新型跑道池系统中混合时间对栅藻生长及营养盐去除效率的影响研究

《Scientific Reports》：Impact of mixing duration on growth and nutrient removal efficiency of Scenedesmus sp. in a novel raceway pond system

本研究针对传统桨轮驱动跑道池易发生培养液溢出、存在混合死区等问题，创新性地设计了带有弯曲狭缝结构和潜水泵混合装置的新型跑道池系统。通过评估不同混合时长（24小时、20小时、16小时）对Scenedesmus sp.生长和营养盐去除的影响，发现连续混合（R1系统）可获得最高生物量生产率（1.01 g L-1d-1）和营养盐去除率（NO3--N: 5.18 mg L-1d-1；PO43--P: 3.41 mg L-1d-1）。该系统实现了62%的净能效，为大规模微藻养殖提供了节能高效的替代方案。

　　

随着全球经济发展和人口增长，开发低成本、环境友好的能源生产系统和可持续食物来源变得愈发重要。微藻生物质因其相对于陆生植物的独特优势，被认为是生物燃料、高附加值化学品、食品和动物饲料的可持续来源。然而，由于高生产成本和低生物量生产率，微藻用于大宗商品（如生物燃料）的培养仍然受限。在培养系统中，桨轮驱动的开放式跑道池因成本较低、生物量生产效率较高和容量较大而被广泛用于大规模微藻生产。

混合在跑道池中至关重要，最佳混合可使藻类生物量生产率提高近十倍。它有助于去除光合作用产生的氧气、保持细胞悬浮、确保藻细胞获得营养并增加光照暴露。然而，跑道池中的一个主要挑战是维持充分混合。传统桨轮驱动系统为避免培养液溢出，流速通常限制在20-30 cm s^-1，提高混合速率需要更多能量但可能引起培养液溢出，而降低速率会导致层流，显著降低生物量生产率。桨轮供能可占微藻生产年运营成本的约25%，因此，在优化湍流混合的同时降低能耗是关键问题。

长期以来，跑道池结构变化不大。先前研究尝试结合桨轮和CO₂曝气或设计上下挡板来改善混合，但存在碳利用率低、细胞聚集等问题。修改带有桨轮的跑道池未能同时降低能量需求和提高混合效率。本研究假设通过引入节能潜水泵进行混合，可以增强跑道池的水动力性能。潜水泵方案产生湍流推力（流速0.60-1.0 m s^-1），可提高混合效率并降低功率需求，克服传统桨轮的限制。在通道弯道处加入狭缝以重新引导流动，减少死区。

为了建立对最佳混合时间的更深入理解，研究人员在实验室规模的新型跑道池系统中培养了Scenedesmus sp.（栅藻），评估了不同混合时间对生长、营养盐去除效率和能量消耗的影响。通过将基于反应器设计的水动力分析与培养性能指标相结合，本研究为优化节能提供了指导，并证明了潜水泵解决先前跑道池研究局限性的潜力。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：设计并构建了带有弯曲狭缝和潜水泵混合装置的实验室规模新型跑道池系统；使用Scenedesmus sp. Niva-Chl 99（源自挪威藻类培养保藏中心NORCCA）在标准BBM（Bold Basal Medium）培养基中进行培养；设置了三种不同的混合时间 regime（R1: 24小时/天，R2: 20小时/天，R3: 16小时/天）进行对比实验；通过光谱法（OD₆₈₀）和干重法监测生物量生长，并分析营养盐（NO₃^--N, PO₄^3--P）去除效率；评估了混合均匀性、沉降速率和蒸发损失；并进行了能量效率（净能效、净能量比NER）分析和统计检验（ANOVA）。

