废水培养小球藻系统中硅藻土预涂膜藻分离浓缩特性及EOM膜污染机理

During the microalgae cultivation including its purification of wastewater, harvesting and enrichment of microalgae acts as the vital process of the entire resource utilization system, which calls for a new type of microalgae harvesting technology with high efficiency and low consumption. Being an emerging solid-liquid separation technology, diatomite precoating membrane technology owns the merits of high separation efficiency, high permeate flux, low energy consumption, etc. Focused on Chlorella cultivated with anaerobic-digested effluent of starch wastewater, diatomite precoating membrane is to be applied to microalgae harvesting with the condensation and separation process as well as the mechanism of EOM to membrane fouling be studied. Through the establishment of EOM layered extraction and detection system, the production and change of different layer of EOM is to be explained. The predeposited Chlorella concentration and separation process is to be optimized through the analysis of separation performance. Moreover, the mechanisms of Chlorella separation with precoating membrane and membrane fouling caused by EOM are to be systematically investigated through precise classification of the whole precoating membrane combined with the study of interaction of surface free energy and adhesion free energy of algae cells, different layer of EOM and predeposited membrane. Through this research project, to optimize the characteristics of diatomite precoating membrane separation process of Chlorella, and to reduce the energy consumption of the separation process, are of great significance to promote the development of microalgae industry.

在微藻废水净化、培养过程中，微藻分离浓缩是整个资源化利用体系非常重要的环节，新型高效、低耗微藻分离浓缩技术亟待研发。作为一种新型固液分离技术，硅藻土预涂膜具有分离效率高、过滤通量大、运行能耗低等优点。针对利用淀粉废水厌氧消化液培养的小球藻，本研究拟采用硅藻土预涂膜进行藻分离浓缩，研究其分离浓缩过程特性及藻类胞外有机物（EOM）膜污染机理。通过建立小球藻EOM分层提取、检测理论体系，阐释分离浓缩过程中不同层EOM产生、变化规律；通过分析硅藻土预涂膜小球藻分离运行特性，优化预涂膜小球藻分离浓缩过程；通过对硅藻土预涂膜、藻沉积层精确划分，结合藻颗粒、不同层EOM与预涂膜表面结合聚合自由能与粘附自由能相互作用机制研究，最终阐释硅藻土预涂膜小球藻分离浓缩过程EOM膜污染特性和机理。通过本项目研究，优化硅藻土预涂膜对小球藻分离浓缩过程特性、降低藻分离浓缩环节能耗，对促进微藻产业的发展具有重要意义。

在微藻废水净化、培养过程中，微藻分离浓缩是资源化利用体系的重要环节。针对利用废水厌氧消化液培养的小球藻，研究硅藻土预涂膜进行藻分离浓缩，分析其分离浓缩过程及藻类胞外有机物（EOM）膜污染机理。通过建立小球藻EOM分层提取、检测方法，阐释分离浓缩过程中不同层EOM产生、变化规律。将蛋白核小球藻的胞外产物分为溶解性胞外产物（dEOM）和附着型胞外产物（bEOM）两个层次，通过组成分析和性质比较，dEOM和bEOM不同之处：（1）含量和物质组成比例不同，dEOM在含量上约是bEOM的5倍，但蛋白质组成相近，多糖含量相差较大；（2）dEOM除蛋白质和多糖，还包含腐殖类物质，因此dEOM的SUVA值较bEOM高；（3）dEOM中的腐殖质来自溶解后bEOM中蛋白质的降解，因此dEOM的分子量在高分子量组分中较bEOM低，在bEOM组分中较bEOM高；（4）dEOM和bEOM的蛋白质均主要分布在强疏组分中，其中dEOM的占比较bEOM低，多糖主要分布在中亲组分中，dEOM的占比较bEOM高。.采用硅藻土预涂膜分离浓缩小球藻，研究项反应动力学参数对分离浓缩的影响；研究预涂膜泥饼层膜污染的因素，优化反应条件。试验为24 h短周期和96 h长周期预涂膜分离。24h表明硅藻土预涂膜分离技术较传统技术有操作简便、生物量高、能耗小、膜污染低等优势。结束时生物量可达到2%-4%。对进出水及预涂膜上EOM组成及含量分析显示：预涂膜对于蛋白质和多糖都有较高的截留率，对蛋白质截留率高于多糖。将预涂膜依据形态和组成细分为粘液层、微藻层和硅藻土层进行分层分析后可以得出覆载在硅藻土层上的粘液层和微藻层是造成膜污染和泥饼阻力的主要因素。在96 h运行时，类蛋白物质主要由粘液层和微藻层截留，而类腐殖酸物质主要由微藻层和硅藻土层截留。在长时间运行下，微藻层内藻体生长代谢产生的EOM含量，主要为类腐殖酸物质。在96 h长时间过滤下，粘液层和微藻层仍然是通量下降和过滤压力升高的主要因素。通过项目研究，优化硅藻土预涂膜对小球藻分离浓缩过程特性、降低藻分离浓缩环节能耗，对促进微藻产业的发展具有重要意义。