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研究生:張為棟
研究生(外文):Chang, Wei-Tung
論文名稱:利用微藻Spirulina maxima同時淨化乳品加工廠廢水及固定二氧化碳之研究
論文名稱(外文):Simultaneous Dairy Wastewater Nutrient Removal and Carbon Dioxide Fixation by Spirulina maxima Culture
指導教授:鄧宗禹鄧宗禹引用關係
指導教授(外文):Den, Walter
口試委員:楊末雄鄭文伯顏宏偉
口試日期:中華民國100年7月8日
學位類別:碩士
校院名稱:東海大學
系所名稱:環境科學與工程學系
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:微藻二氧化碳廢水
外文關鍵詞:MicroalgaeCarbon dioxideWastewater
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由於全球氣候變遷,大氣中二氧化碳濃度上升是被認為造成全球暖化的主要原因。利用藻類在廢水處理能消耗二氧化碳,相較於傳統廢水處理方式可降低排碳量。在本研究中將以填充式洗滌塔之二氧化碳捕獲技術、微藻固碳及淨化水質之特點整合,進行可行性研究探討。在螺旋藻培養結果顯示,在螺旋藻重新接種時的稀釋倍數的實驗中,稀釋5倍且稀釋後的藻液生物質濃度在0.07 g/L的條件有最好的生長速率。調整不同添加碳、氮源濃度於培養基,結果顯示16 g/L NaHCO3添加與0.3 g/L的NH4NO3添加有最好的生長結果,分別以利用培養基內的無機碳與NH4+。實驗過程中1 g二氧化碳能轉換成0.23 g的螺旋藻生物質。填充式洗滌塔實驗結果顯示,最佳的液/氣比為0.06,並以0.1 M NaOH溶液吸收空氣中二氧化碳,去除效率達73%。乳品加工廠廢水結合填充式洗滌塔,配製0.5 M與1 M NaOH吸收1%、10%二氧化碳去除效率分別為32%、54%、26%及59%。利用配製0.5 M NaOH廢水,洗滌10%二氧化碳之洗滌液做為培養基,在8天的時間內,廢水COD、BOD、NH4+、NO3- 和PO43-淨化效率分別為80%、62%、52%、6%及31%。因此,在本研究以乳品加工廠廢水與填充式吸收塔結合,透過廢水吸收二氧化碳後用於螺旋藻養殖,這樣的系統上整合是能同時節能減碳、水資源再利用及淨化廢水的效果。
Due to the climate change, the atmospheric CO2 is considered to be one of the main causes of global warming. Microalgae based wastewater treatment also releases CO2 but the microalgae consume more CO2 while growing than traditional wastewater treatment plants. The microalgae incorporated photobioreactor is a highly efficient biological system for converting CO2 into biomass. In this study, the packed tower with the sodium hydroxide solution and dairy wastewater was taken as an absorber to absorb CO2 continuously, and used these absorbed CO2 solution to incubate microalage. In the beginning, the basic incubated experiment show the dilution rate of renewable inoculation was 20%, and the initial appropriate NaHCO3 and NH4NO3 concentration of Spirulina maxima culture medium were 16 g/L and 0.3 g/L, respectively. The result indicated that 1 g CO2 could produce 0.23 g microalgal biomass. In packed tower, the best liquid/gas ratio was 0.06, and the best CO2 removal efficiency was 73% by 0.1 M NaOH solution absorbing air. Finally, the best CO2 removal efficiency was 59% by dairy wastewater with 1M NaOH solution absorbing 10% CO2. The wastewater treatment efficiency occurred after 8 days was measured at 80%, 62%, 52%, 6%, 31% for COD, BOD, NH4+, NO3- and PO43-, respectively. This suggested that Spirulina maxima could be incubated in absorbing CO2 wastewater, which can remove wastewater nutrient and fixate CO2, simultaneously.
第一章 前言………………………………………………………… 1
1.1 研究緣起 ………………………………………………………1
1.2 研究目的 ………………………………………………………2
1.3 研究範疇 ………………………………………………………3

第二章 文獻回顧 …………………………….…………….………5
2.1 溫室氣體 ………………………………………………………5
2.2 二氧化碳的處理方式介紹 ……………………………………6
2.2.1二氧化碳的捕獲 ……………………………………………6
2.2.2二氧化碳的封存 ……………………………………………8
2.3 微藻固碳 ……………………………………………………10
2.3.1 微藻介紹 …………………………………...……………10
2.3.2 環境因子對於微藻生長之影響 …………………..……10
2.3.3 光合作用 ………………………………………………….17
2.4 螺旋藻之應用價值 …………………………………………..19
2.5 光生物反應器之介紹 ………………………………………..22
2.6微藻在汙廢水處理的應用 ……………………………………25

