基于稻草吸附微藻成膜的纤维载体、其制备方法和用途
阅读说明：本技术 基于稻草吸附微藻成膜的纤维载体、其制备方法和用途 (Fiber carrier for adsorbing microalgae to form film based on straws, and preparation method and application thereof ) 是由 张琦 黎紫含 刘玉环 崔宪 王允圃 路如梦 古志强 严洪彬 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于稻草吸附微藻成膜的纤维载体、其制备方法和用途,本发明利用稻草纤维载体吸附微藻并形成生物膜,其成膜方法包括(1)微藻接种物初步培养；(2)稻草纤维载体床层预备；(3)微藻生物膜培养及采收；(4)微藻生物膜复生。本发明的稻草生物载体是一种价格低廉、持久耐用且较易大规模化应用的微藻生物膜载体,其兼生物吸附剂不仅环境友好、表面粗糙、产量大可再生、分布广泛且无生物毒性,在支撑微藻细胞附着成膜的同时还可进一步用于去除废水中各类污染物,也可作为原料生产有机肥、高活性生物炭和能源、化工品；当纤维载体被真菌部分降解成的半腐烂稻草后作为有机复合肥可用于生态养殖或用于厌氧发酵产沼气。(The invention discloses a fiber carrier for adsorbing microalgae to form a film based on straws, a preparation method and application thereof, the invention utilizes the straw fiber carrier to adsorb microalgae and form a biological film, and the film forming method comprises (1) primary culture of microalgae inoculum; (2) preparing a straw fiber carrier bed layer; (3) culturing and harvesting a microalgae biofilm; (4) and (4) regenerating the microalgae biofilm. The straw bio-carrier is a microalgae biofilm carrier which is low in price, durable and easy to apply in a large scale, and the microbial adsorbent is environment-friendly, rough in surface, large in yield, renewable, wide in distribution and free of biotoxicity, can be further used for removing various pollutants in wastewater while supporting microalgae cell adhesion film formation, and can also be used as a raw material for producing organic fertilizers, high-activity biochar, energy sources and chemical products; when the fiber carrier is degraded into half-rotten straws by fungi, the half-rotten straws can be used as an organic compound fertilizer for ecological breeding or used for anaerobic fermentation to produce methane.)
技术领域
