基于城市污水资源化的斜生栅藻室外培养条件优化

韩松芳，金文标，涂仁杰，周 旭，陈洪一

(哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳微藻生物能源工程实验室，广东 深圳518055)

基于城市污水资源化的斜生栅藻室外培养条件优化

韩松芳，金文标，涂仁杰，周 旭，陈洪一

(哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳微藻生物能源工程实验室，广东 深圳518055)

城市污水培养微藻，可在实现污水无害化处理的同时，回收生物质能源。从反应器宽度、混合方式、磁场3个方面优化了利用城市污水室外培养斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)的培养条件。结果表明：当反应器宽度为25 cm时，斜生栅藻干重与油脂产量较高，当反应器宽度为35 cm时，斜生栅藻油脂单位面积产量较高，较宽的反应器宽度表明深圳天气有利于斜生栅藻的室外规模化培养；较优混合方式为循环泵混合，该方式下斜生栅藻油脂产量相比不加混合的空白对照组提高了78.1%；将磁场应用于微藻培养中，当磁作用面积为2S、磁场强度为40 mT时，斜生栅藻油脂产量相比于不加磁场的空白对照组进一步提高了36.7%。

斜生栅藻；城市污水；室外培养；油脂产量

微藻生物柴油因其生产效率高、绿色环保的特性越来越受到各国研究者的关注[1-3]。在微藻生物柴油生产工艺中，微藻培养是一个重要环节。利用人工配制培养基培养微藻需消耗大量淡水资源，同时营养物质的投加进一步增加了微藻的培养成本[4-5]。与此同时，城市污水中因含有大量的氮、磷营养物质，易引起水华等环境污染问题。利用城市污水培养微藻，可在污水净化的同时，为微藻的生长提供丰富的氮、磷资源。

实验室条件下，利用人工光源的小规模培养难以满足微藻的产量需求，若想实现微藻的规模化培养，室外培养必不可少。同时，室外培养可直接利用自然光源，从而增强微藻生物柴油的经济性。室外微藻培养常用的培养装置有跑道式光生物反应器、板式光生物反应器、管式光生物反应器等。其中板式光生物反应器具有比表面积大、易于放大的特点[6]。板式光生物反应器常用宽度均较小，文献中所采用的较宽的宽度有10 cm[7]和15 cm[8]。同时，随着培养规模的扩增，微藻细胞间相互遮挡，使反应器中央的微藻处于光限制状态，微藻的培养效率大幅度降低。再加上室外环境条件复杂，对微藻的抗逆性也提出了更高的要求。斜生栅藻是一种产脂效率高、抗逆性强、对污水具有良好适应性的微藻[9]。同时磁场的应用可增强微藻的抗逆性[10]。因此，本文目的在于优化出深圳本地室外培养斜生栅藻时所用板式光生物反应器的较优宽度，并通过优化混合方式，外加磁场等手段提高微藻室外培养时的油脂产量及抗逆性，以期为以城市生活污水为培养基的微藻室外规模化培养提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 藻种与培养基

藻种斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)购买于中科院(武汉)水生生物研究所淡水藻种库，藻种采用BG-11培养基[11]进行传代培养保藏。

城市污水取自深圳大学城市政污水井，经潜污泵抽取除去粗大悬浮物后使用。污水水质如表1所示。

表1 大学城生活污水水质

1.1.2 试剂与设备

氯仿、甲醇、盐酸均为分析纯。DHG-9075A电热鼓风干燥箱，WSZ-200A回旋振荡器，VS-2500T多管旋涡混合仪，BT124S电子分析天平，DD-5 高速台式离心机。

1.2 试验方法

1.2.1 微藻培养

以BG-11培养基培养处于对数生长期的微藻为种子液，以相应的不加微藻的城市污水为空白对照，接种一定量斜生栅藻于生活污水中，使反应器中的液面高度相同，取达到稳定期的藻液测其干重与油脂产量。

1.2.2 微藻干重的测定

微藻的干重采用称重法测定。10 mL藻液经预称重(W1)的微孔滤膜(Φ0.45 μm)过滤、洗涤，于105℃下烘至恒重(W2)，不加微藻的空白对照组干重为W0，微藻干重(DW)的计算公式如下：

DW=(W2-W1-W0)/ 0.01

1.2.3 微藻油脂产量的测定

微藻油脂提取采用氯仿甲醇共溶剂提取法[12]。待提取结束后，收集氯仿相，转移至预称重的锡纸盘中，待有机溶剂挥发完全后，于80℃烘箱中烘至恒重，得到微藻油脂产量。微藻细胞油脂含量为微藻油脂产量与微藻干重的百分比。

2 结果与讨论

2.1 板式光生物反应器宽度的优化

室外培养筛选最佳反应器宽度时，所用微藻培养装置为一系列相同高度(50 cm)、长度(35 cm)，不同宽度(5、10、15、20、25、35 cm)的板式光生物反应器，加入生活污水使反应器中的液面高度同为40 cm。板式光生物反应器不同宽度下斜生栅藻产脂情况如图1所示。

