小球藻高浓度厌氧消化产甲烷实验研究

王楠楠

（清华大学环境学院，北京 100084）

随着全球气候变化问题越来越严重，温室气体二氧化碳的减排成为社会各界关注的热点［1-2］，同时化石燃料的消耗使得寻找可再生新能源也日益紧迫［3-4］。温室效应、回收排放物与能源可持续性成为全世界关注的话题，其中利用微藻生物的光合作用固定二氧化碳并收获藻生物质产能是具有很大发展前景的技术，其可以将固定二氧化碳、废物循环利用与生产能源物质结合在一起，且微藻作为生产能源的原材料具有不与农作物争地的良好社会效益。在开发替代化石能源的原料研究中，甚至有学者预测微藻能源将成为惟一的能满足全球需求的可再生的生物新能源［5-6］。

用微藻来生产生物燃料的方法有很多，其中最常见的是利用高油微藻提取甘油三酯后，再被转化为生物柴油［7-8］；此外还有热解、气化、液化、生物制氢以及微藻发电等技术。在微藻的众多能源化方式中，微藻提取油脂生产生物柴油和热解产油技术需要脱水干燥和后续加工，需要投入大量能源，同时高油脂微藻的获取仍有许多难题需要克服；微藻发酵产乙醇和微藻加压液化可以省掉干燥步骤，但需要产品分离，仍需要较多的能量；微藻厌氧产氢虽不需要脱水干燥和产品分离，但目前产氢效率尚未达到产业化水平；微藻厌氧产沼技术，不需脱水干燥和严格的产品分离，且具有良好的产业化基础，是上述诸多技术中最有应用前景的能源化技术。微藻厌氧消化产生的沼液富含氮磷营养，可以作为微藻光培养的良好基质。沼气中甲烷含量高，分离提纯后得到高品质的清洁燃气，分离出来的二氧化碳可以回用于微藻的高浓度光培养阶段。笔者以小球藻为对象，通过实验室规模的间歇和半连续厌氧消化实验，开展高浓度微藻厌氧消化产甲烷工艺技术研究。

1 实验材料与方法

1.1 材料与设备

实验中所用小球藻购置于上海光语生物公司，螺旋藻和微拟球藻来自山东烟台高新区海洋生物工程研究所。接种污泥取自本实验室以城市污泥为基质培养的厌氧反应器。

微藻厌氧消化产甲烷潜能（BMP） 实验使用瑞典Bioprocess Control公司的AMPTSII设备。

微藻厌氧消化产甲烷连续运行反应器采用单相CSTR，反应器总容积为22 L，其中有效容积20 L。

1.2 实验方法

1.2.1 BMP实验

取360 mL接种污泥置于500 mL厌氧反应瓶中，再取35 mL待分析样品置于反应器中，基质/微生物（F/M）为1∶5左右，基质与接种污泥摇匀混合后用盖子将瓶口塞紧；连接管路，瓶盖上连接传感器控制搅拌子以300 r/min速率将物料搅拌均匀，将反应器置于37℃恒温水浴锅进行厌氧消化，产生的沼气用碱液吸收后计量甲烷体积；试验过程中，定时记录产气量，每隔1 d维护设备，将水浴锅内补加蒸发掉的水。小球藻、螺旋藻、微拟球藻和空白接种污泥分别接种于不同反应瓶中进行厌氧产甲烷潜能实验。其接种污泥的TS和VS分别为75、47 g/L。

1.2.2 半连续实验

半连续实验在CSTR反应器上运行，每天进出料1次。定期取样分析TS、VS、COD、氨氮、碱度、VFA（挥发脂肪酸）。

1.3 分析方法

分析项目及分析方法见表1。

表1 测试分析项目及方法

2 实验结果

2.1 微藻的基本性质分析

实验中所用的小球藻藻液总固体浓度约为100 g/L，每毫升藻液约有细胞1.0×1010个。藻液通过离心浓缩，最后进行真空干燥得到藻粉，其基本性质分析如下。

小球藻的元素组成分析与工业分析见表2。

表2 小球藻的元素组成与工业分析

根据表3的分析结果，小球藻的有机物含量高，藻细胞有机物含量90%左右，灰分很少。C/N接近7，蛋白质含量是3组分中最高的，游离脂肪含量约10%，细胞也含有少量纤维素。C、H、N与O元素占总量的90%以上，而S元素的含量较低，因此微藻能源在燃烧过程中不会释放较多的二氧化硫等污染物，可作绿色能源。利用氧弹量热仪测得小球藻热值为21.85 MJ/kg。

