小球藻與小麥秸稈聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)沼氣研究

趙 凱， 劉 悅， 倪振松， 張成明， 李硯飛

(1.河北省新能源技術(shù)推廣站， 石家莊 050021； 2.福建師范大學(xué)福清分校， 福建 福清 350300； 3.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 徐州 221006； 4.青縣新能源辦公室， 河北 青縣 062650)

大力發(fā)展綠色清潔能源逐漸替代傳統(tǒng)化石能源已成為全球共識[1]。目前我國應(yīng)用較為廣泛的生物質(zhì)能源包括燃料乙醇、生物甲烷(由沼氣提純得到)、生物柴油等[1]。自2015年開始，我國開始推進(jìn)大型沼氣工程建設(shè)[1]。目前常見的大型沼氣工程規(guī)模都在1000立方米以上，而大型生物質(zhì)天然氣工程的規(guī)模多在2萬立方米以上。原料供應(yīng)是大型沼氣工程首先要考慮的問題，目前用于大型沼氣工程的原料主要包括農(nóng)作物秸稈、禽畜糞污等[1]。開發(fā)新的可用于大型沼氣工程原料，并建立相關(guān)的沼氣發(fā)酵技術(shù)是目前該領(lǐng)域的研究熱點之一[2-3]。

小球藻(Chlorella)易于培養(yǎng)，能利用秸稈、木薯等廉價資源或廢水進(jìn)行培養(yǎng)[4]。小球藻生長迅速，指數(shù)生長期的生物量倍增時間一般為3.5 h[4]。據(jù)報道，單位面積小球藻油脂的年產(chǎn)量比油料作物中產(chǎn)量最高的作物還要高7～23倍，被認(rèn)為是優(yōu)良的生物柴油生產(chǎn)原料[4]。當(dāng)小球藻用于生物柴油生產(chǎn)時，在提取油脂后會產(chǎn)生大量藻渣[4]。藻渣的潛在應(yīng)用途徑包括生產(chǎn)飼料添加劑、食品添加劑、醫(yī)藥保健、沼氣發(fā)酵等領(lǐng)域[4]。將藻類作為底物進(jìn)行沼氣生產(chǎn)已有較多報道，但主要集中于藍(lán)藻[5]。利用小球藻生產(chǎn)沼氣的報道較少，主要集中在異養(yǎng)小球藻藻渣產(chǎn)沼氣工藝的初步建立[5]，以及預(yù)處理對藻渣產(chǎn)氣性能的影響[6]。根據(jù)報道，異養(yǎng)小球藻的沼氣產(chǎn)率介于130～743 mL·g-1[5-7]，沼氣產(chǎn)率波動較大的原因在于油脂含量、底物濃度、接種量以及C/N等。王楠楠[7]的研究表明未經(jīng)處理、提取過的小球藻產(chǎn)沼氣能力可達(dá)743 mL·g-1，產(chǎn)甲烷能力可達(dá)461 mL·g-1，但小球藻直接產(chǎn)沼氣將造成明顯的資源浪費，因此本文使用提油后的小球藻作為研究對象。

前期研究表明，小球藻碳氮比通常為7～8∶1(未發(fā)表的數(shù)據(jù))，其蛋白質(zhì)含量豐富，但將其作為唯一底物用于沼氣生產(chǎn)時，氮含量過高可能會對沼氣發(fā)酵產(chǎn)生抑制。本文通過分批厭氧消化實驗，分別對異養(yǎng)小球藻、小麥秸稈作及其混合物的厭氧消化性能進(jìn)行了研究，以期為利用小球藻生產(chǎn)沼氣提供一定的借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

異養(yǎng)小球藻藻粉(Heterotrophicchlorellacells powder, 以下簡稱為HCCP)、小麥秸稈(長度2～3 cm，自然風(fēng)干)由天冠集團提供。污泥取自天冠集團技術(shù)中心。小球藻經(jīng)乙酸乙酯提取油脂后100 ℃烘干至恒重得到。

表1 原料基本性狀 (%)

1.2 試驗設(shè)備

沼氣發(fā)酵裝置由水浴鍋、厭氧發(fā)酵瓶、集氣瓶和集水瓶組成，后三者均為1 L廣口瓶[8]。厭氧發(fā)酵瓶設(shè)料液取樣口及導(dǎo)氣管，取樣口用彈簧夾夾好[6]。

1.3 沼氣發(fā)酵條件

體系固形物濃度為6%，初始堿度2500 mgCaCO3·mL-1。發(fā)酵瓶體積1000 mL，裝液量800 mL，發(fā)酵溫度35℃±2℃，每天搖動發(fā)酵瓶2～3次。每周取樣送檢。發(fā)酵系統(tǒng)連續(xù)一周累積產(chǎn)氣量低于前期總產(chǎn)氣量5%時實驗停止[6]。