图1 板式光生物反应器不同宽度下斜生栅藻产脂情况

由图1可以看出，随着反应器宽度的增加，斜生栅藻干重与油脂产量在反应器宽度为25 cm时达到最高，分别为0.40 g/L与0.06 g/L。与文献中常见的板式反应器宽度越小微藻生长越好不同，本试验反应器最佳宽度为25 cm，远大于文献中的宽度。这主要是因为文献中的培养一般为室内培养或在中高纬度室外培养，光强较弱。而深圳属于低纬度地区，光强较强。反应器宽度过小，会使微藻长期处于光抑制状态而抑制微藻生长。当反应器宽度过大，会使微藻长期处于光限制状态而限制微藻生长。因此，存在最佳的反应器宽度，并受外界光照强度的影响，光照强度越强反应器的最佳宽度会越大。

当藻液高40 cm，设定两个反应器间距为50 cm时，35 cm宽、1 000 cm长面积上共可放置5、10、15、20、25、35 cm宽度的反应器个数为18、16、15、14、13、11个。在此条件下计算反应器不同宽度下斜生栅藻油脂的单位面积产量，结果如图2所示。

图2 板式光生物反应器不同宽度下斜生栅藻油脂的单位面积产量

由图2可以看出，当反应器宽度越大时，在所设定的条件下斜生栅藻油脂的单位面积产量也增大，但增加幅度趋于减缓。当反应器宽度为35 cm时，斜生栅藻油脂的单位面积产量最大。综合考虑斜生栅藻油脂的单位体积产量与单位面积产量，以及反应器扩大化搭建与内部清洗的难易程度，最终确定35 cm为室外培养斜生栅藻板式光生物反应器的最佳宽度。因此，构建长约115 cm、宽35 cm、高80 cm的板式反应器，用于后续对反应器的进一步优化。

2.2 板式光生物反应器混合方式优化

混合可使藻液处于悬浮状态，从而提高微藻的光能利用效率并有效降低光抑制，提高CO2气体的溶解速率，并有利于O2从藻液中分离[13]，因此混合单元是反应器设计中的一个重要单元。混合方式选取循环泵、曝气板、曝气头3种方式。循环泵固定在反应器内侧壁上，流量为100 L/min，曝气头按相同间隔悬于反应器中，距底部2 cm，曝气板固定于反应器底部，控制曝气头与曝气板曝气量为0.2 vvm。另设一空白对照，不进行任何混合处理。斜生栅藻在不同混合方式下的产脂情况如图3所示。

图3 斜生栅藻在不同混合方式下的产脂情况

由图3可以看出，相较于空白对照组，增加了混合装置的试验组微藻干重与油脂产量大幅度提高。其中曝气板组斜生栅藻干重较高，为0.45 g/L，循环泵组油脂含量较高，为22.4%。由于油脂产量由微藻干重与油脂含量共同决定，因此总体表现为循环泵组油脂产量较高，为0.095 g/L，相较于无任何混合的空白对照组提高了78.1%。因此，选择循环泵作为室外利用板式光生物反应器培养斜生栅藻的混合方式，用于后续试验。

2.3 板式光生物反应器外加磁场优化

一定强度的磁场可以促进生物生长，增强生物对环境的抗逆性，有利于水质的净化[14-16]。试验所用为铁氧体普磁长方形磁铁，尺寸为150 mm ×100 mm ×25 mm，磁铁表面磁场最强处强度为100 mT。将磁铁以表面积最大的面相对，对称放于板式光生物反应器两侧，使反应器表面最强处磁场强度为80 mT，2块磁铁为1对，设定其作用面积为1S。相应的4块(2对)磁铁、8块磁铁(4对)的磁作用面积分别为2S、4S。考察不同磁作用面积对斜生栅藻生长与产脂的影响，另设一不加磁场的空白对照组，各组均以循环泵混合。取达到稳定期的藻液测其干重与油脂产量，结果如图4所示。

图4 斜生栅藻在不同磁作用面积下的产脂情况

由图4可以看出，随着磁作用面积的增加，斜生栅藻的干重与油脂产量先升高后降低，当磁作用面积为2S时达到最高，油脂产量相较于不加磁场的空白对照组提高了28.3%。

设置磁作用面积为2S，调节磁铁与板式反应器的距离使反应器表面磁场强度分别为20、40、60、80 mT，考察不同磁场强度对斜生栅藻生长与产脂的影响，另设一不加磁场的空白对照组，各组均以循环泵混合。取达到稳定期的藻液测其干重与油脂产量，结果如图5所示。

图5 斜生栅藻在不同磁场强度下的产脂情况

由图5可以看出，随着磁场强度的增加，斜生栅藻的干重与油脂产量先升高后降低，当磁场强度为40 mT时达到最高，油脂产量相较于不加磁场的空白对照组提高了36.7%。

3 结 论

本文从反应器宽度、混合方式、磁场3个方面优化了利用城市污水室外培养斜生栅藻的培养条件。结果表明：当反应器宽度为25 cm时，斜生栅藻干重与油脂产量较高，当反应器宽度为35 cm时，斜生栅藻油脂单位面积产量较高。优化的反应器宽度高于文献中常见的板式光生物反应器宽度，说明深圳天气有利于斜生栅藻的室外规模化培养。优化所得的较优混合方式为循环泵混合，该方式下斜生栅藻油脂产量相比于不加混合的空白对照组提高了78.1%。将磁场应用于微藻培养中，当磁作用面积为2S、磁场强度为40 mT时，斜生栅藻油脂产量相比于不加磁场的空白对照组进一步提高了36.7%。

[1] CHISTI Y. Constraints to commercialization of algal fuels [J]. J Biotechnol, 2013, 167(3):201-214.

