yàn)。將混合物在室溫下以250rpm的速度保持?jǐn)嚢?小時(shí)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，雙相系統(tǒng)以10,000rpm離心5分鐘，上清液在分析前用1.6µm過(guò)濾器過(guò)濾)。

　　藍(lán)藻培養(yǎng)試驗(yàn)

　　鈍頂螺旋藻將菌株在位于溫室的氣泡柱光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)并維持?jǐn)?shù)天，并提供培養(yǎng)基(用軟化水稀釋兩次)和8g/L-NaHCO3。培養(yǎng)45天后，鈍頂藻培養(yǎng)物的光密度(680nm處)達(dá)到1.6，然后用作接種物。使用200mL的工作體積在250mL管中進(jìn)行藍(lán)藻培養(yǎng)測(cè)定。接種體積固定為總工作體積的20%。用軟化水和藻類接種物稀釋處理過(guò)的消化物和原始消化物，以達(dá)到20×、40×和60×的適當(dāng)稀釋倍數(shù)。為了評(píng)估是否有任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從接種物轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)基中，將陰性對(duì)照在相同條件下僅用軟化水培養(yǎng)。在相同條件下研究了使用培養(yǎng)基的陽(yáng)性對(duì)照。使用16/8小時(shí)的光/暗循環(huán)，人工光以60µmol/m2/s的平均強(qiáng)度照亮管子。通過(guò)以0.5–1L/min的流速連續(xù)注入空氣，使培養(yǎng)物保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)。

　　活性炭吸附試驗(yàn)

　　厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生的液體消化物是一種復(fù)雜的副產(chǎn)品，存在各種頑固化合物，通常會(huì)抑制藍(lán)藻增殖。因此，吸附預(yù)處理可用于降低消化物的整體毒性，以促進(jìn)藍(lán)藻生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收。然而，應(yīng)深入研究選擇合適的吸附條件，以實(shí)現(xiàn)高解毒反應(yīng)和相對(duì)較低的運(yùn)行成本。

　　不同濃度的活性炭對(duì)整體沼渣解毒性能表現(xiàn)出不同的反應(yīng)(圖1)。一般來(lái)說(shuō)，吸附容量在低吸附劑用量時(shí)相對(duì)較高，隨著COD、磷酸鹽和苯酚參數(shù)的吸附劑濃度的增加而降低。在相同參數(shù)的去除效率的情況下觀察到相反的行為。例如，COD去除率從23.6%到64.2%不等，同時(shí)將吸附劑濃度從5g/L增加到100g/L(圖1A)。然而，統(tǒng)計(jì)分析表明，將吸附劑濃度從50增加到100g/L對(duì)COD去除效率沒(méi)有任何顯著影響(p-值>0.05)。使用100和5g/L的活性炭分別實(shí)現(xiàn)了54.5%的最高磷酸鹽去除率和29.6mg/g的吸附容量(圖1B)。正如對(duì)COD所觀察到的那樣，磷酸鹽吸附能力隨著解毒測(cè)試中使用的活性炭數(shù)量的增加而降低。此外，活性炭與消化物中存在的酚類化合物具有高度反應(yīng)性。即使在5g/L的最低吸附劑濃度下，反應(yīng)2小時(shí)后也去除了39.6%的初始苯酚濃度，對(duì)應(yīng)的吸附容量為83.5mg/g(圖1C)。然后隨著活性炭濃度的升高，苯酚去除效率增加。在50g/L的活性炭下，從消化物中吸收了高達(dá)84.7%的苯酚，發(fā)現(xiàn)這與在100g/L下進(jìn)行的處理具有相同的顯著性水平(去除了87.8%的苯酚)。

　　圖1：用幾種濃度的活性炭處理農(nóng)用工業(yè)沼渣時(shí)，計(jì)算的COD(A)、PO4-P(B)和總酚(C)參數(shù)的吸附容量和去除效率。

　　栽培和生長(zhǎng)特性

　　厭氧消化物中存在的大量和微量營(yíng)養(yǎng)素的多樣性可能有利于藍(lán)藻代謝。即使活性炭預(yù)處理顯著降低了幾個(gè)參數(shù)，包括COD、濁度和苯酚含量，原料(4405mg/L)和預(yù)處理消化物(4220mg/L)的銨濃度仍然高于藍(lán)藻螺旋藻支持的閾值濃度(100–150毫克/升)。在這種情況下，使用以三種不同稀釋率稀釋的原始和預(yù)處理消化物進(jìn)行了一系列藍(lán)藻毒性測(cè)定：20×、40×和60×。未稀釋的消化物，無(wú)論是否用活性炭處理，都沒(méi)有在本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)槌醪脚囵B(yǎng)分析表明它們對(duì)培養(yǎng)物毒性太大(數(shù)據(jù)未顯示)。因此，該實(shí)驗(yàn)的目的是比較以不同稀釋率稀釋的兩種消化物以及兩個(gè)對(duì)照組之間的生長(zhǎng)性能。連續(xù)測(cè)量680nm處的OD超過(guò)10天，以評(píng)估所有條件下的生長(zhǎng)情況。在三種不同稀釋因子下測(cè)試的原始消化物(RD)和處理過(guò)的消化物(TD)條件下，觀察到類似生長(zhǎng)趨勢(shì)(圖2A、B)。當(dāng)增加原始和預(yù)處理消化物的培養(yǎng)基稀釋倍數(shù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更高的生長(zhǎng)反應(yīng)。同樣，滯后期受原始消化物和預(yù)處理消化物的稀釋因子的影響，觀察到的滯后期越長(zhǎng)，消化物越濃縮。例如，稀釋20倍和40倍的未處理消化物的滯后期分別持續(xù)4天和2天。在本研究中，根據(jù)稀釋倍數(shù)和預(yù)處理?xiàng)l件，使用221和71mg/L之間的初始銨氮(NH4+-N)濃度，鈍頂藻能夠增殖。一般而言，原始消化物和預(yù)處理消化物的更高稀釋度產(chǎn)生更高的生長(zhǎng)。

　　圖2：使用兩個(gè)對(duì)照組(A)以及以不同稀釋倍數(shù)(20×、40×和60×)稀釋的原始消化物(B)和處理過(guò)的消化物(C)的鈍頂螺旋藻生長(zhǎng)曲線。陽(yáng)性和陰性對(duì)照分別指使用合成培養(yǎng)基和軟化水。

　　活性炭增值厭氧沼渣栽培螺旋藻，本研究中使用的活性炭對(duì)最初存在于農(nóng)業(yè)工業(yè)沼渣中的幾種化合物具有顯著的吸附特性，包括顏色、苯酚、COD和磷酸鹽。一般來(lái)說(shuō)，增加活性炭劑量會(huì)產(chǎn)生更高的去除效率，但會(huì)大大降低材料的吸附能力。另一方面，活性炭吸附劑對(duì)氨氮去除的影響可以忽略不計(jì)，所有研究的吸附劑劑量(≤100g/L)的初始濃度幾乎沒(méi)有變化。因此，必須稀釋預(yù)處理過(guò)的消化物(至少20倍)，以降低銨的毒性并促進(jìn)培養(yǎng)試驗(yàn)期間的鈍頂藻增殖。將活性炭預(yù)處理與其他技術(shù)如離子交換材料(樹(shù)脂、沸石、粘土等)相結(jié)合以去除銨，可能是在不使用淡水輸入的情況下使用可持續(xù)藍(lán)藻培養(yǎng)基對(duì)厭氧消化沼渣進(jìn)行增值的解決方案。

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