（环境工程专业论文）蓝藻厌氧发酵产沼气的研究.pdf

摘要 摘要 近年来太湖蓝藻暴发频繁，作为太湖富营养化治理的重要应急措施，大量蓝藻被打捞、 堆放。蓝藻是一种富含多种有机物质的生物质原料，其利用值得深入研究。将蓝藻作为资 源加以利用，变废为宝，在改善环境的同时，又获得资源的利用价值。本文概述了近年来 国内外对蓝藻资源的综合利用情况，并且提出了将蓝藻作为沼气发酵原料加以利用的资源 化方式，为蓝藻资源化利用提供理论依据和技术支持。全文的研究内容包括如下： ( 1 ) 对厌氧颗粒污泥、消化污泥、剩余污泥与蓝藻混合厌氧发酵产沼气进行了研究。 结果表明，蓝藻与污泥混合可以有效促进沼气发酵。在蓝藻与厌氧颗粒污泥物料比为6 ：1 时，产气效果最佳，沼气产率为7 3m l g v s ，最高甲烷含量为6 9 ，平均产气速率为1 3 8 m l d ，累计产气量为5 9 5 0m l g 干物质，分别是蓝藻与消化污泥、剩余污泥混合发酵时的 1 5 、2 3 倍。厌氧颗粒污泥、消化污泥、剩余污泥与蓝藻混合，其v s 降解率为1 1 4 0 1 3 7 3 ，c o d 减少了2 7 9 7 0 , , - 4 6 3 8 。厌氧发酵对蓝藻藻毒素的含量有较大影响，分别从 3 5 6p g l 、3 6 6p g l 、2 4 4 斗g l 降低到检测限5i t g l 以下； ( 2 ) 通过测定发酵过程中沼气产量和发酵液的各项指标，研究了接种物浓度对蓝藻 厌氧发酵产沼气的影响。研究结果表明，在试验采用的2 5 、5 、1 0 三个水平的接种 物浓度中，接种物浓度为5 的实验组产气效果最佳，沼气产率为7 9 2 6m l g v s ，最高甲 烷含量为5 5 1 3 ，累计产气量达1 1 1 5m l ，分别是接种量为2 5 、1 0 的2 9 7 、1 2 4 倍， n h ：- n 含量以及p h 值都在正常范围内； ( 3 ) 对提高蓝藻厌氧发酵产沼气效率的方法进行了研究。研究结果表明：不同的预 处理方法均可不同程度地提高产气量和甲烷含量。热处理的最佳条件为1 0 0 ，处理时间 3 0m i n ；碱法处理的最佳条件为加碱量o 0 6g g v s ；酶法处理的最佳条件为碱性蛋白酶加 入量0 0 8m l g v s 。其中，酶法处理的产气启动最快，第一天产气量高达5 8 0m l ：热处理 的累积产气量最多，沼气产率为1 2 9 8 2m l g v s ；碱法处理的甲烷含量最高，为7 8 0 2 ， 比未处理的蓝藻增加了2 0 。0 0 6g n a o h g v s 的碱处理组，v s 降解率最高，达3 5 4 3 。 对蓝藻进行不同预处理后，厌氧发酵过程中的v f a 含量变化与产气量之间表现出明显的 正相关。从整个厌氧发酵过程中各项指标分析及工业化应用方面考虑，碱法预处理更符合 蓝藻快速减量化、资源化的要求。 关键词：蓝藻，沼气，厌氧发酵，污泥 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eb l u ea l g a eb l o o m sf r e q u e n t l yi nt a i h ul a k ea n dal o to fb l u ea l g a e w e r es a l v a g e da sam e t h o do fe u t r o p h i c a t i o nc o n t r 0 1 b l u ea l g a ei sak i n do fb i o m a s s r e s o u r c e sw i t hv a r i e t yo fu s e f u lm a t e r i a l w h i c hi sw o r t h yo fi n t e n s i v es t u d y m a k i n gt h e p o l l u t i o ni n t or e s o u r c e sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ro u t l i n e d t h ec o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no fb l u ea l g a er e c e n ty e a r sh o m ea n da b r o a d ，t h e np u t sf o r w a r dt h eu t i l i z a t i o no f b l u ea l g a ea sr a wm a t e r i a lf o rb i o g a sf e r m e n t a t i o n 啊1 es t u d yp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sa n d t e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h eu t i l i z a t i o no fb l u ea l g a e r e s u i t