本发明属于微藻生物技术应用技术领域，具体涉及基于稻草吸附微藻成膜的纤维载体、其制备方法和用途。
背景技术
目前，微藻主流的生产培养模式或废水处理模式以悬浮式为主。但微藻的悬浮培养具有细胞干物质浓度低，能耗水耗大，气体传质效率低，微藻生物质收获难等缺点。且由于藻水分离不充分，还需借助气浮、离心、絮凝等高能耗技术用于收获，成本较高。相对于悬浮培养，附着培养系统中藻细胞与废水实现天然分离，可直接通过简单的刮除操作得以收获微藻，大大降低了微藻生产培养和废水处理的成本。因此，微藻生物膜不仅被认为是一种高效低耗的微藻培养方式，也是极具潜力的微藻基废水处理工艺之一。
生物膜系统中，附着微藻细胞形成生物膜的载体是该技术的关键。优良的生物膜载体材料应该具有表面粗糙、价格低廉、广泛易得、经久耐用、对细胞无生物毒性特性。现被广泛研究和运用的膜载体如玻璃纤维滤纸、不锈钢板、铝板、金属筛网这类材料不仅商业化应用代价高、难获得，且部分易腐蚀、生锈；滤纸、报纸和微孔滤膜等材料机械强度低，可重复利用性差，不适用于规模化的机械刮藻操作；棉布、棉绳等棉织物由于是天然纤维，长时间浸泡于废水中会腐蚀降解，损失较大。且在腐蚀变坏或生锈过程中可能会向培养液释放各种有机或者无机物质，比如金属板的腐蚀生锈，棉织物、纸张的腐蚀溶出等，对于藻生长存在潜在影响或生理毒性。通过砂纸打磨，激光刻蚀，3D打印和微结构化等操作粗糙化载体表面可促进微藻细胞附着，但这些方法相对费时费力，代价高昂，不适用于大规模化。
利用农林废弃物作为微藻生物膜的载体，相对于各种代价高昂，难以获得的优良人工载体，以稻草为例的木质纤维材料与微藻分别称为第二代生物质资源和第三代生物质资源，其环境友好、廉价易得、可再生、产量大且分布广泛，不仅表面存在丰富的天然粗糙，还具有优良的持水性。同时还可有效吸附去除废水中部分N、P、COD(20-40％)，且具有一定的阳离子交换能力，可部分去除废水中的铵根离子，可以起到吸附缓释废水中部分污染物的作用，进而有效降低废水对于微藻的初始抑制或者毒性作用。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种基于稻草吸附微藻成膜的纤维载体、其制备方法和用途。
本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明之一提供了基于稻草吸附微藻成膜的纤维载体的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)微藻接种物初步培养：利用BG 11作为标准培养基，将微藻在一定条件进行培养，经过4-7天的培养，当悬浮藻液吸光度(OD685)达到0.8-1.0后即可被用作微藻生物膜的接种物；
(2)载体床层预备：稻草在太阳光下自然干燥15天或通过105.0℃烘干24h后，将稻草进行破碎和筛分预处理后获得的一定粒径范围内的稻草原料，再将其均匀的铺设于微倾的斜面之上形成稻草纤维载体床层，斜面尾部设置有一片有机玻璃过滤筛网(孔径1.0mm)和一个集液槽；
(3)微藻生物膜培养及采收：取步骤(1)中的悬浮藻液接种物均匀滴附于步骤(2)中预铺设好的载体床层之上，随后每8h向载体床层上滴加BG 11培养液以保证载体材料的湿润性，24h后通过流动的灭菌BG 11培养液开始循环整个载体系统，观察微藻的附着及生物膜形成；经过12-16天培养，直至稻草纤维载体床层表面布满藻类并形成微藻生物膜，通过刮除的方式收获微藻生物膜，经过16/20天的培养，微藻产量在117.2-175.9g·m-2之间，产率为7.3-10.9g·m-2·day-1；
(4)微藻生物膜复生：采收刮除载体表面微藻生物膜后，以培养液中未附着成膜的藻细胞及床层中部或者底部附着残留的部分藻细胞为接种物，继续复生成膜循环培养直至表面形成致密生物膜，培养10-12天即可进行下一步刮除采收。
优选地，步骤(1)的培养条件为温度25.0±2.0℃，光照强度120.0μmol·m-2s-1，光照/黑暗比例为14h/10h，并通入2.0％浓度CO2。