1.4 檢測方法

產(chǎn)氣量：采用排水集氣法；氨氮，COD，甲烷含量、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)測定見參考文獻(xiàn)[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 單獨厭氧消化性能比較

原料理化特性，如碳氮比、元素(C、H、O、N)構(gòu)成、生物降解性等，對厭氧消化過程有顯著影響[1]。通常情況下，動物糞便等原料分解和產(chǎn)氣速度較快、發(fā)酵周期較短；而秸稈等纖維質(zhì)原料分解速度緩慢、產(chǎn)氣速率低、生產(chǎn)周期長[1]。本文首先考察了小球藻及小麥秸稈的單獨厭氧消化性能。

2.1.1 單獨厭氧消化過程中COD的變化

本文首先考察了小球藻及小麥秸稈為唯一底物時，厭氧消化過程中沼液COD的變化，結(jié)果如圖1所示。

如圖所示，小球藻為底物時，厭氧消化液中的COD介于246400～187800 mg·L-1之間，遠(yuǎn)高于小麥秸稈為底物時的COD值。這是因為，在測定COD時僅僅用漏篩去除了大的懸浮物體而未進(jìn)行離心或者微孔濾膜過濾造成的。當(dāng)采用小球藻為底物時，藻粉的粒徑較小無法被漏篩去除，因而造成COD值較大。從趨勢看，都是先降低、后升高,然后再降低。COD最初降低是因為底物中容易被微生物利用的物質(zhì)首先被轉(zhuǎn)化為沼氣；隨著微生物水解和酸化作用的進(jìn)行，底物的水解加快，造成COD濃度的上升。當(dāng)微生物的水解速率和產(chǎn)沼氣速率處于動態(tài)平衡時，體系的COD處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)(7～42 d)。發(fā)酵結(jié)束后，小麥秸稈和小球藻為底物時，沼液COD分別降低了15.8%和23.8%。

圖1 異養(yǎng)小球藻和秸稈做原料對COD的影響

2.1.2 單獨厭氧消化過程中氨氮的變化

由于小球藻的C/N比較高，氨氮可能會成為厭氧消化的抑制因素。實驗對厭氧消化過程中沼液的氨氮濃度進(jìn)行了監(jiān)測，以觀察氨氮對沼氣發(fā)酵的影響(見圖2)。

如圖2所示，不同底物情況下，氨氮濃度均呈現(xiàn)為先升高再降低的趨勢，小球藻為底物時，系統(tǒng)中的氨氮濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小麥秸稈為底物時的濃度。實驗中觀察到的最高的氨氮濃度分別為1285(28 d，小球藻)和989 mg·L-1(35 d，秸稈)。結(jié)果說明，小球藻在厭氧消化過程中發(fā)生了部分分解，而分解得到的氨氮濃度已經(jīng)會對厭氧消化過程產(chǎn)生抑制。發(fā)酵后期體系中的氨氮濃度有所下降，可能是其被發(fā)酵體系中的微生物利用用于合成生物體了[10]。

圖2 異養(yǎng)小球藻和秸稈做原料對氨氮的影響

2.1.3 單獨厭氧消化過程中VFAs的變化

監(jiān)測厭氧消化過程中的VFAs變化可以觀察消化體系運行的穩(wěn)定性(見圖3)。如圖3所示，無論以小球藻還是小麥秸稈為底物時，系統(tǒng)中的VFAs含量均較低(<0.3 %)，說明厭氧消化體系的穩(wěn)定性較好。

圖3 異養(yǎng)小球藻和秸稈做原料對VFAs的影響

2.1.4 單獨厭氧消化時的累積產(chǎn)氣量比較

從累積產(chǎn)氣量上看，秸稈試驗組的產(chǎn)氣速率一直比較穩(wěn)定；而HCCP組則有明顯的延滯期和快速產(chǎn)氣期，這符合富營養(yǎng)、易分解物質(zhì)的產(chǎn)氣規(guī)律。秸稈實驗組的最高產(chǎn)氣速率明顯低于HCCP組，這說明秸稈的生物降解速率較慢。換句話說，要想獲得良好的厭氧消化性能，就必須對原料進(jìn)行預(yù)處理[11]。

圖4 異養(yǎng)小球藻和秸稈做原料對產(chǎn)氣量的影響

2.2 聯(lián)合厭氧消化性能研究

碳元素、氮元素既是構(gòu)成微生物細(xì)胞的主要成分，又影響著細(xì)胞的增殖，同時，碳氮比是影響厭氧發(fā)酵的重要影響因素[1]。在厭氧發(fā)酵過程中，隨著沼氣的釋放，碳元素不斷流失，而氮元素卻大量的保留在發(fā)酵液中，碳氮比失衡導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量無法保證[12]。碳氮比過高將導(dǎo)致厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)酸過多，從而引起酸敗，而碳氮比過低，則厭氧發(fā)酵過程中會引起厭氧微生物銨中毒，碳氮比過高過低均會降低厭氧發(fā)酵過程的生產(chǎn)效率[13]。本文使用小球藻、秸稈混合物作為原料，在ISR(污泥底物比)=3∶1，發(fā)酵液TS=6%條件下開展試驗研究混合物聯(lián)合厭氧消化性能。