sw e r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef e a s i b i l i t yo fm e t h a n ep r o d u c t i o nf r o mb l u ea l g a et h r o u g ha n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n f r o mt h em i x t u r eo fb l u ea l g a ea n da n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ，d i g e s t i v es l u d g ea n de x c e s s i v e s l u d g e ，r e s p e c t i v e l y ，w e r ei n v e s t i g a t e d i ti n d i c a t e dt h a tm e t h a n ef e r m e n t a t i o nw o u l db e e n h a n c e db yc o d i g e s t i o no fb l u e a l g a ea n ds l u d g e 1 1 1 eb i o g a sy i e l d sw a s7 3m l g v s m a x i m u mm e t h a n ec o n t e n tw a s6 9 a n da v e r a g eb i o g a sp r o d u c t i o nr a t ew a s13 8m l dw h e n t h em a t e r i e lr a t i oo fb l u ea l g a ea n da n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a s6 ：1 b i o g a sy i e l d sw a s 5 9 5 0m l g v sf o rt h em i x t u r eo fb l u ea l g a ea n dg r a n u l es l u d g e ，w h i c hw a s1 5 ，2 3t i m e sa s l l i 曲a st h a to ft h ec o d i g e s t i o nw i t hd i g e s t i v ea n de x c e s s i v es l u d g e ，r e s p e c t i v e l y m o r e o v e f t h ea l g a et o x i nc o n t e n tw a sd e c r e a s e ds h a r p l y , f o ri tw a sb e l o wt h ed e t e c t i o nl i m i t a t i o no f5 u g la f t e rt h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o np r o c e s sf i n i s h e d ( 2 ) b ym e a s u r i n gt h ei n d i c a t o r so ff e r m e n t a t i o nb r o t ha n db i o g a s ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o ni n o c u l u m so na n a e r o b i cd i g e s t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h e5 i n o c u l u m sc o n c e n t r a t i o nh a st h eb e s tg a sp r o d u c t i o nw h e ni n o c u l u mc o n c e n _ t r a t i o ni n c r e a s e d f r o m2 5 t 0 1 0 t h eb i o g a sy i e l d sw a s7 9 2 6m l g v sw i t ht h eh i g h e s tm e t h a n ec o n t e n to f 5 5 13 t h ec u m u l a t i v eg a sp r o d u c t i o na m o u n t e dt o “15m l t h ev a l u ei s2 9 7 1 2 4t i m e s o ft h a ta ti n o c u l u m so f2 5 a n d10 r e s p e c t i v e l y ，n l ec o n t e n t so fn i - 1 4 + - na n dp hv a l u e s f o r5 i n o c u