优选地，步骤(2)中筛分后的稻草粒径为30～40目，此粒径状态下均匀铺设时所形成载体床层的最佳总持水量为4-5kg·m-2；最佳总比表面在200-250m2·m-2；斜面坡度为10～15°以便液体自然流过，最佳均匀铺设量为519.7g·m-2，此条件下12天后生物膜产率达7.32-10.92g·m-2·d-1。
优选地，步骤(3)循环流动的培养液流量为4.0±0.2mL·min-1；步骤(3)培养条件为温度25.0±2.0℃，光照强度120.0μmol·m-2·s-1，光照/黑暗比例为14h/10h。
优选地，微藻为斜生栅藻FACHB-416，小球藻FACHB-32或小颤藻FACHB-1052中的任意一种。
优选地，步骤(3)中稻草纤维载体床层及所形成的微藻生物膜可被直接机械刮除收获，并可采用低压板框压滤的方式进行分离采收，采收后的稻草纤维载体上和液相中残留的少量微藻均可同时作为下个培养循环的接种物，将采收后的载体再次回加，可实现循环培养和多次收获的规模化生产。
本发明之二提供了上述方法制备的基于稻草吸附微藻成膜的纤维载体。
本发明之三提供了上述方法制备的基于稻草吸附微藻成膜的纤维载体的用途，表面布满微藻生物膜的纤维载体用于废水处理，起到吸附缓释废水中污染物的作用。
利用稻草载体应用于废水处理部分，基于稻草理论最佳使用工况下对三种微藻进行成膜和废水处理实验，结果得出稻草可有效作为多种微藻的生物膜载体并处理废水。
其中小球藻所形成生物膜其出水各项指标均能达到一级A标准，稻草可有效吸附去除实际废水中23.2％COD、14.8％总磷、32.6％总氮、37.0％铵氮，且具有一定的阳离子交换能力，可以起到吸附缓释废水中部分污染物的作用，进而可以有效降低废水对于微藻的初始抑制或者毒性作用。
在净化废水的同时，小球藻在稻草载体生物膜上产量高达5.1g·m-2·day-1，而同条件下悬浮培养的产量只有2.3g·m-2·day-1。
优选地，当纤维载体反复使用2-4次，使用24-48日时，将被真菌部分降解成的半腐烂稻草载体收集，作为有机复合肥可用于生态养殖或用于厌氧发酵产沼气，全方位实现农林废弃物资源循环利用。
上述方法制备的基于稻草吸附微藻成膜的纤维载体的用途，采收后的固相纤维载体与所培养的微藻生物膜可机械刮除收获后不进行分离，二者混合物可直接作为原料生产有机肥、高活性生物炭(高氮、高吸附性)和能源、化工品。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
1、相较于悬浮培养，本发明最大优势在于全面利用稻草的表面粗糙、价格低廉、广泛易得、经久耐用、对细胞无生物毒性、环境友好、具有优良的持水性及可再生等优良载体特性，使得微藻在流动的状态下能自然吸附并在表面形成微藻生物膜，可利用简单刮除工艺采收微藻；整个过程不仅工艺低耗简便，同时提高了吸附载体的可重复利用性，相较于其他离心、沉淀、过滤等微藻收获方法更加节能高效、经济环保，机械化规模可行性高，有助于提高微藻培养效率和降低收获成本。
2、相较于其他生物膜载体，本发明以稻草作为微藻生物膜载体不仅有表面粗糙的截留捕获，还有静电力的吸附。微藻附着载体培养形成生物膜的过程中，会有真菌的出现，真菌可利用稻草作为碳源生长出丰富的菌丝，表面带有正电荷的菌丝可与表面带有负电荷的微藻细胞相互作用以有效固着微藻细胞，增大生物膜与载体之间的固着效果，减少水流冲刷造成的膜脱落损失的同时提高生物质产量。相较于悬浮培养，该技术能有效提高干物质浓度，提高气体传质速率，有效降低培养过程中的能耗和水耗。
3、本发明用稻草这类木质纤维载体培养微藻生物膜处理废水存在诸多优势：
(1)木质纤维的稻草材料可作为一种生物载体兼生物吸附剂，在支撑微藻细胞附着成膜的同时部分去除废水中各类污染物，一方面可有效降低某些高浓度废水中有毒有害物质的浓度，减小其对微藻的抑制；另一方面，在营养匮乏时其亦可解析所吸附的营养供给微藻持续生长和发展，防止营养饥饿的发生。
(2)木质纤维的稻草载体与废水相接触存在着被水洗和沥滤的作用，这一预处理作用可有效改善其能源转化特性。
4、本发明所培养微藻亦可通过传统的板框压滤机低压挤压混合物滤出藻泥，实现微藻与载体的分离，以再循环利用载体。