Scenedesmus sp.的生长动力学和生物量生产

Scenedesmus sp.在BBM中的培养结果表明，不同混合时间对跑道池中的生长有显著影响。所有三种混合时间系统（R1、R2和R3）均显示出初始两天的滞后期，这可能与藻种对由液流湍流引起的自然空气夹带的气体交换动力学尚未适应有关。Scenedesmus sp.的比生长速率随混合时间的增加而增加，R1系统（连续混合24小时）获得了最高的比生长率。R1系统的最高干生物量产量为1.01 g L^-1，生物量生产力为0.08 g L^-1d^-1。R2和R3系统的生物量生产力分别比R1系统低20.45%和48.31%，原因可能在于混合停止导致停滞区形成、营养盐和氧气梯度发展以及细胞沉降。统计检验显示，R1和R3之间的比生长速率存在显著差异（p < 0.05）。温度、氧气和pH曲线监测表明所有系统的环境条件均适合生物量生长。

潜水泵方案的效果

混合效率实验表明，从不同高度（0, 1.5, 3, 4.75 cm）采集的样品中生物量生产仅略有变化（±0.32 mg L^-1），表明混合系统高效，确保了Scenedesmus sp.在池内均匀分布。潜水泵在推动通道内引发的液体流速为0.74 m s^-1，产生湍流，平均流速0.35 m s^-1超过传统跑道池的操作流速（0.2-0.3 m s^-1），确保高效混合并避免死区形成。R1系统的估计蒸发率为0.40 L d^-1，占总工作体积（6L）的6.75%，高于R2（5.6%）和R3（4.5%），这可能是由于较高的表面湍流导致。沉降实验表明，停止混合8小时（R3）导致27%的生物量沉降到底部，而停止混合4小时（R2）的沉降可忽略不计，显微镜观察未发现潜水泵推力对藻细胞造成损伤。

营养盐去除效率

营养盐去除分析显示，Scenedesmus sp.在R1系统中对硝酸盐（NO₃^--N）和磷酸盐（PO₄^3--P）的去除效率最高，分别为90.82%和69.17%，去除率分别为5.18 mg L^-1d^-1和3.41 mg L^-1d^-1。R2和R3系统的去除效率和去除率均显著低于R1系统。混合时间与生长培养基中的营养盐去除直接相关。磷酸盐的去除在实验后期由于氮水平降低而减慢，表明微藻以平衡浓度消耗必需营养素以优化其生物过程调节。统计显示所有三种混合时间系统的磷酸盐去除率和去除效率均存在显著差异（p < 0.05）。

意义、能量效率和放大规模

本研究提出了一种在跑道系统中使用潜水泵的有前景的方法，以改善跑道池的设计和操作。与传统桨轮系统相比，潜水泵方案允许更宽的操作流速范围（0.10-0.45 m s^-1）而不会导致溢出。潜水泵以其能量效率著称，在维持0.35 m s^-1平均流速时，净能量效率达到62%。计算得到的净能量比（NER）为0.049，处于开放式跑道系统的典型范围（0.04-0.09）内。基于实验结果进行的放大估算表明，在100 m²区域安装基于R1系统（24小时混合）的跑道系统，可处理42 m³工作体积的废水，年产生物量约1.5吨（干重），理论上可生产约0.3吨脂质用于生物柴油，或作为鱼粉的可持续蛋白质来源。

本研究结论强调，潜水泵驱动的跑道池可以通过实现更宽的流速范围和防止培养液溢出来克服传统桨轮系统的关键限制。改进的表面流体动力学实现了细胞的均匀分布并阻止了停滞区或死区的形成。连续混合提供了最高的生物量生产率（1.01 g L^-1d^-1）和营养盐去除效率，同时系统实现了最佳混合和62%的净能量效率，凸显了其作为大规模栅藻培养的实用且经济有效的策略潜力。这些发现突出了潜水泵集成在跑道池设计中的新颖性和前景；然而，结果仍是初步的，需要在更大规模、户外条件下以及跨不同藻株进行验证，优化操作条件和敏感性分析对于该技术的大规模应用仍然至关重要。