l u mc o n c e n t r a t i o nw e r en o r m a ld u r i n gt h ew h o l e p r o c e s s ( 3 ) 1 1 圮m e t h o d st oe n h a n c et h ee m c i e n c yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tv a r i o u sp r e t r e a t m e n t sc o u l di n c r e a s et h eg a sp r o d u c t i o na n dm e t h a n e c o n t e n t sa td i f f e r e n tl e v e l 1 1 1 eh e a tt r e a t m e n tw a so p t i m i z e da tt h et e m p e r a t u r eo f10 0 a n d t h ep r o c e s s i n gt i m eo f3 0m i n n l eo p t i m u mn a o ha d d i t i o nw a so 0 6e c g v sd u r i n ga l k a l i t r e a t m e n t n 圮o p t i m u ma l k a l ip r o t e a s ea d d i t i o nw a s0 0 8m l g v sd u r i n ge n z y m et r e a t m e n t t l l es p e e do fg a sp r o d u c t i o nw a st h eh i g h e s ta tt h ef i r s td a ya f t e ra l k a l ip r o t e a s ep r e t r e a t m e n t , w h i c hw a su pt o58 0m l w h e nt h eb l u ea l g a ew e r et h e r m a l l yt r e a t e di na na u t o c l a v e ，t h e a c c u m u l a t i v eg a sp r o d u c t i o nw a s12 9 8 2m l g v s ，w h i c hw a st h eh i g h e s ta sc o m p a r e dt ot h e g a sp r o d u c t i o ni no t h e rp r e t r e a t m e n t s a f t e rn a o ht r e a t m e n t ，t h em e t h a n ec o n t e n tw a s 7 8 0 2 w h i c hw a st h eh i g h e s tc o m p a r e dw i t ht h eo t h e rp r e t r e a t m e n t sa n di n c r e a s e d2 0 t h a nt h a to ft h ec o n t r o lg r o u p v f ac o n t e n t sa n dg a sp r o d u c t i o na f t e rd i f f e r e n tp r e t r e a t m e n t s i na n a e r o b i cf e r m e n t a t i o np r o c e s ss h o w e dap o s i t i v ec o r r e l a t i o n k e yw o r d s ：b l u ea l g a e ，b i o g a s ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n , s l u d g e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是芬人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江 南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：尘旺导师签名： 日期：型颦尘l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 蓝藻资源化利用的意义 1 1 1 我国湖泊富营养化现状及危害 湖泊是陆地表面具有一定规模的天然洼地的蓄水体系，是湖盆、湖水以及水中物质 组合而成的自然综合体。我国是一个多湖泊的国家，约有2 万多个湖泊，占世界天然湖 泊的1 1 0 ，大于1k m 2 的天然湖泊就有23 0 0 余个，总面积为7 17 8 7 k m ，约占全国总面积 的8 左右【l j 。湖泊是重要的国土资源，它不仅为人类提供饮用水源，而且在农业灌溉、 工业生产、水产养殖、航运交通、水力发电、健身游乐、调节气候、改善区域生态环境 等许多方面都有重要作用。 