介质阻挡放电等离子体预处理技术促进蓝藻厌氧发酵产酸的研究

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蓝藻水华一直是全球性重大环境问题,对蓝藻进行环境友好的处理与处置是关系国计民生的重要研究课题。蓝藻富含蛋白质、碳水化合物、脂类等营养物质,蓝藻的高值化再生资源回收利用成为近年来的研究热点。通过厌氧发酵对蓝藻进行资源化利用具备广阔应用前景和实践意义。但蓝藻细胞独特的刚性结构导致厌氧发酵效率不高,为强化蓝藻厌氧发酵效率,需针对蓝藻实行一定的预处理。目前已公开的蓝藻厌氧发酵预处理方法不多,因此,亟需开发高效环保的蓝藻厌氧发酵预处理技术。本文以介质阻挡放电等离子体作为蓝藻预处理技术,探讨其对蓝藻厌氧发酵过程中挥发性短链脂肪酸累积及蓝藻发酵液中微囊藻毒素浓度的影响。主要结论如下:(1)介质阻挡放电的放电电压、放电频率和处理时间均对蓝藻的溶解效果产生影响。随着放电电压、放电频率和处理时间的上升,上清液中溶解性化学需氧量的浓度也呈增加趋势,说明蓝藻的破解效果逐渐提高。但当放电电压大于15 k V,放电频率大于16 k Hz,处理时间超过30 min时,溶解性化学需氧量的增加变得不明显。因此,考虑到经济成本,选取电压15 k V,频率16 k Hz,处理时间30min进行后续的研究。(2)空白组在厌氧发酵的第8天产酸量升至最高的490 mg COD/L,介质阻挡放电预处理组在厌氧发酵的第6天产酸量升至最高的1609 mg COD/L,是空白组的3.3倍。因此,介质阻挡放电预处理不仅可以提高产酸量,还可以缩短厌氧发酵产酸量达到最高的时间。另外,介质阻挡放电预处理组乙酸含量为47.52%,高于空白组的32.58%,因此介质阻挡放电预处理不仅提高了蓝藻厌氧发酵的产酸量,还提高了酸的质量。(3)蓝藻厌氧发酵上清液的三维荧光分析结果表明,介质阻挡放电预处理有利于提高蓝藻溶解性有机物的可生化性。另外,介质阻挡放电预处理对腐殖质具有一定的破坏作用,这种破坏作用有利于减少厌氧发酵启动前期,腐殖质对厌氧发酵过程的负面影响,从而加快厌氧发酵的进程。(4)介质阻挡放电预处理会通过改变蓝藻厌氧发酵系统中微生物的群落结构从而提高厌氧发酵的性能。相比于空白组,介质阻挡放电预处理组中的厚壁菌门、拟杆菌门、绿弯菌门的丰富度存在一定程度的升高,而变形菌门的丰富度减少,从而提高了蓝藻厌氧消化过程的水解产酸效果。另外,介质阻挡放电预处理会降低厌氧发酵系统中广古菌门及甲烷丝菌属的含量,从而有利于挥发性短链脂肪酸尤其是乙酸的积累。(5)介质阻挡放电预处理促进蓝藻细胞中微囊藻毒素的释放,随着厌氧发酵的进行,介质阻挡放电预处理组微囊藻毒素浓度的下降速率高于空白组。在厌氧发酵的后期,介质阻挡放电预处理组中微囊藻毒素的浓度低于空白组,这将有利于蓝藻厌氧发酵上清液的回收利用。
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