利用沼液培養(yǎng)能源微藻的工藝

劉彬++劉凱華++成杰++廖利民++鞏東輝++蔡祿++季祥

摘要：為了降低生物質(zhì)能源的生產(chǎn)成本和減少生物質(zhì)能生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響，將沼氣發(fā)酵、能源微藻的培養(yǎng)和生物柴油的制備工藝進(jìn)行了集成。將沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的廢棄沼液經(jīng)預(yù)處理后作為能源微藻培養(yǎng)的水源和營養(yǎng)鹽，將沼氣發(fā)酵過程中產(chǎn)生的溫室氣體作為能源微藻生長的碳源，規(guī)?；囵B(yǎng)出的能源微藻可作為生產(chǎn)生物柴油的原料。還通過對藻渣活性成分的綜合利用、改進(jìn)反應(yīng)器等環(huán)節(jié)進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：沼氣發(fā)酵；沼液；能源微藻；生物柴油

中圖分類號：S216.4；TK69；Q949.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）13-3083-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.13.003

Cultivation Technology of Energy Microalgae in Biogas Wastewater

LIU Bin，LIU Kai-hua，CHENG Jie，LIAO Li-ming，GONG Dong-hui，CAI Lu，JI Xing

（The Institute of Bioengineering and Technology，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China）

Abstract： To reduce the cost of biomass energy production and the influence of biomass production processes to the environment，techniques for biogas fermentation， energy microalgae culture and bio-diesel preparation were integrated.. Pretreated waste biogas slurry could be water and nutrients， and greenhouse gases from biogas fermentation could be carbon source for the energy microalgae scale culture. The energy microalgae from scale culture could be used to produce bio-diesel. This technique optimized the utilization of algae-residue extracted active ingredients and improved photo-bioreactor production efficiency to further reduce the cost of production.

Key words： biogas fermentation；biogas wastewater；energy microalgae； bio-diese

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展、工業(yè)化程度不斷加深以及人口的不斷增長，導(dǎo)致對化石能源的需求日益增加，據(jù)統(tǒng)計，全球的石油和天然氣探明儲量只能保證近幾十年的生產(chǎn)需求[1]，因此尋找可再生且清潔的替代能源迫在眉睫。而新型可再生能源——生物質(zhì)能源的相關(guān)技術(shù)研究與開發(fā)已成為世界重大熱門課題之一，受到世界各國政府與科學(xué)家的關(guān)注。生物質(zhì)能源主要包括沼氣、生物柴油、燃料乙醇和生物制氫等。

沼氣資源作為一項極具應(yīng)用前景的新能源，一直受到國家的重視，但是在沼氣厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生沼氣的同時也會產(chǎn)生大量的沼液，而沼液中富含大量的氮、磷，如直接排放會對水體造成污染。生物柴油作為石化柴油的替代品，由于生產(chǎn)原材料的短缺，其成本較高，而微藻生物柴油以其無可比擬的獨特優(yōu)勢吸引了越來越多決策者和研究者的關(guān)注[2]。能源微藻自身生長速度快，收獲時期短，光合利用效率高，可吸收大氣中CO2，油脂含量高，不占用耕地且營養(yǎng)需求簡單，但是培養(yǎng)微藻需要大量的水、碳源和營養(yǎng)鹽，這就提高了生產(chǎn)生物柴油的成本。如果利用沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的廢棄沼液來培養(yǎng)能源微藻，既可以降低培養(yǎng)能源微藻的成本，也可以達(dá)到資源化利用沼液的目的。

利用經(jīng)過預(yù)處理的沼液培養(yǎng)微藻，可以節(jié)約養(yǎng)藻時所需的大量水，而且沼液中富含氮、磷、鉀和氨基酸等多種營養(yǎng)物質(zhì)，還含有丁酸、吲哚乙酸、維生素B12等活性物質(zhì)[3]，可以減少營養(yǎng)鹽的用量，藻類還可以吸收沼氣發(fā)酵過程中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行光合作用，減少溫室氣體的排放。將沼氣生產(chǎn)和能源微藻的培養(yǎng)工藝耦聯(lián)在一起是一種新型的生物質(zhì)能源生產(chǎn)方式，可行性較強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)化推廣前景廣闊。

