氣升式微生物碳捕獲燃料電池固定CO2及積累油脂研究.pdf

1、隨著全球氣候變暖和能源危機(jī)問題的加劇，探尋高效捕獲溫室氣體CO2并產(chǎn)生新能源的方法成為環(huán)境與能源領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。市政污水培養(yǎng)微藻被認(rèn)為是生物固定CO2并耦合生物柴油生產(chǎn)最具潛力的可持續(xù)發(fā)展方法之一。但是市政污水中氮濃度明顯低于微藻培養(yǎng)基中氮濃度從而影響微藻的生長，進(jìn)一步影響CO2的固定效率和油脂的產(chǎn)率。此外，不同藻株的生理特征和遺傳特性存在明顯差異。針對(duì)這兩個(gè)問題，本文首先考察了不同的小球藻株對(duì)市政污水的耐受能力、CO2的固定效

2、率和油脂的積累能力，確定性能最好的小球藻株。然后結(jié)合微生物碳捕獲電池(MCC)會(huì)連續(xù)不斷傳遞陽離子(如:Na+、K+、NH4+、Ca2+和Mg2+)到陰極室和氣升式光生物反應(yīng)器(ALP)的高混合效率和氣液傳質(zhì)效率等優(yōu)點(diǎn)，首次構(gòu)建了氣升式微生物碳捕獲燃料電池(ALMCC)，將確定的性能最好的小球藻株培養(yǎng)于ALMCC的陰極室中提高了小球藻的生物質(zhì)產(chǎn)率，進(jìn)而提高了CO2的固定效率和生物能源的產(chǎn)率，同時(shí)去除市政污水中的污染物。本研究避免了培養(yǎng)基

3、的使用，對(duì)微藻固定CO2和生物能源產(chǎn)生過程中減少能量的使用和溫室氣體的排放具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。具體研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)將10株小球藻分別培養(yǎng)在市政污水進(jìn)水(MWI)中考察它們的市政污水耐受能力、CO2的固定效率以及油脂的積累能力。結(jié)果顯示4株小球藻的生物質(zhì)濃度明顯高于其它藻株，分別是Chlorella vulgaris(ESP-6)、Chlorella64.01(FACHB-752)、Chlorellaregulari

4、s var.minima(FACHB-729)和Chlorella sp.(FACHB-484)。將這4株小球藻分別培養(yǎng)在MWI中并通入10％的CO2，培養(yǎng)15天后發(fā)現(xiàn)FACHB-484和FACHB-729的CO2固定率分別為123.15和124.73mg·L-1·d-1，明顯高于FACHB-752和ESP-6的CO2固定率(p≤0.05）。但是FACHB-484和FACHB-729的CO2固定率沒有顯著性差異(p≥0.05）。利用紅外

5、光譜的方法計(jì)算4株小球藻的油脂含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ESP-6的油脂含量最高，達(dá)到58.48％。掃描電鏡圖顯示FACHB-484和ESP-6的細(xì)胞形貌保持相對(duì)完整，而另外兩株小球藻的形貌不同程度上受到破壞，表明FACHB-484和ESP-6對(duì)市政污水的耐受能力較好。因此在10株小球藻中，F(xiàn)ACHB-484和ESP-6更適合培養(yǎng)于市政污水中用于CO2的固定和生物柴油的生產(chǎn)。
　　(2)針對(duì)市政污水培養(yǎng)微藻氮源不足的問題，將MCC和ALP相結(jié)

6、合首次構(gòu)建了ALMCC。將FACHB-484和ESP-6分別培養(yǎng)在ALMCC的陰極室并考察它們對(duì)ALMCC性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)ESP-6的ALMCC獲得最大的功率密度為558.22mW·m-3、CO2固定率為223.68mg·L-1·d-1以及油脂產(chǎn)率為21.75mg·L-1·d-1，比培養(yǎng)FACHB-484的ALMCC性能更高。進(jìn)一步將ESP-6作為培養(yǎng)對(duì)象，考察不同的光照強(qiáng)度(2.4、5.0、8.9和11.4W·m-2)對(duì)AL

7、MCC性能的影響，結(jié)果顯示在8.9W·m-2光照條件下，ALMCC獲得最大的功率密度和CO2固定率(分別為972.5mW·m-3和887.8mg·L-1·d-1)。油脂含量隨著光照強(qiáng)度逐漸增加，但是油脂產(chǎn)率在8.9W·m-2和11.4W·m-2光照條件下沒有顯著差異(p≥0.05），說明對(duì)ALMCC性能最佳的光照強(qiáng)度為8.9W·m-2。在最佳的光照強(qiáng)度下，ESP-6的CO2固定率是普通培養(yǎng)條件下的7.12倍。表明通過構(gòu)建ALMCC培養(yǎng)微

8、藻有效解決了市政污水培養(yǎng)微藻氮源不足的問題。
　　(3)以ESP-6為培養(yǎng)對(duì)象，在最佳光照強(qiáng)度8.9W·m-2條件下，將ALMCC與傳統(tǒng)MCC和單獨(dú)ALP的性能（產(chǎn)電、市政污水中污染物質(zhì)的去除效率、CO2固定率以及油脂積累能力）進(jìn)行比較。ALMCC產(chǎn)生的最大功率密度為972.5mW·m-3，COD、NH4+-N和PO43--P的去除率分別為86.69％、70.52％和69.24％，意味著ALMCC在產(chǎn)電和市政污水處理方面的性能比傳

9、統(tǒng)MCC的高。此外，ALMCC的CO2固定率分別是傳統(tǒng)MCC和單獨(dú)ALP的1.88和9.98倍，油脂產(chǎn)率分別是傳統(tǒng)MCC和單獨(dú)ALP的1.85和2.87倍。更重要的是通過能量平衡分析發(fā)現(xiàn)ALMCC系統(tǒng)的凈能量也分別是傳統(tǒng)MCC和單獨(dú)ALP凈能量的2.06和4.48倍，理論上產(chǎn)生的能量可以抵消消耗的能量。證實(shí)了ALMCC比傳統(tǒng)MCC和單獨(dú)ALP具有更好的性能。因此，首次構(gòu)建的ALMCC可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高濃度CO2的高效固定，生物能源（電能和生

10、物柴油）的高效產(chǎn)生以及市政污水的有效處理。
　　(4)采用兩階段培養(yǎng)策略培養(yǎng)小球藻ESP-6進(jìn)一步提高油脂產(chǎn)率，第一階段:將ESP-6培養(yǎng)在ALMCC的陰極室以提高生物質(zhì)產(chǎn)率（氮充足），第二階段:將在第一階段積累了大量生物質(zhì)的藻液轉(zhuǎn)移到單獨(dú)ALP中繼續(xù)培養(yǎng)以提高油脂含量（氮缺乏）。在兩階段培養(yǎng)模式中，ESP-6的CO2固定率在第7天達(dá)到最高(887.49mg·L-1·d-1)，油脂含量在第12天達(dá)到最大(54.23％)，但是油脂產(chǎn)