然而近年来，随着我国工农业的迅猛发展以及城市化进程的加快，工业废水、生活 污水、农业灌溉废水中污染物排放量日益增加，同时，湖泊资源开发活动加剧，人们环 保意识淡薄，湖泊富营养化问题日益突出。湖泊富营养化是指水体接纳过量的氮、磷等 营养性物质【总氮( t n ) 达0 2m g l ，总磷( t p ) 达0 0 2m g l ，使水体中藻类以及其他水生 生物异常过度繁殖，水体透明度和溶解氧下降，造成水质恶化，使水域生态和水功能受 到阻碍和破坏，严重的甚至发生水华，给水资源的利用造成破坏，给湖泊水环境及其生 态系统带来严重后果的过程。1 9 9 1 年：1 2 2 个湖泊中，5 1 富营养化；2 0 0 5 年：1 3 3 个湖 泊中，8 8 6 富营养化。目前我国大约有6 6 以上的湖泊、水库处于富营养化的状况。 其中，重富营养化和超富营养化的占到2 2 以上，而这一趋势仍在加剧。 湖泊的富营养化问题在很大程度上是由于人类活动造成的，如低水平的制造业产生 的工业废水，现代化农业生产中大量流失的农药、化肥，未经处理的城镇生活污水，高 密度水产养殖遗留的剩余饵料，以及航运、旅游等水上活动产生的一些污染物等等，都 造成了富营养物质大量输入湖泊。湖泊生态系统本身是有一定的自净能力的，如水草、 芦苇、沉水植物、湖畔湿地等都是天然的净化器。而现在由于人类对湖泊的围垦，湖泊 沿岸的水利工程等破坏了湖泊的自净系统，从而造成营养源的输出途径减少，营养物质 大量过剩，最终形成富营养化。 湖泊水体的富营养化，造成的一个突出问题就是引发蓝藻水华的暴发。蓝藻是水中 的浮游植物，当水中的氮、磷等营养盐浓度大量增加后，为其快速繁殖提供了有利的条 件，加上适度的温度光照等条件，形成蓝藻暴发性生长，漂浮在水面上，从而形成水华。 大量的蓝藻水华堆积死亡后，还会分解产生对人体及水体生态系统有害的藻毒素。研究 表明，大规模的河湖蓝藻水华暴发，将造成饮用水源污染，河湖生态遭到严重破坏，水 资源的利用效率降低，以及巨大的经济损失。同时，蓝藻毒素将影响公众的健康生活， 造成水环境安全隐患。 湖泊富营养化主要有以下几种危害【2 】： ( 1 ) 使水体变得腥臭难闻在富营养状态的水体中生长着很多藻类，其中蓝藻 门的束丝藻属和鱼腥藻属会散发出类似猪圈中令人难闻的臭味，而土腥素及硫醇、吲 江南大学硕士学位论文 哚、胺类、酮类等厌氧菌的次生代谢产物，则使水体散发出土腥味、霉腐味、鱼腥味等 臭味。这种腥臭，一旦向湖泊四周的空气扩散，将直接影响、干扰人们的正常生活，给 人以不舒适的感觉。 ( 2 ) 降低水体的透明度在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大 量水藻。这些水藻浮在湖水表面，形成一层“绿色浮渣”，使水的透明度下降n o 2m ， 湖水感官性状大大下降。我国五大淡水湖之一的巢湖，每年都形成以铜绿微囊藻为主的 水华，覆盖巢湖水域面积之半。而我国云南滇池现在也正面临这样的状况，令人担忧。 ( 3 ) 影响水体的溶解氧首先，富营养湖泊的表层密集藻类，使阳光难以透射进 入湖泊深层，因而湖底层溶解氧随之减少。其次，湖泊藻类死亡后不断地向湖泊沉积， 不断地腐烂分解，也将消耗深层水体中大量的溶解氧，严重时可能使深层水体的溶解氧 消耗殆尽而呈厌氧状态。这种厌氧状态，可以触发或者加速底泥积累和营养物质的释 放，造成水体营养物质的高负荷，形成富营养水体的恶性循环。 ( 4 ) 向水体释放有毒物质早在一百多年前，f r a n c i sg 首次报道了澳大利亚的亚 力山湖中含泡沫节球藻( n o d u l a r i as p u m i g e n am e r t ) 的水体引起家畜和家禽中毒死亡的 事件。这之后，g o r h a mp r 和z e h m d e ra 等人先后报道淡水蓝藻毒素水华在美国、加 拿大、南非、南美、日本、印度等国家引起动物死亡。目前已知能够产生毒素的淡水蓝 藻大约有l l 属2 5 种。最近的研究表明，由蓝藻微囊属、鱼腥藻属、颤藻属及束丝藻属的 某些种类或品系产生的次生代谢产物微囊藻毒素能损害肝脏，影响蛋白磷酸酶的活动， 引起动物中毒和死亡，还具有促癌效应，直接威胁人类的健康和生存。林毅雄等人研究 了滇池富营养化的主要藻种铜绿微囊藻对小白鼠的致毒作用，结果表明铜绿微囊藻 可使小白鼠肝脏增重，肝脏超微结构发生明显变化，致使小白鼠中毒死亡。 ( 5 ) 影响供水水质并增加制水成本湖泊常常是生活饮用水和工业用水的供给水 源。富营养水体在作为供给水源时，会给制水厂带来一系列问题。首先是在夏日高温藻 类增殖旺盛的季节，过量的藻类会给制水厂在过滤过程中带来障碍，需要改善或增加过 滤措施。其次，富营养水体可能含有硫化氢、甲烷和氨等有毒有害气体和水藻产生的某 些有毒物质，在制水过程中，增加了水处理的技术难度，同时也直接威胁着饮用水的安 全问题。 ( 6 ) 影响水生生态在正常情况下，湖泊水体中各种生物都处于相对平衡的状态。 一旦水体受到污染而呈现富营养状态时，大量鱼类因窒息而死亡，水生生物的稳定性和 多样性明显降低，湖泊的生态平衡遭到破坏。