1 工藝流程

將沼氣發(fā)酵生產(chǎn)、微藻培養(yǎng)和生物柴油合成各單元的工藝進(jìn)行系統(tǒng)的集成和優(yōu)化，實現(xiàn)各個單元之間高效率的耦合，如圖1所示。由圖1可以看出，用高有機(jī)質(zhì)含量的廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，將厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣、CO2和化石能源燃燒產(chǎn)生的CO2作為碳源通入到微藻培養(yǎng)反應(yīng)器中，利用預(yù)處理后的沼液培養(yǎng)微藻，實現(xiàn)沼氣的凈化和CO2的循環(huán)利用，進(jìn)一步對沼液進(jìn)行處理，同時收獲大量的藻細(xì)胞，通過破壁處理，提取藻油制備生物柴油，同時提取藻蛋白質(zhì)，藻多糖，色素等高附加值產(chǎn)物，再將剩余的藻渣返回發(fā)酵池進(jìn)行下一輪的厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。該集成工藝是實現(xiàn)厭氧發(fā)酵沼氣和能源微藻培養(yǎng)為主體的循環(huán)式、無害化、多元化的綜合利用，是一種新型的生物質(zhì)能源生產(chǎn)方式。

2 沼液預(yù)處理

沼液成分復(fù)雜，含有一些抑制藻類生長的因子，例如重金屬離子、高濃度的氨態(tài)氮等，如果直接使用沼液，沼液中的懸浮物過高，采光率低，不利于藻類的生長，如果直接稀釋后使用，營養(yǎng)鹽利用率低，藻類生長量又不能達(dá)到要求，因此沼液需要經(jīng)過一定的預(yù)處理以后才能進(jìn)行微藻培養(yǎng)。不同發(fā)酵底物產(chǎn)生的沼液的理化指標(biāo)見表1[4]。由表1可以看出，為實現(xiàn)微藻的穩(wěn)定生長，需要對沼液進(jìn)行預(yù)處理，盡可能地使得每批次之間的理化指標(biāo)接近。而采用沼液培養(yǎng)微藻工藝則不需要太多的常規(guī)水處理工藝，只要盡可能將沼液中影響藻類生長的因素去除掉，就可更好地凈化沼液。許海等[5]研究發(fā)現(xiàn)不同藻類有一定的pH適應(yīng)范圍，斜生柵藻在水環(huán)境pH為9～10的時候長勢最好，而萊茵衣藻的pH超過9以后發(fā)現(xiàn)藻類開始死亡。Xin等[6]發(fā)現(xiàn)氨態(tài)氮在較低濃度時可以促進(jìn)藻的生長，過高會抑制其生長，甚至死亡。因此需要根據(jù)目標(biāo)藻的生長要求，對沼液的pH進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用簡單的水處理工藝進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)稀釋后再使用。高婷等[7]發(fā)現(xiàn)，在使用20%的沼液培養(yǎng)微綠球藻時，可以將氮和磷去除71.96%和72.40%。李巖等[8]發(fā)現(xiàn)，使用滅菌后的沼液培養(yǎng)小球藻可以降低氨態(tài)氮55.00%、總氮55.47%、總磷88.66%和重鉻酸鉀85.26%。endprint