5、本发明的微藻附着载体培养形成生物膜的过程中，会有真菌的出现，真菌可利用稻草作为碳源生长出丰富的菌丝，表面带有正电荷的菌丝其可以与表面带有负电荷的微藻细胞形成絮凝效应以有效固着微藻细胞，增大生物膜与载体之间的固着效果，不仅能减少水流冲刷造成的膜脱落损失进而提高生物质产量，还可以在培养后期可形成微藻生物膜稻草纤维毯，微藻可与稻草纤维毯卷成圆柱状一同收获，进行运输或下一步资源利用。
6、本发明载体与所培养藻膜可共同刮除收获不进行分离，混合物可直接作为原料生产有机肥、高活性生物炭和能源、化工品，实现第二代与第三代生物质资源的综合利用，既解决了微藻生物膜载体材料的问题，同时也解决了陆生生物质资源化利用的问题；本发明把稻草这类不适用于热化学转化制备生物质气、油的材料作为微藻生物膜载体材料，有效的避免了其焚烧带来的环境污染。
附图说明
图1是本发明技术实例中稻草载体斜面四通道平板生物膜光生物膜反应器(FPBR)培养系统俯视图；
图2是本发明技术实例中稻草载体斜面四通道平板生物膜光生物膜反应器(FPBR)主视图；
图3是本发明技术实例中稻草载体斜面四通道平板生物膜组件；
图4是本发明技术实例中稻草载体附着培养(A)及微藻生物膜(B)实物图；
图5是本发明技术实例中稻草载体微藻成膜整体采收实物图(A)及显微结构图(B)；
图6是本发明技术实例中稻草纤维载体吸附微藻成膜截面示意图。
图示说明：1-光照强度调节器；2-培养液入口；3-LED灯管；4-生物膜培养通道；5-温控器；6-电子温度计；7-培养液出口；8-集液槽；9-电加热管；10-蛇形盘管；11-生物膜；12-过滤筛网；13-蠕动泵；14-新鲜培养液储液罐；15-蠕动泵；16-储液槽；17-压缩机；18-质量流量计，19-质量流量计；20-空气压缩机；21-CO2气体钢瓶；22-微藻生物膜稻草纤维毯；23-附着于稻草载体的微藻；24-待附着的稻草载体；25-溶液；26-溶质；27-微藻细胞；28-真菌微生物；29-稻草纤维载体；30-容器底板。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
本发明基于稻草吸附微藻成膜技术，自主设计开发了一种四通道微藻生物膜光生物反应器作为生物膜培养构筑物，每个通道均匀铺设等量稻草载体于斜面，并进行多藻种混合附着成膜培养。
如图1至图3所示，该反应器主要由外部恒温水浴槽和生物膜培养内胆组成，生物膜培养内胆置于外部恒温水浴槽之中。
外部恒温水浴槽由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA、有机玻璃)板材搭建而成，65×25×20cm(长×宽×高)。水浴槽中盛有15.0L去离子水，水温在恒温控制系统的作用下维持在25.0±2.0℃左右。温控系统由一套与压缩机连接的蛇形盘管10，两根电加热管9，两台电子温度计6和一个温控器5组成。当水浴温度低于24.5℃时温控开关控制电加热管9打开，开始对水浴槽中的去离子水加热升温；当水温高于25.5℃时，温控开关打开压缩机17对去离子水进行降温操作；当温度在24.5-25.5℃之间时，电加热管9和压缩机均处于关闭状态。两台电子温度计6实时校准温控控制温度，该精密的温控系统可精确控制水浴槽内的温度，以实现对于生物膜培养温度的控制。
生物膜培养内胆由四个相互独立的平板生物膜培养通道4和一个安装有八组LED灯管3的盖板组成。盖板将四个生物膜培养通道4通道封闭，可隔绝外界环境并保证无菌净化条件。一定量的稻草(经过干燥、破碎、筛分之后粒径为30～40目)被均匀的铺设于生物膜培养通道4之内形成一薄层载体床层，运用于接种的悬浮藻液均匀的滴附于载体材料之上随后附着形成生物膜11。
四个独立的生物膜培养通道4是部分浸没于水浴槽中以保证生物膜培养温度在25.0±2.0℃左右。每个生物膜培养通道4长30.0cm，宽5.0cm，高5.0cm，并有一个15°的倾角以便培养液顺利流过。每个生物膜培养通道4的培养面积为150.0cm2，由盖板上的两组灯管提供可控光照(0-300.0μmol·m-2·s-1)；本实验中每个生物膜培养通道4光照强度被控制在120.0μmol·m-2·s-1。水浴槽亦设置有一盖板，目的是避免水浴槽内水分蒸发。光照强度是通过安装在水浴槽盖板上的四个光照强度调节器1(JCH-M-DIMMER-8A，China)平滑调节。培养通道的侧壁是利用不透明有机玻璃制作而成，以实现通道与通道之间的光照环境的隔绝。