研究表明，随着湖泊富营养化的发展，鱼 的种类和水产品种类明显减少，同时藻类、浮游动物和底栖动物的种类数减少而个体丰 度急剧增加，水生生物群落生态平衡受到严重破坏，水生生物多样性明显下降。 ( 7 ) 加速湖泊填平、衰亡随着富营养化水体中大量藻类的繁殖、死亡、沉积， 湖泊的底泥不断积累，湖床逐渐抬高，湖水变浅，向沼泽转化，大大加速了湖泊的衰老 进程。 2 第一章绪论 1 1 2 太湖富营养化现状 太湖是我国长江中下游地区五大淡水湖之一，位于长江三角洲南翼坦荡的太湖平原 上，水面面积23 3 8k m 2 ，流域面积3 65 0 0k m 2 ，湖泊平均水深为1 8 9m ，最大水深2 6m ， 是典型的浅水湖泊【3 j 。以太湖为中心的太湖流域，有3 7 个大中城市及县级市，其中包括 上海、苏州、无锡、常州、嘉兴、湖州等大城市，总人口约40 0 0 万人。太湖流域是我 国经济发展较快的地区之一。太湖水是沿湖居民的生命之水，其中苏州和无锡的生活、 生产用水中8 0 取自于太湖。 自2 0 世纪6 0 年代以来，湖水营养盐含量便开始逐渐增加，使太湖绝大部分水域已 进入了富营养化状态。从19 8 9 年起，每到高温季节蓝藻就会大面积暴发而形成水华。 1 9 9 0 年7 月5 日至2 9 日，湖面蓝藻大面积暴发，形成厚达0 5m 的藻类聚集层，水质 腥臭，堵塞了梅园水厂的取水口，使日产2 0 万吨的水厂一度只能生产2 万吨自来水， 因供水不足而造成1 0 6 家工厂停产，经济损失1 3 亿元；1 9 9 5 年6 月，整个梅梁湖和西 北湖区约1 2 0k m 2 的湖面暴发的大面积蓝藻水华也引发了一场供水危机，直接经济损失 上亿元；1 9 9 9 年无锡市因太湖水总磷、总氮的增加，造成蓝藻大暴发，致使鱼类死亡、 水厂停水。2 0 0 0 年平均太湖2 9 的水体为中富营养水平，7 1 已达富营养水平1 4 1 。根据 中国科学院太湖湖泊生态系统研究站的观测，太湖北部污染严重的梅梁湾、竺山湖、贡 湖的各项水质指标在2 0 0 1 2 0 0 5 年之间依然持续升高。太湖湖心藻类叶绿素a 含量也呈 逐年上升趋势。1 9 9 7 - 2 0 0 6 年全太湖水质均不达标，1 9 9 9 2 0 0 1 年全湖综合评价为v 类， 其余年份均为劣于v 类，t n 超标严重【5 1 。 2 0 0 7 年4 、5 月份太湖再次大规模暴发藻类水华，无锡市饮用水源地受到污染，造 成严重供水安全事件的发生。2 0 0 7 年4 月下旬，太湖比往年提前一个月形成大面积蓝藻 水华。5 月2 8 日起，无锡市在太湖运行的最后一个水源取水口南泉水厂取水口，因 来源不明的污水团的出现，水质大幅度下降，出厂水发生腥臭味，导致5 月2 8 日至3 1 日期间无锡市民上街抢购瓶装水的恐慌现象。昔日的太湖明珠正在悄然失色，原来风景 优美、碧波荡漾的湖面常常被厚厚的蓝藻覆盖，并随风散发出阵阵腥臭味。 1 1 3 蓝藻资源化利用的意义 蓝藻问题是整个环太湖地区今后面临的主要问题之一。从环境方面而言，富营养化 水体中失控疯长蓝藻可以称为“绿色灾害”。但从另一个角度，富营养化水体中蓝藻高 效吸收和消纳污染水体中大量的氮、磷及有机污染物，也能起到净化水质的作用。因此 如对其进行研究，使之变害为利、变废为宝，达到综合治理的目的，将是一项很有意义 的工作。 一方面，藻类生长起到了聚磷、固氮的作用，如果我们在藻类腐化前将藻类从水体 中分离出来，就等于取走水中的氮、磷，为水体氮、磷的减少做出了贡献。利用藻类处 理废水和人畜废物早就有研究f 6 - 1 0 1 。逯多等人的研耕1 1 1 表明，藻类的生长速率与水中磷 的去除速率成正比关系：不同磷浓度的水体中，藻类除磷最高可达5 0 ；而磷浓度越低， 去除效果越好。魏东等【1 2 】用糖蜜废液进行螺旋藻的培养，当废水c o d 在5 0 0 - 33 0 0m g l 3 江南大学硕士学位论文 时，总c o d 、糖、n h 4 + - n 、p 0 4 孓p 的去除率分别为7 5 、8 0 、7 0 8 5 、6 0 7 5 。 另一方面，蓝藻营养成份非常丰富，具有很好的开发利用前景。特别是近年来对蓝 藻的利用己成为生物学、生命保健学、食品工程学等学科研究和开发的热点。据文献报 道 1 3 】，滇池蓝藻的氨基酸成份远远高于鱼腥藻，与螺旋藻不相上下。初步估算，滇池每 年可收获的蓝藻鲜重为1 00 0 0t ，其中可用于资源化的量约为50 0 0t 。l t 蓝藻干粉可生产 藻蓝蛋白5 0 8 0k g 、藻多糖2 0 埏、藻毒素l 砖；同时还可与其它原料混合制成饲料或肥 料在农业上应用。从这一角度来说，各大湖泊富营养化为我们蓝藻的综合利用提供了丰 富的原料来源。 1 2 蓝藻资源化利用情况 1 2 1 蓝藻简介 蓝藻又称蓝绿藻，或称蓝细菌，属于原核生物，目前，人们对多数蓝藻种类还缺乏 基本的研究，对有害有毒蓝藻的研究相对较多。蓝藻是原核生物中最原始、最古老的藻 类植物，出现在距今3 5 亿年3 3 亿年前。作为原核生物，蓝藻没有细胞核，具有真核生 物中进行光合作用的主要色素叶绿素a ，并在光合作用中释放出氧气。现在己知有l5 0 0 多种，分布遍及世界各地，能够适应不同的环境，特别是对高温、高盐有很强的适应性。 