小球藻与小麦秸秆联合厌氧消化产沼气研究

赵 凯， 刘 悦， 倪振松， 张成明， 李砚飞

(1.河北省新能源技术推广站， 石家庄 050021； 2.福建师范大学福清分校， 福建 福清 350300； 3.徐州生物工程职业技术学院， 江苏 徐州 221006； 4.青县新能源办公室， 河北 青县 062650)

大力发展绿色清洁能源逐渐替代传统化石能源已成为全球共识[1]。目前我国应用较为广泛的生物质能源包括燃料乙醇、生物甲烷(由沼气提纯得到)、生物柴油等[1]。自2015年开始，我国开始推进大型沼气工程建设[1]。目前常见的大型沼气工程规模都在1000立方米以上，而大型生物质天然气工程的规模多在2万立方米以上。原料供应是大型沼气工程首先要考虑的问题，目前用于大型沼气工程的原料主要包括农作物秸秆、禽畜粪污等[1]。开发新的可用于大型沼气工程原料，并建立相关的沼气发酵技术是目前该领域的研究热点之一[2-3]。

小球藻(Chlorella)易于培养，能利用秸秆、木薯等廉价资源或废水进行培养[4]。小球藻生长迅速，指数生长期的生物量倍增时间一般为3.5 h[4]。据报道，单位面积小球藻油脂的年产量比油料作物中产量最高的作物还要高7～23倍，被认为是优良的生物柴油生产原料[4]。当小球藻用于生物柴油生产时，在提取油脂后会产生大量藻渣[4]。藻渣的潜在应用途径包括生产饲料添加剂、食品添加剂、医药保健、沼气发酵等领域[4]。将藻类作为底物进行沼气生产已有较多报道，但主要集中于蓝藻[5]。利用小球藻生产沼气的报道较少，主要集中在异养小球藻藻渣产沼气工艺的初步建立[5]，以及预处理对藻渣产气性能的影响[6]。根据报道，异养小球藻的沼气产率介于130～743 mL·g-1[5-7]，沼气产率波动较大的原因在于油脂含量、底物浓度、接种量以及C/N等。王楠楠[7]的研究表明未经处理、提取过的小球藻产沼气能力可达743 mL·g-1，产甲烷能力可达461 mL·g-1，但小球藻直接产沼气将造成明显的资源浪费，因此本文使用提油后的小球藻作为研究对象。

前期研究表明，小球藻碳氮比通常为7～8∶1(未发表的数据)，其蛋白质含量丰富，但将其作为唯一底物用于沼气生产时，氮含量过高可能会对沼气发酵产生抑制。本文通过分批厌氧消化实验，分别对异养小球藻、小麦秸秆作及其混合物的厌氧消化性能进行了研究，以期为利用小球藻生产沼气提供一定的借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

异养小球藻藻粉(Heterotrophicchlorellacells powder, 以下简称为HCCP)、小麦秸秆(长度2～3 cm，自然风干)由天冠集团提供。污泥取自天冠集团技术中心。小球藻经乙酸乙酯提取油脂后100 ℃烘干至恒重得到。

表1 原料基本性状 (%)

1.2 试验设备

沼气发酵装置由水浴锅、厌氧发酵瓶、集气瓶和集水瓶组成，后三者均为1 L广口瓶[8]。厌氧发酵瓶设料液取样口及导气管，取样口用弹簧夹夹好[6]。

1.3 沼气发酵条件

体系固形物浓度为6%，初始碱度2500 mgCaCO3·mL-1。发酵瓶体积1000 mL，装液量800 mL，发酵温度35℃±2℃，每天摇动发酵瓶2～3次。每周取样送检。发酵系统连续一周累积产气量低于前期总产气量5%时实验停止[6]。