此外，生物膜培养通道4的尾部设置有一片有机玻璃过滤筛网12(孔径1.0mm)和一个集液槽8。设置过滤筛网12是为了防止较大培养液流速将颗粒材料冲刷而去。集液槽8其拥有大于培养通道的倾角(30°)，以便流经生物膜的培养液可顺利的流出培养通道，而非在生物膜的尾部集聚淹没生物膜，目的是避免生物膜被积累的培养液所淹没进而降低了气液传质效率。此外每个生物膜培养通道4的前端设置培养液入口2，集液槽8的末端设置培养液出口7，便于培养液进出和循环。
培养液循环系统由一个15.0L储液槽16和一个15.0L新鲜营养液储液槽14，及两个蠕动泵13、15组成(BT100-1F，LONGER，China)。气体供应系统由一个CO2气体钢瓶21，一个空气压缩机20和两个质量流量计18、19(MF5706，siargo，USA)组成，通过控制空气和CO2流速获得2.0％CO2并以4.0L·min-1的气体流量通入储液槽16中。BG11培养液以40.0±5.0mL·min-1的流速从储液槽16中泵入每个生物膜培养通道4，而后流经接种有微藻细胞的填料床层并通过过滤筛网12被收集于集液槽8中，最后流入储液槽16，以此循环为微藻生长培养提供营养。
与此同时新鲜的培养液会以3mL·min-1的速度从新鲜培养液储液罐14泵入储液槽16中，并且每天有4.3L培养液从储液槽16中被抽走遗弃。每批培养完成后，整个系统各部分都会彻底清洗并进行灭菌、消毒处理。
如图4(A)所示，将稻草均匀铺设于生物膜培养通道4内部以覆盖整个培养通道，30.0mL的混合悬浮细胞藻液(每种藻液10.0mL)被均匀的接种于每个通道内部的载体床层之上。随后每8h向每个通道滴加15.0mL BG 11培养液以保证载体材料的湿润性。24h后向储液槽中加入10.0L BG 11培养液，培养液供给系统随之开始循环。
系统正常运行下当稻草载体粒径为30-40目，初生模式最佳添加量250g/m2，复生模式条件下的最佳添加量为416.7g/m2，12天后小球藻生物膜11如图4(B)所示，在初生模式的生物膜产率可达7.3-10.9g·m-2·d-1，在复生模式下所获得生物膜产率几乎是初生模式的四倍左右。
培养后期会形成如图5(A)所示微藻生物膜稻草纤维毯22，可卷成圆柱状一同收获，进行运输或下一步资源利用。观察其内部纤维结构，从图5(B)可看到附着于稻草载体的微藻23和待附着的稻草载体24，可知大部分稻草已被微藻细胞有效附着，部分稻草仍未被藻细胞附着可继续吸附或回收利用。
利用稻草在其理论最佳使用工况下对四种微藻进行成膜和废水处理实验，结果表明稻草可有效作为多种微藻的生物膜载体并处理废水，小球藻所形成生物膜其出水各项指标均能达到一级A标准。稻草纤维载体吸附微藻成膜截面示意图如图6所示，稻草纤维载体吸附生成的微藻生物膜放置于容器中，其底部设置容器底板30、内部填充溶液25，溶液25为培养液或藻液，盐离子或有机物等溶质26游离于溶液25中，稻草纤维载体29覆盖在容器底板30上，在培养过程中，微藻细胞27和真菌微生物附着于稻草纤维载体29上；稻草可有效吸附去除实际废水中23.2％COD、14.8％总磷、32.6％总氮、37.0％铵氮，且具有一定的阳离子交换能力，可以起到吸附缓释废水中部分污染物的作用，进而有效降低废水对于微藻的初始抑制或毒性作用。在净化废水的同时，小球藻在稻草载体生物膜上产量高达5.1g·m-2·day-1，同条件下悬浮培养的产量只有2.3g·m-2·day-1。此外，稻草纤维载体29还会沥出部分N、P、COD等物质进入废水，但其可被微藻生物膜所有效去除，不影响出水水质的达标排放。
因此，这种基于稻草吸附微藻成膜的生物质纤维载体的微藻附着培养，不仅被认为是一种高效低耗的微藻培养方式，也是极具潜力的微藻基废水处理工艺之一。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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