2.3.2 MPBR中不同稀釋率對(duì)鈍頂螺旋藻生長和預(yù)采收的影響
選擇體積濃縮系數(shù)為2，初始藻液質(zhì)量濃度為1.828 g/L進(jìn)行MPBR中不同稀釋率對(duì)螺旋藻生長和預(yù)采收的實(shí)驗(yàn)研究。不同稀釋率下鈍頂螺旋藻生物量質(zhì)量濃度和pH變化見圖6。從圖6（a）可以看出，D＝0.08 d-1時(shí)反應(yīng)器中螺旋藻生物量質(zhì)量濃度穩(wěn)定在1.820 g/L左右；D＝0.10 d-1時(shí)生物量質(zhì)量濃度開始下降，開始出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象；當(dāng)D增大到0.13 d-1時(shí)生物量質(zhì)量濃度持續(xù)下降，出現(xiàn)了明顯的沖刷現(xiàn)象，導(dǎo)致反應(yīng)器中生物量質(zhì)量濃度不斷降低。因此，確定MPBR的最佳稀釋率為0.08 d-1。此外，膜組件的過濾作用使藻產(chǎn)品生物量質(zhì)量濃度明顯提高，最高可達(dá)3.319 g/L。本實(shí)驗(yàn)中體積濃縮系數(shù)約為2，與Bilad文獻(xiàn)報(bào)道中體積濃縮系數(shù)為4.4有一定差異，可能與膜組件，藻種等條件有關(guān)。因此，為進(jìn)一步增大體積濃縮系數(shù)，后期長期連續(xù)實(shí)驗(yàn)中考慮改進(jìn)過濾槽結(jié)構(gòu)，合理選擇膜組件材質(zhì)、孔徑、結(jié)構(gòu)等條件；同時(shí)進(jìn)行減緩膜污染的相關(guān)研究，提高膜的使用壽命，進(jìn)而明顯減少后續(xù)采收過程的能耗和成本。培養(yǎng)過程中MPBR中藻液pH變化見圖6（b）。螺旋藻生長過程中pH不斷上升，波動(dòng)范圍為9.4～9.8，與圖2（b）中pH變化趨勢相似，均在螺旋藻生長的適合范圍內(nèi)。
在培養(yǎng)過程中對(duì)培養(yǎng)液中的氮磷進(jìn)行了監(jiān)測，氮磷質(zhì)量濃度變化見圖7。研究發(fā)現(xiàn)，氮磷質(zhì)量濃度均隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)行而下降，分別從初始的297.338、75.945 mg/L分別減少至198.908、55.105 mg/L。分析原因可能有兩個(gè)：一是螺旋藻對(duì)營養(yǎng)鹽的吸收利用作用；二是因?yàn)槊刻觳墒找欢w積的藻液，同時(shí)加入去離子水，其稀釋作用使得培養(yǎng)液中離子濃度不斷下降。在第7天實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，培養(yǎng)液中均剩余一定量氮磷營養(yǎng)鹽，pH值也在螺旋藻生長的適合范圍內(nèi)，表明實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)液中氮磷質(zhì)量濃度能夠滿足螺旋藻的生長需求，加入的去離子水并未對(duì)螺旋藻的生長產(chǎn)生不良影響。由此可見，一定時(shí)間內(nèi)可以用一定體積的去離子水代替Zarrouk培養(yǎng)基補(bǔ)加到光生物反應(yīng)器中，節(jié)約營養(yǎng)鹽，降低螺旋藻培養(yǎng)成本。但在長期實(shí)驗(yàn)中，向Zarrouk培養(yǎng)基中加入去離子水的量要控制在保證營養(yǎng)鹽滿足螺旋藻生長需求的范圍內(nèi)。
MPBR中可將濃縮藻液過程中獲得的過濾液循環(huán)至光生物反應(yīng)器中重復(fù)利用，減少微藻培養(yǎng)過程中營養(yǎng)鹽和水資源的消耗量，降低培養(yǎng)成本。最佳稀釋率D＝0.08 d-1條件下，每天培養(yǎng)結(jié)束采收藻液后，MPBR中需補(bǔ)加296 mL過濾液和296 mL去離子水（忽略培養(yǎng)初始時(shí)取藻液30 mL），PBR中需補(bǔ)加592 mL Zarrouk培養(yǎng)基；由此可見，與PBR相比，MPBR每天節(jié)約水資源、氮、磷營養(yǎng)鹽的使用量分別為296 mL水、1.48 g NaNO3、0.296 g K2HPO4；MPBR中生物質(zhì)平均采收量0.983 g/d，即獲得1 g生物量，MPBR中可節(jié)約水、氮、磷的量分別為0.301 L、0.248 g、0.053 g。此外，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)長期連續(xù)運(yùn)行后，水資源和營養(yǎng)鹽的消耗量會(huì)進(jìn)行具體的核算。
圖6 MPBR中不同稀釋率下鈍頂螺旋藻生物量和pH變化
圖7培養(yǎng)開始和結(jié)束時(shí)藻液中氮磷變化
Livansky等研究發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基循環(huán)利用會(huì)導(dǎo)致斜生柵藻生物量產(chǎn)率降低，微藻自身代謝物的積累會(huì)限制微藻的生長；可能是由于藻細(xì)胞對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)鹽有離子選擇性吸收的特性，尤其是在長期、大量的循環(huán)利用過濾液時(shí)，過濾液中非限制性營養(yǎng)物質(zhì)的積累可能會(huì)抑制微藻的生長；同時(shí)微藻在生長過程中或者細(xì)胞溶解時(shí)釋放的某些代謝物（例如脂類、多糖、蛋白質(zhì)等）也會(huì)對(duì)微藻產(chǎn)生抑制作用。但在本實(shí)驗(yàn)中，過濾液循環(huán)使用沒有對(duì)微藻的生長產(chǎn)生不利影響，一方面可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)間較短，且每天補(bǔ)加去離子水對(duì)非限制性營養(yǎng)物質(zhì)的積累起到一定的稀釋作用；另一方面是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)培養(yǎng)液中生物量質(zhì)量濃度在2 g/L以下（Livansky研究中斜生柵藻生物量達(dá)到了3 g/L），微藻培養(yǎng)液中非限制性營養(yǎng)物質(zhì)以及藻細(xì)胞自身代謝產(chǎn)物等積累量很低，不足以對(duì)微藻的生長產(chǎn)生抑制作用。
3結(jié)語
基于PBR和MPBR培養(yǎng)和預(yù)采收鈍頂螺旋藻，確定了不同初始生物量質(zhì)量濃度和稀釋率對(duì)螺旋藻生長和預(yù)采收的影響以及MPBR在提高藻產(chǎn)品質(zhì)量濃度，節(jié)約水資源，節(jié)約營養(yǎng)鹽等方面的有效性。初始生物量質(zhì)量濃度約為1.8 g/L時(shí)進(jìn)行螺旋藻采收；與PBR相比，稀釋率為0.08 d-1時(shí)獲得1 g生物量，MPBR中可節(jié)約水、氮、磷的量分別為0.301 L、0.248 g、0.053 g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膜組件的加入可完全截留藻細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)和采收過程中的固液分離，提高藻產(chǎn)品質(zhì)量濃度，減輕微藻采收過程中后續(xù)脫水的能耗和成本；同時(shí)循環(huán)利用過濾液，節(jié)約水資源節(jié)約營養(yǎng)鹽，降低了微藻培養(yǎng)成本。
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