氢气是一种理想的清洁能源,有望在将来成为化石燃料的替代品,以 解决日益严重的能源危机和环境问题。味精废水是治理难度很高的一种高 浓度有机废水,其治理方法国内已经作了多年的研究,若将废水的处理与 生物法制取氢气结合起来,将具有极大的经济和社会效益。 报告从利用味精发酵废水培养莱茵衣藻产氢出发,考察了废水中主要 物质对莱茵衣藻生长和产氢的影响,并采用味精发酵废水对莱茵衣藻进行 培养产氢。 通过对莱茵衣藻培养基优化,确定以TAP培养基为莱茵衣藻的生长 培养基,碳源为lml/L冰醋酸,氮源为0.4g/L氯化氨,在该培养基中, 莱茵衣藻密度可达6.51 xio6 cell/ml0 在TAP培养基中少量添加葡萄糖、谷氨酸和尿素,可提高莱茵衣藻 藻细胞密度和叶绿素浓度,葡萄糖、谷氨酸、尿素的最佳添加量分别为 0.2g/L、0.3g/L、O.lg/L。硫酸氨可以作为莱茵衣藻的氮源使用,在缺氮的 TAP培养基中添加一定的硫酸氨可以使莱茵衣藻生长良好,硫酸氨的最佳 添加量为0.5g/L。 在TAP培养基中去除硫元素确实对莱茵衣藻产氢有明显的促进作用。 最大产氢量为16270/bottle,比未去硫的样品提高了约8倍。不同硫元素 浓度产氢时,当硫元素浓度为75gm0l/L及以下时,产氢效果良好。 在去硫培养基中,添加适量的葡萄糖、谷氨酸、尿素对莱茵衣藻产氢 也有促进作用,最佳葡萄糖、谷氨酸、尿素的添加量分别为0.2/L、0.3/L、 0.1 g/L。其中又以葡萄糖对莱茵衣藻产氢促进作用最为明显。为TAP培 养基样品产氧量的的2.7倍。 各种类型废水在经预处理,用水以一定倍数稀释后,可以用来培养莱 茵衣藻。综合废水、离交废水、等电废母液的最适宜稀释倍数均为8倍, COD去除率分别为43.14%、48.3%, 57.12%。三种废水中,以废母液培 养莱茵衣藻最为理想。以废水为培养液考察莱茵衣藻产氢效果比TAP培 养基产氢效果差,综合废水和等电废母液产氢量分别为1.29…/ml和 0.96(xl/mlo 关键词:生物制氢,莱茵衣藻,味精发酵废水,去硫,葡萄糖,谷氨酸, 尿素 STUDY OF BIOHYDROGEN PRODUCTION BY CHLAMYDOMONAS REINHARDTII IN MONOSODIUM GLUTAMATE WASTEWATER ABSTRACT Hydrogen is an ideal energy source that it would be the substitute of the fossil fuels to solute the energy and environment problem. Monosodium glutamate wastewater is difficult to treat and in a large amount. Therefore, combining the Monosodium glutamate wastewater treating and biohydrogen production will obtain a great of advantages in economy, entironment and the society. In order to produce hydrogen by Chlamydomonas reinhardtii in monosodium glutamate wastewater. The effect of monosodium glutamate wastewater to C. reinhardtii growth and hydrogen production was studied. TAP medium was the best for C. reinhardtii growth. The best carbon source is lml/L acetic acid and nitrogen source is 0.4 g/ L ammonium chloride. The cell density could achieved to 6.51 xlO6 cell/ml when C. reinhardtii grown in such medium. Adding glucose, glutamic acid or urea to TAP medium can increase C. reinhardtii cell density and chlorophyll content.The best concentration of glucose, glutamic acid and urea are 0.2g/L、0.3g/L、0.1 g/L respectively. Ammonium Sulphate could be used as nitrogen source and facilitated the growth of C. reinhardtii.The best ammonium sulphate was 0.5g/L. Higher hydrogen evolution could achieve by Sulfur deprivation in TAP medium (TAP-S). Hydrogen accumulation was 1627(il/ bottle in 6 days, which was 8 times than it in Sulfur repletion TAP medium. The hydrogen evolution was always better when sulphate concentration was lower than 75|imol/L. Adding glucose, glutamic acid or urea to TAP-S medium can increase the hydrogen production. The best concentration of glucose, glutamic acid and urea are 0.2g/L、0.3g/L、O.lg/L respectively. Most important, the glucose promoted hydrogen evolution greatly. It was 2.7 