蓝藻偏好中性和碱性水体，部分种类具有气囊，总气囊的体积占整个细胞的2 之o ， 可自主调节在水体中的垂直位置，这就是它们能够在湖泊产生趋表聚集的最主要的原 因。 蓝藻形态各异，但是以球形单细胞和丝状藻体为主，多数蓝藻种类以多个细胞被无 色透明的胶鞘包裹聚集，形成形态各异的不定形群体。蓝藻的细胞繁殖是简单的无性分 裂。微囊藻是我国湖泊最常发生的水华蓝藻种类。其群体常由几十个、数百个甚至上千 个单个细胞组成。 蓝藻对于光的利用能力非常强。一般高等植物的光能利用率通常是5 0 0 - - 6 ，而蓝藻 的光能利用率高达1 8 ，光合效率达4 3 ，是一般农作物的3 倍和1 4 倍以上【1 4 j 。因此， 对蓝藻进行深入研究将提供很有价值的资料，具有重要的意义。而蓝藻体内含有特殊的 藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白等营养物质，还具有广阔的市场和发展前景。 1 2 2 蓝藻资源化利用国内外研究动态 目前国内外对藻类的研究利用主要集中在螺旋藻、小球藻等藻类上，对蓝藻治理方 面的研究较多，但对其综合利用的研究相对滞后。国内外蓝藻的利用方式主要有以下几 种【1 5 1 ： ( 1 ) 提取天然色素 蓝藻中含有丰富的天然色素物质。如叶绿素、胡萝卜素、藻蓝素、叶黄素等。脂溶 性色素和水溶性色素可分别通过不同萃取方式提取出来，太湖等淡水湖的蓝藻中色素含 量比较丰富，1 0 0k g 的干藻可分别提取4k g 叶绿素、1 7 0g 胡萝卜素和1 7 0g 叶黄素等。目 前，螺旋藻中的藻蓝素、类胡萝卜素作为天然色素已用于食品和化妆品中，进行商业生 4 第一章绪论 产。 ( 2 ) 提取藻胆蛋白 蓝藻能进行光合作用，其胞内含有一类特殊的光合辅助色素藻胆蛋白，含量可 达蓝藻细胞干重的1 5 。它包括别藻红蛋白、藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白三大类。它们主要 作为天然色素用于食品、化妆品等工业中。藻红蛋白可以发出橙色荧光，将其制成荧光 试剂用于生物及医学研究，生物大分子的分析。藻蓝蛋白能发出紫色荧光，将可作为生 物体内的荧光示踪物质用于临床医学诊断，由于其可吸收光能，可用于癌症病灶的处理。 体内外试验证明，藻蓝蛋白确具有光敏作用，且无毒，无副作用，可作为优质光敏剂用 于肿瘤的激光治疗。藻蓝蛋白提取物在适宜剂量时能直接抑制癌细胞株的生长，藻蓝蛋 白对肿瘤细胞的作用机理了解得还不是很清楚。而对别藻蓝蛋白其它方面的研究较少。 ( 3 ) 提取胞外多糖 很多蓝藻在细胞外能产生大量黏液质的多糖物质，这些多糖通常称之为细胞外被多 糖，是一种生物多聚物，其含量可达细胞干重的5 左右。蓝藻胞外多糖具有一定的生 理活性，其主要功能有：防止脱水、被其他生物吞噬和抗菌剂的毒害；螯合细胞生命活 动所必需的阳离子女n c a 2 + 和f e 2 + ：其还有絮凝作用，故可作为絮凝剂用于天然湖泊的澄 清、灌溉贮存水中固体悬浮物的去除、土壤贮水容量的提高等等，但其絮凝的机理还没 有研究清楚。邵雪玲等人的研究表明蓝藻z t h i e b a u t i i 细胞外多糖经纯化，进行了抗腹 水癌s a r - c o m a 1 8 0 活性( 体内) 和直接阻碍癌细胞活性( 体外) 的研究，显示出具有一定的 抗癌活性和直接阻碍癌细胞活性。目前蓝藻产多糖产量较低，寻找高产多糖的蓝细菌菌 株的工作是今后研究的重要方向。 ( 4 ) 提取生理活性物质 蓝藻提取物被发现具有抗菌的作用，资料表明，t y c h o n e m ab o u r r e l l y 、p h a n i z o m e n o n f l o s a q u a e 和c y l i n d r o s p e r m o p s i sr a c i b o r c k i f 的甲醇提取物有较好的抑菌效果，m i c r o c y s t i s a e r u g i n o s a 和t h o u r r e l l y f 的水提取物也有明显的抑菌作用；有的蓝藻在筛选中被发现具 有抗病毒的活性，r i n e h a r t 等发现他们所筛选出来的蓝藻提取物中，5 以上的都具有抗 疱疹i i 型病毒活性，另外也有5 以上的具有抗呼吸道合胞病毒的活性，但这些活性物 质的结构尚不明确，且大多有毒，用于医药较难，需进一步研究。许多蓝藻可提取酶抑 制剂，k a t s u m iy a m a g u c h i 从蓝藻中筛选出一种血管紧张素转化酶抑制剂，发现 m i - c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ，mv i r i d i s 和mw e s e n b e r g i i 的水溶性成分和脂溶性成分均显示较 明显的血管紧张素转化酶抑制剂活性，并且一些蓝藻中所产的色素可以强烈吸收紫外 线，从而有可能应用于化妆品领域。) 虬4 n a b a e n as p b q 1 6 1 得到的一种小分子肽可以作 用于小鼠离体心，从而可能开发为一种心脏活性剂。 ( 5 ) 制作有机肥料 中科院水生所在2 0 世纪5 0 年代研究表明，找到一种鱼腥藻，施用在水稻田中可使其 分粟数、穗数、粒数和千粒重都有提高，产量比对照增加2 4 。6 0 年代初时，苏联、印 度、日本等已有研究，在水稻田中接种固氮蓝藻，这些蓝藻是水生的，适宜在稻田中生 长，仍能使水稻获得增产。稻田中接种固氮蓝藻后，水稻长势良好，秧苗移植后返青快， 5 江南大学硕士学位论文 分蘖力强，稻谷产量提高7 1 0 。日本对蓝藻资源化利用的措施主要是将藻类作为有机 肥料，它的肥效优于一般化肥，氮、磷、钾含量均高于豆饼、紫云英等植物性有机肥料， 蓝藻中不含对作物及人体有害的重金属，使用后不会污染土壤。1 9 9 2 年，日本的脱水微 囊藻已全部实现肥料化，年产量1 2 0 1 8 0t 。微囊藻实现资源化利用后，其处理费用下降 了3 0 。 ( 6 ) 制作生物柴油 据世界石油俱乐部的数字，每公顷大豆可生产4 5 0l 生物柴油，棕榈可生60 0 0l ， 而每公顷蓝藻能生产9 万升生物柴油，而且还可以像农作物一样在地上种植。而蓝藻生 物柴油转化比例占其重量的5 0 ，一些企业尝试在塑料大棚内生产蓝藻，这样成本较高， 露天种植是唯一降低成本的选择。但从太湖打捞出来的蓝藻含脂类物质较少，只有 0 2 7 ，从蓝藻中提取油脂制作生物柴油不具有可行性。 ( 7 ) 生产单细胞蛋白 蓝藻经过生物转化处理得到大量酵母蛋白是一个很有潜力的蛋白质资源，酵母蛋白 含量高，营养均衡，目前价格为60 0 0 元吨，可替代豆饼等蛋白质产品，用作饲料行业 的原料。这类研究立足饲料方向，利用酵母发酵技术转化蓝藻蛋白质、糖类等营养物质， 制备符合饲料行业标准的饲料酵母产品。并且在转化过程中跟踪蓝藻毒素的降解和去 除。 1 2 3 目前存在的问题 虽然上述多种利用方式都可以促使蓝藻“变废为宝 ，但在实际应用中，蓝藻资源 化利用多年来一直未能得到产业化开发及大规模的应用推广，问题主要存在予以下几个 方面：规模暴发、打捞量大、脱水困难、破壁成本高及藻毒素残留。 2 0 0 7 年太湖蓝藻暴发后，直接打捞蓝藻作为应急措施，每天都有l0 0 0 多吨蓝藻水从 太湖水体中打捞上来，如果在整个太湖打捞，每天的打捞量可能是目前的数倍或者数十 倍。如不妥善处理，打捞上来的蓝藻水容易通过渗漏、径流重新回到太湖水域造成二次 污染，很难找到合适的场所来消纳如此多的蓝藻。蓝藻水中的水分高达9 7 以上，常规 的脱水方法很难将蓝藻分离出来，用喷雾干燥法去除水分代价昂贵。 和其他利用方式相比，直接还田是最经济的办法，但不是最安全的办法，因为蓝藻 中含有藻毒素，这些藻毒素对种子、根、茎、叶的影响如何，在土壤中的消解规律仍然 不太清楚，虽然沿湖农民有利用湖靛作肥料的传统，这个传统具有合理性，但未必具有 科学性。将蓝藻开发成保健食品、饲料、氨基酸肥料涉及的环节非常多，不仅涉及到脱 水、脱毒，还涉及到有益成分的动态变化。脱水脱毒应该掌握到什么程度才能开发出食 品、饲料和肥料，这些产品市场竞争力如何等等都是有待探索的问题。 1 3 蓝藻厌氧发酵产沼气资源化利用新策略 在众多资源化利用方式中，最安全的办法是将蓝藻水作为发酵原料通过厌氧发酵生 产沼气，沼气发电或者直接燃烧加以利用，沼渣沼液还田，或者将沼渣开发成饲料、有 机肥料。目前我国对于蓝藻厌氧发酵产沼气的研究刚刚起步，只处于实验室的产沼气潜 6 第一章绪论 力测试阶段。 董诗旭等【1 6 】进行了滇池新鲜蓝藻批量发酵产沼气的研究。研究结果表明：将直接从 滇池打捞的蓝藻液静置分层除去6 0 ( v ) 清水后，蓝藻的t s 为3 3 9 ，v s 为9 3 7 2 。 在平均温度为2 0 2 c 的发酵环境中，发酵6 6d ，蓝藻t s 产气潜力为4 8 7 3m l g ，v s 产气 潜力为4 9 1 0m l g ，甲烷的平均含量可达6 4 9 1 ，蓝藻t s 利用率为5 4 0 2 ，v s 利用率为 5 7 3 3 。仅以滇池蓝藻年产50 0 0t ( 干藻量) 计算，每年可产生2 0 0 多万m 3 沼气，可供 给1 万户城镇家庭使用。因此，利用蓝藻产沼气是可行的研究方向。 1 3 1 厌氧发酵技术 有机物的生物转化，可以在有氧的条件下进行，也可以在无氧的条件下进行。在有 氧条件下的生物处理法称为好氧生物处理法。而在无氧条件下，有机物的生物处理法， 则称为厌氧生物处理。 ( 1 ) 厌氧生物处理的反应过程 厌氧生物处理一般经历两个阶段。反应初期为产酸阶段，之后转入第二阶段，称为 产气阶段【1 7 】。整个反应过程如下图所示【1 8 】： 【产酸阶段)产气阶段) 图1 - 1 有机物厌氧分解过程示意图 f i g 1 - 1d e c o m p o s i n gp r o c e s so fo r g a n i cm a t t e r s 第一阶段( 产酸阶段) 在厌氧生物处理的第一阶段，高分子有机物在产酸菌( 兼性厌氧菌) 的作用下，被 分解成短链脂肪酸及醇类。例如，葡萄糖在丙酸菌的作用下，分解过程如下： 丙酸菌 3 c - v ! t 2 0 6 4 c 蟹 5 c 3 0 0 h + 2 c h 3 c o o h + 2 c 3 0 2 + 2 h 2 0 葡麓糖 丙酸酸酸 7 江南大学硕士学位论文 在上述的有机物分解过程中，常有大量的氢游离出来。