2.2.1 不同碳氮比對厭氧消化過程中COD的影響

圖5是不同碳氮比對COD的影響，隨著碳氮比的提高，發(fā)酵體系中的COD不斷減少，當(dāng)碳氮比超過20以后反而又有所提升。發(fā)酵結(jié)束時的COD與初始值相比，各發(fā)酵體系COD降低幅度分別為33.5%，39.2%，39.8%，37.8%，隨著碳氮比的提升COD降低幅度不斷降低，但碳氮比過大則導(dǎo)致COD降低幅度提高，說明合適的碳氮比有助于控制發(fā)酵體系中底物的分解速度，有助于解決低碳氮比原料快速分解造成氨中毒和高碳氮比原料帶來的酸抑制現(xiàn)象[14]，從而達(dá)到發(fā)酵效率提高的目的。

2.2.2 不同碳氮比對厭氧消化過程中氨氮的影響

圖6顯示了不同碳氮比對氨氮的影響。隨著碳氮比的提高，體系中氨氮含量不斷降低；從發(fā)酵時間上看，氨氮呈先上升后下降的趨勢，氨氮含量在28 d附近達(dá)到最大值。各試驗組發(fā)酵結(jié)束時的氨氮比最大值時分別降低了30.3%，47.5%，53.3%，49.7%，碳氮比的提高有助于氨氮的分解，有助于緩解低碳氮比原料帶來的氨中毒等問題[15]。

圖5 不同碳氮比對COD的影響

圖6 不同碳氮比對氨氮的影響

2.2.3 不同碳氮比對厭氧消化過程中VFAs的影響

圖7顯示了碳氮比對厭氧消化過程中VFAs的影響。隨著碳氮比的提高，VFAs含量不斷提高，說明富碳原料含量過多導(dǎo)致發(fā)酵體系中產(chǎn)生了大量的有機酸，富碳原料過多，可能導(dǎo)致厭氧細(xì)菌活性受到抑制。在發(fā)酵第28天以后，VFAs含量便不斷降低，各試驗組VFAs降低幅度分別為9.0%，11.2%，12.4%，11.1%，隨著碳氮比的提升VFAs降低幅度也隨之提升，但碳氮比過大VFAs降低幅度反而越小，C/N為20的試驗組VFAs降幅理想。

2.2.4 不同碳氮比對厭氧消化過程中產(chǎn)氣量的影響

圖7 不同碳氮比對VFAs的影響

圖8顯示了碳氮比對累積產(chǎn)氣量的影響。隨著碳氮比的提高，累積產(chǎn)氣量也隨之提高，但碳氮比超過20以后累積產(chǎn)氣量反而有所下降。碳氮比過大時，使得生物活性下降，導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降。因此，碳氮比20符合要求，在該條件下累積產(chǎn)氣量分別比其它反應(yīng)體系提高9倍，1.5倍，12.9%。

圖8 不同碳氮比對累積產(chǎn)氣量的影響

2.3 產(chǎn)氣效率和產(chǎn)氣質(zhì)量評價

使用小球藻、秸稈混合原料，在C/N為20，ISR=3∶1，發(fā)酵液TS=6%的條件下開展混合物產(chǎn)氣效率和產(chǎn)氣質(zhì)量評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵55 d，沼氣產(chǎn)率為694.4 mL·g-1，甲烷產(chǎn)率為342.69 mL·g-1，沼氣中甲烷含量達(dá)到49.35%。與王楠楠[7]等人的研究結(jié)果對比，沼氣產(chǎn)率和甲烷產(chǎn)率均略低，原因可能是原料不同、發(fā)酵反應(yīng)體系不同導(dǎo)致營養(yǎng)成分有差異，以及本文中發(fā)酵液底物濃度、接種量等試驗指標(biāo)未達(dá)到最適范圍，有待于進(jìn)一步優(yōu)化試驗參數(shù)。

2.4 小結(jié)

(1)單一原料體系下，富碳或富氮原料為唯一底物時，厭氧消化體系可能受到酸抑制或氨中毒，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)酵效率低下。

(2)在TS=6%，ISR=3∶1，C/N=20時，HCCP與小麥秸稈混合發(fā)酵時，累積產(chǎn)氣量達(dá)到8332.8 mL,氨氮降低49.4%，COD降低39.8%，發(fā)酵結(jié)束后，沼氣和甲烷產(chǎn)率分別為694.4和342.69 mL·g-1。

(3)未經(jīng)預(yù)處理時，HCCP表現(xiàn)出了作為大宗沼氣發(fā)酵原料的潛力。未來研究將圍繞HCCP的預(yù)處理展開，以期提高其厭氧消化性能。