times than the hydrogen accumulation in TAP-S medium. After pretreatment and dilution, the complex wastewater, ion-exchanged wastewater and isoelectric wastewater could be used for C. reinhardtii incubation. All the wastewater diluted by water in 8 times is the most appropriate procedure. After C. reinhardtii cultured, COD was changed to 43.14%、48.3%、57.12% respectively. What is more, as medium of C. reinhardtii, the isoelectric wastewater was the best of all the three type wastewater. However, hydrogen production in such wastewater was less than it in TAP medium. Hydrogen production was 1.29(j,l/ml and 0.96jxl/ml in complex wastewater and isoelectric wastewater respectively. KEY WORDS: biohydrogen production, Chlamydomonas reinhardtii, monosodium glutamate wastewater, sulfur deprivation, glucose, glutamic acid, urea 北京化工大学硕士学位报告 目录 第一章文献综述 1 1.1 生物制氢技术 1 1.2生物制氧研究进展 3 1.2.1发酵细菌产氢机理 3 1. 2.2发酵细菌产氢研究进展 4 1. 2. 3光和细菌光分解有机化合物产氧机理 5 1.2.4光合细菌产氧研究进展 6 1. 2. 5藻类生物光解水产氧机理 7 1.2.6藻类产氢研究进展 9 1.2.7混合培养产氢 12 1.3莱茵衣藻生物特性 12 1. 3.1莱茵衣藻形态特征 12 1.3.2莱茵衣藻的营养方式 14 1.4莱茵衣藻产氢研究进展 14 1.4.1莱茵衣藻产氛机理 14 1.4.2莱茵衣藻产氢的影响因素 14 1.4.3莱茵衣藻产氢的调控 14 1.5味精废水特性及来源 16 1.5.1味精废水特点 17 1.5.2味精废水来源 17 1.6味精废水处理工艺技术 18 1.6.1物化技术 18 1.6.2厌氧生物技术 18 1.6.3生物发酵技术处理味精废水 : 19 1.6.4藻一菌共生法 20 1.6.5利用废水培养莱茵衣藻的优势和所面临的问题 20 1.7选题依据和研究内容 20 1.7.1选题依据 20 1.7.2报告研究思路 21 北京化工大学硕士学位报告 第二章实验材料及方法 22 2. 1实验材料 22 2.1.1实验试剂 22 2. 1.2实验仪器 22 2. 1. 3 藻种 22 2. 1.4培养基 22 2. 2藻种培养方法 24 2. 2.1藻种保藏 24 2. 2. 2藻种纯化 25 2.2.3藻种培养 25 2. 3产氢培养及氢气收集方法 25 2. 3. 1离心富集 25 2.3.2藻悬液配置 25 2. 3. 3产氢培养 26 2. 3. 4氢气收集装置 26 2. 4分析方法 26 2. 4. 1显微观察细胞 26 2.4.2生物量测定 27 2.4.3叶绿素测定 27 2.4.4 PH 值测定 27 2. 4. 5硫酸根测定 28 2. 4. 6葡萄糖测定 28 2. 4. 7 COD 测定 29 2.4.8氢气和氧气测定 30 第三章莱茵衣藻藻种筛选和优化培养 32 3.1引言 32 3. 2莱茵衣藻藻种驯化筛选 32 3.2.1莱茵衣藻在味精发酵废水中的耐受驯化 32 3.2.2高产氢藻株驯化筛选 32 3. 3莱茵衣藻优化培养 33 3.3.1实验材料与方法 33 n 北京化工大学硕士学位报告 3. 3. 2 SE培养基和TAP培养基比较 33 3.3.3莱茵衣藻培养碳源的确定 34 3.3.4莱茵衣藻氮源的确定 35 3. 4小结 36 第四章废水中物质对莱茵衣藻生长的影响 37 4.1引言 37 4. 2实验材料和方法 37 4. 3结果与讨论 37 4. 3. 1葡萄糖对莱茵衣藻生长的影响 37 4. 3. 2谷氨酸对莱茵衣藻生长的影响 39 4. 3. 3硫酸铵对莱茵衣藻生长的影响 41 4.3.4尿素对莱茵衣藻生长影响 42 4. 4小结 43 第五章莱茵衣藻培养产氢研究 44 5.1引言 44 5. 1实验材料与方法 44 5. 2去硫与否对莱茵衣藻产氢的影响 44 5. 2. 1培养基中去除硫元素对产氢影响 44 5.2.2不同硫浓度对莱茵衣藻产氢影响 45 5. 3培养基中去除铁元素后对莱茵衣藻产氢影响 47 5. 4去硫后添加废水物质对莱茵衣藻产氢的影响 47 5. 4. 1在TAP-S中添加葡萄糖对莱茵衣藻产氢的影响 48 5. 4. 2在TAP-S中添加谷氨酸对莱茵衣藻产氢的影响 49 5. 4. 3在TAP-S中添加尿素对莱茵衣藻产氢的影响 49 5. 4. 4在TAP-S中去除铁元素对莱茵衣藻产氢的影响 51 5. 5不去硫情况下添加有机物对产氢影响 52 5. 6葡萄糖对培养莱茵衣藻连续产氢影响 53 5. 7 55 第六章味精发酵废水培养莱茵衣藻及其产氢 57 6.1引言 57 111 北京化工大学硕士学位报告 6. 2实验材料与方法 57 6. 2.1味精废水来源及水质 57 6. 2. 2实验藻种 57 6. 2. 3实验方法 58 6. 3各种废水培养莱茵衣藻 58 6. 3.1综合废水培养莱茵衣藻 58 6.3.2离交废水培养莱茵衣藻 60 6. 3. 3等电废母液培养莱茵衣藻 61 6. 4综合废水和废母液培养莱茵衣藻产氢 63 6. 4.1综合废水培养莱茵衣藻产氢 63 6.4.2等电废母液培养莱茵衣藻产氢 64 6. 5小结 64 胃七章结 66 第八章问题与建议 68