1.4 检测方法

产气量：采用排水集气法；氨氮，COD，甲烷含量、挥发性脂肪酸(VFAs)测定见参考文献[9]。

2 结果与讨论

2.1 单独厌氧消化性能比较

原料理化特性，如碳氮比、元素(C、H、O、N)构成、生物降解性等，对厌氧消化过程有显著影响[1]。通常情况下，动物粪便等原料分解和产气速度较快、发酵周期较短；而秸秆等纤维质原料分解速度缓慢、产气速率低、生产周期长[1]。本文首先考察了小球藻及小麦秸秆的单独厌氧消化性能。

2.1.1 单独厌氧消化过程中COD的变化

本文首先考察了小球藻及小麦秸秆为唯一底物时，厌氧消化过程中沼液COD的变化，结果如图1所示。

如图所示，小球藻为底物时，厌氧消化液中的COD介于246400～187800 mg·L-1之间，远高于小麦秸秆为底物时的COD值。这是因为，在测定COD时仅仅用漏筛去除了大的悬浮物体而未进行离心或者微孔滤膜过滤造成的。当采用小球藻为底物时，藻粉的粒径较小无法被漏筛去除，因而造成COD值较大。从趋势看，都是先降低、后升高,然后再降低。COD最初降低是因为底物中容易被微生物利用的物质首先被转化为沼气；随着微生物水解和酸化作用的进行，底物的水解加快，造成COD浓度的上升。当微生物的水解速率和产沼气速率处于动态平衡时，体系的COD处于一个相对稳定的状态(7～42 d)。发酵结束后，小麦秸秆和小球藻为底物时，沼液COD分别降低了15.8%和23.8%。

图1 异养小球藻和秸秆做原料对COD的影响

2.1.2 单独厌氧消化过程中氨氮的变化

由于小球藻的C/N比较高，氨氮可能会成为厌氧消化的抑制因素。实验对厌氧消化过程中沼液的氨氮浓度进行了监测，以观察氨氮对沼气发酵的影响(见图2)。

如图2所示，不同底物情况下，氨氮浓度均呈现为先升高再降低的趋势，小球藻为底物时，系统中的氨氮浓度远远高于小麦秸秆为底物时的浓度。实验中观察到的最高的氨氮浓度分别为1285(28 d，小球藻)和989 mg·L-1(35 d，秸秆)。结果说明，小球藻在厌氧消化过程中发生了部分分解，而分解得到的氨氮浓度已经会对厌氧消化过程产生抑制。发酵后期体系中的氨氮浓度有所下降，可能是其被发酵体系中的微生物利用用于合成生物体了[10]。

图2 异养小球藻和秸秆做原料对氨氮的影响

2.1.3 单独厌氧消化过程中VFAs的变化

监测厌氧消化过程中的VFAs变化可以观察消化体系运行的稳定性(见图3)。如图3所示，无论以小球藻还是小麦秸秆为底物时，系统中的VFAs含量均较低(<0.3 %)，说明厌氧消化体系的稳定性较好。

图3 异养小球藻和秸秆做原料对VFAs的影响

2.1.4 单独厌氧消化时的累积产气量比较

从累积产气量上看，秸秆试验组的产气速率一直比较稳定；而HCCP组则有明显的延滞期和快速产气期，这符合富营养、易分解物质的产气规律。秸秆实验组的最高产气速率明显低于HCCP组，这说明秸秆的生物降解速率较慢。换句话说，要想获得良好的厌氧消化性能，就必须对原料进行预处理[11]。

图4 异养小球藻和秸秆做原料对产气量的影响

2.2 联合厌氧消化性能研究

碳元素、氮元素既是构成微生物细胞的主要成分，又影响着细胞的增殖，同时，碳氮比是影响厌氧发酵的重要影响因素[1]。在厌氧发酵过程中，随着沼气的释放，碳元素不断流失，而氮元素却大量的保留在发酵液中，碳氮比失衡导致沼气产量无法保证[12]。碳氮比过高将导致厌氧发酵过程中产酸过多，从而引起酸败，而碳氮比过低，则厌氧发酵过程中会引起厌氧微生物铵中毒，碳氮比过高过低均会降低厌氧发酵过程的生产效率[13]。本文使用小球藻、秸秆混合物作为原料，在ISR(污泥底物比)=3∶1，发酵液TS=6%条件下开展试验研究混合物联合厌氧消化性能。

