污泥热水解消化液-产油小球藻净化中关键抑制因子识别与调控机制研究

Oil-rich microalgae cultivation for removing abundant ammonia and phosphorus from the anaerobic effluent of thermal hydrolyzed sludge (AE-THS) has several advantages to support its development, including simple technological process, low costs and high capacity for nutrients recycling. However, the AE-THS contains several inhibitory substances for microalgal growth, of which these harmful organics is the core issue. Therefore, identification of the key inhibitory organics, the inhibition mechanism and regulatory technology will be investigated in this research. Firstly, the key inhibitory organics for Chlorella pyrenoidosa culture are determined by means of the analysis of total components in the AE-THS, topological analysis of the quantitative structure–toxicity relationship (QSTR) and theoretical analysis about inhibition kinetics. Metabolomic analysis about the microalgae response to the key inhibitory organics will be processed to reveal the mechanism for inhabiting microalgal growth. Finally, degradation kinetics of the key inhibitory organics using different methods and products toxicity to the microalgae are tested to reduce the wastewater toxicity. This research is essential for reducing the inhibitory risks during AE-THS treatment using oil-rich microalgae, and also is helpful to advance the combined technology of wastewater treatment and algal biomass production.

通过产油微藻培养可实现污泥热水解消化液中高氨氮及磷酸盐的资源化处理，具有工艺简单、运行成本低、资源利用率高等优势。但消化液中含有多种抑藻物质，其中有机类抑制因子是控制的关键和难点。本课题对产油小球藻培养涉及的有机类关键抑制因子识别、影响机理、调控机制等科学问题进行深入研究。通过污泥热水解消化液中有机物全成分分析、有机物定量结构-毒性效应关系模型（QSTR）拓扑分析及抑藻动力学研究，精确识别消化液中有机类关键抑藻因子；通过产油小球藻代谢产物及关键代谢通路分析研究，阐明关键抑制有机物对藻生长与代谢的影响机理；通过生物氧化和高级氧化工艺对关键抑制有机物的降解动力学研究，优化和建立有机类关键抑制因子调控技术体系。本研究对于揭示污泥热水解消化液产油小球藻资源化处理中的风险机制、促进微藻生物质能源技术的发展具有重要的学术价值和现实意义。

本项目主要针对热水解污泥消化液产油微藻培养过程的关键抑制因子识别、抑制机理、调控等关键科学问题进行深入研究。在废水组成及有机物结构拓扑分析的基础上，热水解污泥消化液中高浓度的氨氮和N-杂环化合物、酚类可能是热水解污泥消化液产油微藻培养的关键抑制因子；进一步研究了氨氮/游离氨、2种N-杂环化合物和3种酚类的抑藻动力学过程，其中游离氨是关键无机类抑制因子，对微藻的生长代谢产生了显著影响；有机物组分中酚类物质对产油小球藻的抑制效应最为显著，其中邻苯二酚、2，4-二氯酚对小球藻的48 h的半抑制浓度分别为31.77和13.60 mg/L，较高浓度的2，4-二氯酚对三羧酸循环、乙醛酸、天冬氨酸、谷氨酸及碳水化合物的代谢过程产生了显著影响。进一步研究了废水臭氧氧化预处理技术、碳源平衡调控生长方式等关键抑制因子调控技术，研究结果表明在0-4.64 mg O3/mL 废水的条件下，热水解污泥消化液中的酚类物质为在210 min完全转化为酸类物质，但对N-杂环化合物的转化率较低，N-杂环化合物的比例从初始的30.6 降至 24.6%，有效降低了其生物毒性。通过添加碳源物质以改变污泥消化液中营养碳氮比（C/N），调控藻类生长方式由光合自养生长向兼性混养生长转变，在乙酸盐和正丁酸的添加条件下（初始C/N比为10），生物量产量提高了2.4和1.9倍，藻细胞油脂含量提高了1.8-2.1倍，显著缓解抑制因子的影响，提高了热水解污泥消化液中藻类的生长速率。本项目研究对于污泥热水解消化液产油微藻资源化处理技术的具有重要的科学意义和推动作用。