表3 小球藻的有机物组分 %

2.2 微藻的厌氧消化产甲烷潜能

微藻的厌氧消化性能可以用产甲烷潜能来表征，产甲烷潜能即单位质量有机物在厌氧消化过程中能够获得的最大产甲烷量。选用研究报道中比较多的小球藻进行厌氧消化产甲烷性能实验，并将螺旋藻和微拟球藻与小球藻一起进行实验对比分析。28 d的测试产甲烷情况见图1～2。

图1 累积产甲烷曲线

图2 每天产甲烷曲线

由图1与图2的曲线可以看出，小球藻厌氧消化产甲烷潜能达到461 mL/g，与螺旋藻（产甲烷潜能331 mL/g） 以及微拟球藻（产甲烷潜能374.2 mL/g）相比其产甲烷率比较高，适合选作厌氧消化产甲烷燃料研究的代表藻种。3种微藻的产甲烷速率在前10 d内比较高，实验进行了28 d以后每天产甲烷量很少，不再计量产气情况。

2.3 CSTR反应器的运行情况

为了放大规模利用微藻生产甲烷燃料，使用厌氧消化CSTR反应器进行微藻的产甲烷工艺运行实验。

接种污泥取自北京高碑店污水处理厂。使用城市污泥为进料基质，在停留时间30 d，负荷率1.67 kg/（m3·d）条件下培养，污泥的半连续实验在30 L的反应器进行。进料为微藻的实验在20 L小试反应器上进行。反应器进料小球藻的初始时刻污泥TS与VS分别为43、33.3 g/L。反应器的容积产气率和TS、VS、SS、VSS变化曲线见图3和图4。CSTR反应器厌氧消化产甲烷性能见表4，产气情况和COD降解分析作一个物料平衡（见图5）。

图3 小球藻产气情况

图4 小球藻反应器出料TS、VS、SS与VSS

由图3可以看出，反应器刚开始运行时产气比较少，经过一个适应期每天产气量逐渐增多，后来产气率在某一个范围内波动，产气逐渐稳定。

根据反应器每天出料有机物VS监测数据（见图4），可以计算出实验小球藻VS的降解率，即进料VS为（90.0±9.2） g/L，而出料VS为（38.10±2.95） g/L，得降解率为57.7%。

图5中理论产甲烷为根据降解的COD计算所得，每克COD产甲烷0.350 L，实际每天产沼气为湿式流量计计量，并根据气相色谱仪所测出的甲烷含量算出实际每天平均产甲烷量，回收率约90.67%。

图5 CSTR反应器物料平衡

由表4、表5可见，微藻的厌氧消化产甲烷性能很好，使用污水处理厂接种污泥直接厌氧消化的降解率能达到55.3%，所产沼气中甲烷平均含量62%。表5反应器的稳定性监测指标数据主要是看pH以及“VFA/碱度”的范围，正常的甲烷菌与兼性厌氧菌共生时pH在6.8～7.6，pH过高或过低都不利于反应器微生物生长。VFA/碱度一般不超过0.3系统就不会出现不稳定的情况［9］。反应器内“VFA/碱度”的比例前期未超过0.3，20 L的高浓度藻液厌氧消化的反应器VFA后期升高到4 429 mg/L，可能反应器进料藻液的pH比较低造成了有机酸少量积累，停止进料2 d后有机酸浓度下降，然后恢复进料，厌氧微生物又恢复活性，此后反应器稳定运行。本实验所选用的小球藻所产沼气中甲烷含量高，而二氧化碳只占38%左右，可见微藻产甲烷性能良好。

表4 CSTR反应器运行产甲烷性能与有机物降解情况

表5 反应器稳定性参数汇总

实验用小球藻其藻细胞油脂含量、蛋白质含量分别为9%、56.7%，因此产甲烷的潜能相对较高，若能够培养出油脂含量更高而碳水化合物含量相对变低的工程微藻来进行厌氧消化产甲烷，其产甲烷潜能可以提高到更高的水平，且C/N在10～20的工程微藻，在厌氧消化产甲烷过程中能够避免氨氮积累可能带来的抑制问题，研发前景很好。

3 结论

1）本研究BMP实验结果表明微藻的产甲烷潜能比较高，小球藻产甲烷潜能达到461 mL/g，高于其他藻种。

2） 半连续实验运行CSTR反应器产沼气达到1.1 m3/(m3·d)，容积产甲烷率达到 0.682 m3/(m3·d)。反应器运行稳定，沼气中甲烷含量平均为62%。

3） 微藻的厌氧产甲烷潜能以及CSTR反应器厌氧消化运行实验表明：小球藻容易被厌氧菌降解产甲烷，能够充分降解得到较高的产甲烷潜能；使用CSTR工艺进行小球藻半连续反应器厌氧消化运行状况良好，未出现氨氮抑制，藻有机质降解率高；系统将微藻生物质通过厌氧消化技术转化成甲烷燃料，具有较高的环境效益和经济价值。

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