3 藻種篩選和馴化

藻種的篩選是本工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用沼液培養(yǎng)的藻種要求有較強(qiáng)的耐受沼液的能力，對氮、磷的去除率高，細(xì)胞生長周期短，同時盡可能的獲得高生物量和高含油率。Li等[9]從低營養(yǎng)環(huán)境下分離到的淡水柵藻（Scenedesmus sp. LX1）在二級污水生長條件下生長最佳，且積累的油脂最多。Tam等[10]的研究表明，不同的氨態(tài)氮濃度對不同的藻類具有不同的耐受性，所以要篩選可以耐受高氨態(tài)氮濃度的藻種，并通過不斷地誘變和馴化培養(yǎng)，使之成為可以快速生長和積累油脂的能源微藻。據(jù)報道藍(lán)藻對氨態(tài)氮的吸收利用要優(yōu)于對其他形式的氮源[11，12]，斜生柵藻也是如此，在相同的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度下，對氨態(tài)氮的吸收速率顯著高于硝態(tài)氮，而二者同時存在時，氨態(tài)氮的存在對藻吸收硝態(tài)氮有抑制作用[13]。這很有可能是因為某些藻類可以以氨態(tài)氮作為底物來合成氨基酸，如果使用硝態(tài)氮則需要通過生物酶進(jìn)行氧化還原反應(yīng)將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)變成亞硝酸再轉(zhuǎn)變成氨態(tài)氮。所以需要不斷地對這些藻類進(jìn)行馴化，使得這些藻類能在沼液中生長。針對不同發(fā)酵底物類型的沼液，采取不同的藻種來馴化，更有針對性地處理各種沼液。一旦能源微藻能快速地適應(yīng)沼液的生長環(huán)境，能源微藻的開發(fā)就能在該集成工藝系統(tǒng)中具有更大的潛力和優(yōu)勢。

4 集成系統(tǒng)中的光生物反應(yīng)器

微藻的培養(yǎng)方式主要有開放式培養(yǎng)和封閉式培養(yǎng)，還有學(xué)者研究半封閉半開放式的培養(yǎng)方式[14]。利用沼液培養(yǎng)微藻時，在選定最優(yōu)的藻種后，優(yōu)化設(shè)計高效的光生物反應(yīng)器是亟待解決的問題，反應(yīng)器的選擇和設(shè)計主要考慮微藻對光的吸收、光的衰減、光的明暗分布、氣體交換程度以及溶氧的抑制等。

目前使用最多的開放式系統(tǒng)是高效藻塘，通過“藻菌共生體系”有效去除污水中的營養(yǎng)鹽、重金屬、有機(jī)物等[15]。而封閉式的培養(yǎng)系統(tǒng)主要包括管道式、平板式和柱式三大類，而這三大類有各自的優(yōu)點和缺點，因此可根據(jù)藻種的生長特性來選擇合適的光生物反應(yīng)器，且與沼氣發(fā)酵形成配套的整體工藝。

5 微藻活性成分的綜合利用

國內(nèi)對微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化的系統(tǒng)研究起步較晚，盡管目前通過光自養(yǎng)培養(yǎng)能源微藻生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)路線已經(jīng)在實驗室中可以實現(xiàn)，但是存在的核心問題依然是成本較高，這是目前制約微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化的根本原因。如果通過該系統(tǒng)耦聯(lián)在一起，就可以減少培養(yǎng)微藻成本，同時在提取油脂后，還可以對藻渣的其他活性成分進(jìn)行提取，如高附加值的多不飽和脂肪酸，藻蛋白質(zhì)，藻多糖，藻色素等[16]。通過對微藻的綜合利用，使得本工藝更加完善、經(jīng)濟(jì)和節(jié)約。

基于沼氣發(fā)酵、微藻培養(yǎng)和生物柴油制備工藝系統(tǒng)高效的耦合，厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液通過本工藝達(dá)到安全、清潔的排放目的，同時其中的水分和其他營養(yǎng)成分可以用于微藻的培養(yǎng)，獲得大量的生物柴油原料，大大降低生物柴油的生產(chǎn)成本。通過工藝的耦合，在沼氣發(fā)酵和生物柴油生產(chǎn)方面都會降低各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本，同時本工藝的優(yōu)勢還體現(xiàn)在廢水的循環(huán)利用和溫室氣體的固定和固體有機(jī)廢棄物的循環(huán)厭氧發(fā)酵等方面。因此本集成工藝實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益的共贏，值得在國內(nèi)具備條件的城市進(jìn)行推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭軍衛(wèi).1996～1999年世界石油天然氣預(yù)計探明儲量[J].天然氣地球科學(xué)，2000，11（2）：41-45.