[2] HAN S F, JIN W B, TU R J, et al. Biofuel production from microalgae as feedstock: current status and potential[J]. Crit Rev Biotechnol, 2014, 35(2):255-268.

[3] ABOMOHRA A E, JIN W B, TU R J, et al. Microalgal biomass production as a sustainable feedstock for biodiesel: current status and perspectives[J]. Renew Sust Energ Rev, 2016, 64:596-606.

[4] YANG J, XU M, ZHANG M X, et al. Life-cycle analysis on biodiesel production from microalgae: water footprint and nutrients balance [J]. Bioresour Technol, 2011,102:159-165.

[5] JIANG L, LUO S, FAN X, et al. Biomass and lipid production of marine microalgae using municipal wastewater and high concentration of CO2[J].Appl Energ, 2011,88:3336-3341.

[6] MORWEISER M, KRUSE O, HANKAMER B,et al. De-velopments and perspectives of photobioreactors for biofuel production[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2010, 87(4):1291-1301.

[7] ZHANG C W, ODI Z, REUVEN K,et al. An industrial-size flat plate glass reactor for mass production ofNannochloropsissp.[J].Aquaculture,2001, 195:35-49.

[8] 康少锋. 基于CFD的平板式光生物反应器内部结构的优化设计[D].上海：华东理工大学，2013.

[9] HAN S F, JIN W B, TU R J, et al. Optimization of aeration for biodiesel production byScenedesmusobliquusgrown in municipal wastewater[J].Bioproc Biosyst Eng, 2016,39(7):1073-1079.

[10] HAN S F, JIN W B, CHEN Y G, et al. Enhancement of lipid production ofChlorellapyrenoidosacultivated in municipal wastewater by magnetic treatment[J].Appl Microbiol Biotechnol, 2016, 180(6):1043-1055.

[11] STAINIER R Y, KUNISAWA R, MANDEL M, et al. Purification and properties of unicellular blue-green algae (orderChroococcales) [J]. Bacteriol Rev, 1971, 35(2):171-205.

[12] FOLCH J, LEES M, STANLEY G H S. A simple method for the isolation and purification of total lipids from animal tissues [J]. J Biol Chem, 1957, 226:497-509.

[13] UGWU C U, AOYAGI H, UCHIYAMA H, et al. Photobioreactors for mass cultivation of algae[J]. Bioresour Technol, 2008, 99:4021-4028.

[14] ZHONG P, LIN Z F, LIU Z W, et al. The sources, species and measurement of reactive oxygen species in aquatic environment[J].Ecol Sci, 2005, 24(4):364-367.

[15] JI Y L, WANG Y H, SUN J S, et al. Enhancement of biological treatment of wastewater by magnetic field[J].Bioresour Technol, 2010, 101(22):8535-8540.

[16] CAI J, WANG L, WU P, et al. Study on oxygen enrichment from airby application of the gradient magnetic field[J]. J Magn Magn Mater,2008,320:171-181.

OptimizationofoutdoorcultivationconditionsofScenedesmusobliquususingmunicipalwastewaterasresource

HAN Songfang, JIN Wenbiao, TU Renjie, ZHOU Xu, CHEN Hongyi

(Shenzhen Engineering Laboratory of Microalgal Bioenergy, Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, Guangdong, China)

Using municipal wastewater to cultivate microalgae can achieve not only harmless treatment of wastewater but also recovery algal biofuel as energy source. The outdoor culture conditions ofScenedesmusobliquuswere optimized from three aspects including width of the reactor, mixing method and magnetic field. The results showed that when the width of the reactor was 25 cm, the dry weight and the lipid yield ofScenedesmusobliquuswas higher, when the width of the reactor was 35 cm, lipid yield per unit area ofScenedesmusobliquuswas higher, indicating that the weather in Shenzhen was conducive to large-scale outdoor culture ofScenedesmusobliquus. When using circulating pump to mix, the lipid yield ofScenedesmusobliquuswas 78.1% higher than the control group without mixing. When magnetic area was 2S and magnetic field intensity was 40 mT, the lipid yield ofScenedesmusobliquusincreased by 36.7% compared with the control group without magnetic treatment.

Scenedesmusobliquus; municipal wastewater; outdoor culture; lipid yield

Q89；Q813

A

1003-7969(2017)11-0093-04

2017-04-01；

2017-08-18

深圳市科技计划项目(JCYJ20150529114024234)

韩松芳(1989)，女，博士研究生，研究方向为微藻生物能源(E-mail)hansongfang@stmail.hitsz.edu.cn。

金文标，教授，博士(E-mail)jinwb@hit.edu.cn。