第三章 實驗材料與方法 ………………………………………..27
3.1 儀器設備與材料 ......................................................................28
3.1.1洗滌塔捕碳系統 …………………………………………..28
3.1.2微藻培養系統 ……………………………………………..28
3.1.3廢水水質分析 ……………………………………………..29
3.1.4微藻乾燥系統 ……………………………………………..29
3.1.5周邊設備 …………………………………………………..29
3.2 碳捕獲洗滌設備 ……………………………………………..29
3.3 螺旋藻培養 …………………………………………………..32
3.3.1 藻種 ……………………………………………………….32
3.3.2 培養基組成 ……………………………………………….32
3.3.3 光生物反應器 …………………………………………….34
3.3.4 藻種保存與前培養 ……………………………………….35
3.3.5 乳品加工廠廢水 …………………………………….……36
3.3.6 實驗步驟 ………………………………………………….36
3.4 螺旋藻生物質濃度之分析方法 ……………………………..38
3.5 二氧化碳之固碳量計算 ……………………………………..40
3.6二氧化碳溶解通量 ……………………………………………41
3.7 比生長速率 …………………………………………………..42
3.8 水中營養鹽與水質分析方法 ………………………………..43
3.8.1 NH4+離子濃度檢測方法 ………..………………………...43
3.8.2 NO3-離子檢測方法 ……………………………………….44
3.8.3 PO43-檢測方法 ……………………..……………………...45
3.8.4化學需氧量(COD)檢測方法 ……………………………..47
3.8.5 生化需氧量(BOD)檢測方法 …………………………….47

第四章 結果與討論 ..............................................................49
4.1螺旋藻之基本培養 ……………………………………………49
4.1.1 重新接種之稀釋倍數影響 ……………………………….49
4.1.2 培養基添加不同碳源濃度之影響 ……………………… 51
4.1.3 培養基添加不同氮源濃度之影響 ……………………… 53
4.1.4 螺旋藻的二氧化碳利用與藻量的關係 ………………… 56
4.2 填充式洗滌塔之操作參數影響探討 ………………………..57
4.2.1 NaOH溶液濃度對二氧化碳吸收率的影響 …………...57
4.2.2 不同進流空氣流量對二氧化碳吸收率的影響 ………… 58
4.2.3改變二氧化碳濃度之洗滌效率影響 ……………………..60
4.2.4液氣比對二氧化碳去除效率之影響 ……………………..63
4.3 吸收二氧化碳之洗滌液培養螺旋藻 ………………………..64
4.3.1 洗滌液培養螺旋藻之可行性 …………………………….64
4.3.2 螺旋藻成分之分析 ……………………………………….67
4.4 乳品加工廠廢水之結合應用 ………………………………..69
4.4.1廢水培養螺旋藻 …………………………………………..69
4.4.2廢水捕獲二氧化碳 ………………………………………..70
4.4.3 添加NaOH於廢水吸收二氧化碳之影響 ………………74
4.4.4 螺旋藻淨化廢水 ………………………………………….79

第五章 結論與建議 ....................................................................... 84
5.1結論 ……………………………………………………………84
5.2 建議 …………………………………………………………..85