[2] 趙立欣，宋成軍，董保成，等.基于微藻養(yǎng)殖的沼液資源化利用與高價值生物質(zhì)生產(chǎn)耦合技術(shù)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2012， 12（3）：61-65.

[3] 王起華，張嵐翠，王 冰.固定化藻類細(xì)胞去除污水中氮、磷的研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2005，25（6）：6-8.

[4] 柳春鈴，楊柏松，劉孝莊，等.沼液利用技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2012（5）：44-45.

[5] 許 海，劉兆普，袁 蘭，等.pH對幾種淡水藻類生長的影響[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（1）：27-30.

[6] XIN Y，AMIT K， ASHISH K S，et al. Impact of ammonia concentration on Spirulina platensis growth in an airlift photobioreactor[J].Bioresource Technology，2011，103（3）：3234-3239.

[7] 高 婷，晏榮軍，裘俊紅，等.微綠球藻去除沼液氮、磷研究[J].浙江化工，2012，43（11）：34-37.

[8] 李 巖，周文廣，張曉東，等.微藻培養(yǎng)技術(shù)處理豬糞厭氧發(fā)酵廢水效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（1）：101-104.

[9] LI X，HU H，YANG J.Lipid accumulation and nutrient removal properties of a newly isolated freshwater microalga，Scenedesmus sp. LX1，growing in secondary effluent[J].New Biotechnology，2010，27（1）：59-63.

[10] TAM N F Y，WONG Y S.Effect of ammonia concentrations on growth of Chlorella vulgaris and nitrogen removal from media[J].Bioresource Technology，1996，57（1）：45-50.

[11] GUERRERO M G，VEGA J M，LOSADS M.The assimilatory nitrate reducing system and its regulation[J].Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，1981，32：169-204.

[12] 王翠紅，李日強(qiáng)，辛?xí)允|.鈍頂螺旋藻處理氨氮廢水的研究[J].上海環(huán)境科學(xué)，2002，21（12）：728-731.

[13] 包苑榆，鐘 萍，韋桂峰.基于15N穩(wěn)定同位素技術(shù)的斜生柵藻對硝氮和氨氮吸收研究[J].水生態(tài)學(xué)雜志，2011，32（3）：16-19.

[14] 劉春朝，劉 瑞，王 鋒.微藻培養(yǎng)過程中的光特征研究進(jìn)展[J].生物加工過程，2011，9（6）：69-76.

[15] PARK J B，CRAGGS R J，SHILTON A N.Wastewater treatment high rate algal ponds for biofuel production[J]. Bioresource Technology，2011，102（1）：35-42.

[16] SIALVE B，BERNET N，BERNARD O. Anaerobic digestion of microalgae as a necessary step to make microalgal biodiesel sustainable[J].Biotechnology Advances，2009，27（4）：409-416.

收稿日期：2014-04-17

基金項目：內(nèi)蒙古教育廳自然科學(xué)重點項目（NJZZ14162）；內(nèi)蒙古自治區(qū)重大基礎(chǔ)研究開放課題項目（20120908）

作者簡介：劉 彬（1990-），男，內(nèi)蒙古包頭人，在讀碩士研究生，研究方向為生物質(zhì)能源化利用，（電話）0472-5954358（電子信箱）

jnliubin1209@163.com；通信作者，季 祥（1978-），男，內(nèi)蒙古包頭人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能和有機(jī)廢棄物資源化

利用研究，（電話）0472-5954358（電子信箱）jixiang@imust.cn。endprint