氢的产生是这个阶段的特征 之一，所以这一阶段又称产氢发酵阶段。 在这一阶段，可降解的固体颗粒首先被水解成可溶性分子，这一过程成为水解过程， 之后产酸细菌即利用水解产物作为能量和生长基质，进行厌氧消化，产生醋酸等有机酸， 以及醇、氨气、二氧化碳、硫化物和能量，并形成细胞物劂1 9 l 。国内外研究已表明，水 解过程进行的快慢直接影响到第一阶段反应的快慢，因此水解过程是该阶段的限速步 骤。 在这有机物厌氧分解的第一阶段中，由于有机酸的大量积累，厌氧体系p h 值下降 ( 一般可达6 ) ，所以这一阶段又称作酸性发酵阶段。 第二阶段( 产气阶段) 在酸性发酵阶段的后期，由于分解产物氨的增加，有机酸得到了中和，p h 随 之回升，创造了有利于甲烷菌生长繁殖的偏碱性环境( 产甲烷菌最适p h 为7 2 7 5 ) 。 同时，有机物的厌氧分解过程随之转入第二阶段。 在这一阶段中，产甲烷菌( 专性厌氧菌) 将第一阶段的中间产物( 短链有机酸和醇 类) 继续分解成简单的化合物，如甲烷、二氧化碳、氨气等。由于这个阶段产生了大量 的甲烷气体，所以被成为产甲烷阶段。随着产甲烷菌的生长繁殖，有机酸、醇类的继续 分解，p h 值亦随之上升，所以相对第一阶段的酸性发酵而言，这一阶段又称作碱性发 酵阶段1 2 。 ( 2 ) 厌氧发酵过程的影响因素 o p h 值 p h 值是厌氧发酵过程的一个重要影响指标。不同的微生物类群所适合的p h 存在较 大差别，如产甲烷菌在p h 为6 8 7 2 时活性最高，当p h 低于6 2 时，产甲烷菌的生长 明显受到抑制，而此时产酸菌的活性仍然很旺盛，常导致p h 降至4 5 ，甚至更低，这种 酸化状态对产甲烷茵有毒害作用。不同的产酸菌也有不同的最适p h 范围，如产乙酸细 菌最适的p h 范围较广，其在偏酸或偏碱内( 6 0 8 0 ) 均具有较强的活性，丁酸梭菌的 最适p h 为偏酸性环境。因此，通过控制体系的p h 值可以得到不同的发酵末端产物。 根据发酵末端产物有机酸的组成可以产酸发酵分成以下发酵类型【2 i 】：( 1 ) 丁酸型发 酵( b u t y r i ca c i d - t y p ef e r m e n t a t i o n ) ，该发酵类型的主要末端产物是丁酸、乙酸、h 2 、c 0 2 和少量丙酸；( 2 ) 丙酸型发酵( p r o p i o n i ca c i d t y p ef e r m e n t a t i o n ) ，该发酵类型的主要末 端产物是丙酸，乙酸和少量丁酸；( 3 ) 乙醇型发酵( e t h a n 0 1 t y p ef e r m e n t a t i o n ) ，该类型 主要发酵末端产物是乙醇，并产生大量的1 4 2 ；( 4 ) 混合酸发酵( m i x e da c i d t y p e f e r m e n t a t i o n ) ，该类型乙醇、乙酸、丙酸、丁酸均占有相当的比例。不同的发酵类型均 有不同的p h 所控制，因此通过控制厌氧体系的p h 值可以得到不同的发酵类型，进而 得到不同的发酵产物。已有研究表吲2 2 1 ，p h 值通过控制厌氧发酵体系中各类产酸微生 物的生态位而决定污泥发酵液中末端产物的组成，是决定产酸发酵类型的决定性的生态 因子。 温度 8 第一苹绪论 温度和有机物的厌氧分解过程有密切的关系，温度越高反应速度越快，加速了分解 过程，因此可以缩短发酵时间，但温度的高低又决定着能耗问题。不同温度范围内存在 着不同类型的微生物。按温度范围不同可将厌氧发酵分为三种类型【2 0 】： a 低温厌氧发酵 该类型的温度范围为1 5 , - - 2 0 ，有利于低温细菌代谢，不需要人工加热，运行管理 简便，运行中能耗也低，但反应速度缓慢，所需的消化时间长。 b 中温厌氧发酵 该类型的温度范围为3 0 - , 3 5 ，这种发酵方式一般需要人工加热。与上述低温发酵 相比，中温发酵的运行管理要求较高，需不断的供给能量。中温发酵的反应速度较快， 所需的发酵时间比低温发酵少。正由于这一点，加上反应温度适中，故目前在厌氧生物 处理中大多采用中温发酵。 c 高温厌氧发酵 适宜温度为5 0 - - , 5 5 ，这一发酵方式耗热量多，运行管理要求也比上述两种发酵类 型高而且复杂。这种发酵方式目前应用较少。 碳氮比( c n ) 反应基质中的c n 比对发酵过程有较大的影响。碳氮比过高，组成细菌的氮量不足， 发酵液的缓冲能力较低，p h 值较易下降；碳氮比过低，则氮量过高，p h 值可能上升到 8 0 以上。试验表明，碳氮比为( 2 0 3 0 ) ：l 时，发酵效果较好【17 1 。 搅拌 在有机物的厌氧发酵过程中，让反应体系中的微生物和营养物质( 有机物) 混合， 充分接触，将使得整个反应体系的物质传递和转化过程加快。通过搅拌，可使有机物充 分分解，增加反应效果。 接种量 当总固体含量很高时，为了提供足够的厌氧微生物，提高厌氧发酵的速度，接种量 也相应的增大。接种量少时，可能会使厌氧发酵起始时间延长。 有毒物质 在厌氧发酵中，如果有毒物质超过允许浓度，将会对厌氧发酵产生阻碍甚至破坏， 产甲烷菌通常比产酸菌更