2.2.1 不同碳氮比对厌氧消化过程中COD的影响

图5是不同碳氮比对COD的影响，随着碳氮比的提高，发酵体系中的COD不断减少，当碳氮比超过20以后反而又有所提升。发酵结束时的COD与初始值相比，各发酵体系COD降低幅度分别为33.5%，39.2%，39.8%，37.8%，随着碳氮比的提升COD降低幅度不断降低，但碳氮比过大则导致COD降低幅度提高，说明合适的碳氮比有助于控制发酵体系中底物的分解速度，有助于解决低碳氮比原料快速分解造成氨中毒和高碳氮比原料带来的酸抑制现象[14]，从而达到发酵效率提高的目的。

2.2.2 不同碳氮比对厌氧消化过程中氨氮的影响

图6显示了不同碳氮比对氨氮的影响。随着碳氮比的提高，体系中氨氮含量不断降低；从发酵时间上看，氨氮呈先上升后下降的趋势，氨氮含量在28 d附近达到最大值。各试验组发酵结束时的氨氮比最大值时分别降低了30.3%，47.5%，53.3%，49.7%，碳氮比的提高有助于氨氮的分解，有助于缓解低碳氮比原料带来的氨中毒等问题[15]。

图5 不同碳氮比对COD的影响

图6 不同碳氮比对氨氮的影响

2.2.3 不同碳氮比对厌氧消化过程中VFAs的影响

图7显示了碳氮比对厌氧消化过程中VFAs的影响。随着碳氮比的提高，VFAs含量不断提高，说明富碳原料含量过多导致发酵体系中产生了大量的有机酸，富碳原料过多，可能导致厌氧细菌活性受到抑制。在发酵第28天以后，VFAs含量便不断降低，各试验组VFAs降低幅度分别为9.0%，11.2%，12.4%，11.1%，随着碳氮比的提升VFAs降低幅度也随之提升，但碳氮比过大VFAs降低幅度反而越小，C/N为20的试验组VFAs降幅理想。

2.2.4 不同碳氮比对厌氧消化过程中产气量的影响

图7 不同碳氮比对VFAs的影响

图8显示了碳氮比对累积产气量的影响。随着碳氮比的提高，累积产气量也随之提高，但碳氮比超过20以后累积产气量反而有所下降。碳氮比过大时，使得生物活性下降，导致产气量下降。因此，碳氮比20符合要求，在该条件下累积产气量分别比其它反应体系提高9倍，1.5倍，12.9%。

图8 不同碳氮比对累积产气量的影响

2.3 产气效率和产气质量评价

使用小球藻、秸秆混合原料，在C/N为20，ISR=3∶1，发酵液TS=6%的条件下开展混合物产气效率和产气质量评价，结果发现，发酵55 d，沼气产率为694.4 mL·g-1，甲烷产率为342.69 mL·g-1，沼气中甲烷含量达到49.35%。与王楠楠[7]等人的研究结果对比，沼气产率和甲烷产率均略低，原因可能是原料不同、发酵反应体系不同导致营养成分有差异，以及本文中发酵液底物浓度、接种量等试验指标未达到最适范围，有待于进一步优化试验参数。

2.4 小结

(1)单一原料体系下，富碳或富氮原料为唯一底物时，厌氧消化体系可能受到酸抑制或氨中毒，进而导致发酵效率低下。

(2)在TS=6%，ISR=3∶1，C/N=20时，HCCP与小麦秸秆混合发酵时，累积产气量达到8332.8 mL,氨氮降低49.4%，COD降低39.8%，发酵结束后，沼气和甲烷产率分别为694.4和342.69 mL·g-1。

(3)未经预处理时，HCCP表现出了作为大宗沼气发酵原料的潜力。未来研究将围绕HCCP的预处理展开，以期提高其厌氧消化性能。