參考文獻 ……………………..………………………………………87







圖目錄

圖2-1色素對不同光波長的吸收情形 ………………………..........11
圖2-2 光合作用與光強度之關係圖 …………………………….....13
圖2-3藻類行光合作用將二氧化碳轉換生成生物質
和氧氣的過程………………………………………..…….….15
圖2-4 水中溫度和二氧化碳溶解度的關係 …………………….…17
圖2-5 各種光生物反應器示意圖 …………………………….……24
圖3-1 實驗洗滌設備示意圖 ………………………………….……30
圖3-2 填充式洗滌塔與填充物尺寸規格 ……………………….…31
圖3-3 實際洗滌設備裝置圖 ...……………………….…………….31
圖3-4 顯微鏡下螺旋藻形狀 ………………………….……………32
圖3-5光生物反應器示意圖 ..............................................................34
圖3-6 實際光生物反應器裝置圖 .....................................................35
圖3-7 螺旋藻藻液吸光值與生物質濃度之檢量線 .........................39
圖3-8 不同NaHCO3水溶液濃度與總無機碳濃度檢量線 ……....41
圖3-9 NH4+標準溶液濃度對吸光值之檢量線 .................................44
圖3-10 NO3-標準溶液濃度對吸光值之檢量線 ................................45
圖3-11 PO43-標準溶液濃度對顯色藥劑包測得濃度之檢量線 .......46
圖4-1重新接種之稀釋比例對生長速率之影響 ………………….50
圖4-2 添加不同NaHCO3濃度對生物質濃度之影響 ….……...…52
圖4-3 添加不同NaHCO3濃度對總無機碳之利用量 …………….52
圖4-4 添加不同NH4NO3濃度對生物質濃度之影響 …………….54
圖4-5 添加不同NH4NO3濃度對螺旋藻利用NH4+之影響 ………54
圖4-6 添加不同NH4NO3濃度對螺旋藻利用NO3-之影響 ………55
圖4-7 利用曝氣與磁石攪拌培養螺旋藻的生物質濃度變化 ……57
圖4-8 不同NaOH溶液濃度對空氣中二氧化碳洗滌之濃度變化 .58
圖4-9 不同進氣流量對於空氣中二氧化碳洗滌之濃度變化 …….59
圖4-10 不同進氣流量對於總無機碳吸收速率的影響 ……….…..60
圖4-11 二氧化碳偵測器之檢量線校正 ……………….…………..61
圖4-12 二氧化碳1.61%洗滌測試 ……………….………………..62
圖4-13 二氧化碳進氣濃度對去除效率的影響 …...………….…...63
圖4-14 二氧化碳進氣濃度對總無機碳吸收速率的影響 …...…....63
圖4-15 不同進氣流量對於二氧化碳洗滌之濃度變化 …...….…...64
圖4-16 洗滌液培養螺旋藻之生物質濃度和pH變化 ………..…..66
圖4-17 不同稀釋比例之廢水對螺旋藻比生長速率之影響 ….......70
圖4-18 廢水洗滌1%二氧化碳之二氧化碳濃度
與總無機碳濃度變化 ………..……………..……………...72
圖4-19 廢水洗滌1%二氧化碳之二氧化碳濃度與pH變化 ……..72
圖4-20 廢水配製0.5M NaOH洗滌1%二氧化碳之
二氧化碳濃度與總無機碳濃度變化 ……………..……….73

圖4-21 配製0.5 M與1 M NaOH廢水洗滌
1%二氧化碳之濃度變化…………………………………...76
圖4-22 配製0.5 M與1 M NaOH廢水洗滌
10%二氧化碳之濃度變化………………………………….76
圖4-23 配製0.5 M與1 M NaOH廢水
吸收1% CO2之總無機碳濃度變化………………………..77
圖4-24 配置0.5 M與1 M NaOH廢水
吸收10%二氧化碳之總無機碳濃度變化 ………………..77
圖4-25 吸收二氧化碳的廢水培養螺旋藻之生物質濃度變化 …...80
圖4-26 吸收二氧化碳的廢水培養螺旋藻之COD變化 …………81
圖4-27 吸收二氧化碳的廢水培養微藻之BOD變化 …………….81
圖4-28 吸收二氧化碳的廢水培養微藻之NH4+變化 ……………..82
圖4-29 吸收二氧化碳的廢水培養微藻之NO3-變化 …..…………82
圖4-30 吸收二氧化碳的廢水培養微藻之PO43-變化 ……...……..83

表目錄

表2-1各種化學吸收劑優缺點之比較 ……………………………….7
表2-2 光合作用中光、暗反應之比較 ……………………………..19
表2-3 螺旋藻在醫療上的研究 ……………………………………..21
表2-4 不同藻類培養系統的前景與限制 …………………………..23
表3-1 螺旋藻Zarrouk標準培養基各成份配製濃度 ……………..33
表4-1 螺旋藻經由七天之培養的藻量及碳量利用 ………………..56
表4-2 洗滌液與培養基添加不同碳源濃度
對於螺旋藻生長之比較 ……………………………………..66
表4-3 螺旋藻Spirulina maxima營養成份分析結果 ……………..68
表4-4 工業上具二氧化碳固定潛力之微藻組成成份比較 ………..68
表4-5 洗滌液間二氧化碳溶於NaOH水溶液之通量比較 ……….78

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