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(shí)[1]。目前我國(guó)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(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始推進(jìn)大型沼氣工程建設(shè)[1]。目前常見(jiàn)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(wàn)立方米以上。原料供應(yīng)是大型沼氣工程首先要考慮的問(wèn)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(kāi)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(diǎn)之一[2-3]。

小球藻(Chlorella)易于培養(yǎng)，能利用秸稈、木薯等廉價(jià)資源或廢水進(jìn)行培養(yǎng)[4]。小球藻生長(zhǎng)迅速，指數(shù)生長(zhǎng)期的生物量倍增時(shí)間一般為3.5 h[4]。據(jù)報(bào)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(shí)，在提取油脂后會(huì)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(bào)道，但主要集中于藍(lán)藻[5]。利用小球藻生產(chǎn)沼氣的報(bào)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(duì)藻渣產(chǎn)氣性能的影響[6]。根據(jù)報(bào)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(dòng)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(guò)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(fèi)，因此本文使用提油后的小球藻作為研究對(duì)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(shí)，氮含量過(guò)高可能會(huì)對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)生抑制。本文通過(guò)分批厭氧消化實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)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(jiǎn)稱為HCCP)、小麥秸稈(長(zhǎng)度2～3 cm，自然風(fēng)干)由天冠集團(tuán)提供。污泥取自天冠集團(tuán)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(yàn)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?jí)A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(dòng)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(shí)實(shí)驗(yàn)停止[6]。

1.4 檢測(cè)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(cè)定見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 單獨(dú)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(duì)厭氧消化過(guò)程有顯著影響[1]。通常情況下，動(dòng)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(zhǎng)[1]。本文首先考察了小球藻及小麥秸稈的單獨(dú)厭氧消化性能。

2.1.1 單獨(dú)厭氧消化過(guò)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(shí)，厭氧消化過(guò)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(shí)，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(shí)的COD值。這是因?yàn)?，在測(cè)定COD時(shí)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(guò)濾造成的。當(dāng)采用小球藻為底物時(shí)，藻粉的粒徑較小無(wú)法被漏篩去除，因而造成COD值較大。從趨勢(shì)看，都是先降低、后升高,然后再降低。COD最初降低是因?yàn)榈孜镏腥菀妆晃⑸锢玫奈镔|(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(dòng)態(tài)平衡時(shí)，體系的COD處于一個(gè)相對(duì)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(shí)，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(duì)COD的影響

2.1.2 單獨(dú)厭氧消化過(guò)程中氨氮的變化

由于小球藻的C/N比較高，氨氮可能會(huì)成為厭氧消化的抑制因素。實(shí)驗(yàn)對(duì)厭氧消化過(guò)程中沼液的氨氮濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，以觀察氨氮對(duì)沼氣發(fā)酵的影響(見(jiàn)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(shì)，小球藻為底物時(shí)，系統(tǒng)中的氨氮濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小麥秸稈為底物時(shí)的濃度。實(shí)驗(yàn)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(shuō)明，小球藻在厭氧消化過(guò)程中發(fā)生了部分分解，而分解得到的氨氮濃度已經(jīng)會(huì)對(duì)厭氧消化過(guò)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(duì)氨氮的影響

2.1.3 單獨(dú)厭氧消化過(guò)程中VFAs的變化

監(jiān)測(cè)厭氧消化過(guò)程中的VFAs變化可以觀察消化體系運(yùn)行的穩(wěn)定性(見(jiàn)圖3)。如圖3所示，無(wú)論以小球藻還是小麥秸稈為底物時(shí)，系統(tǒng)中的VFAs含量均較低(<0.3 %)，說(shuō)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(duì)VFAs的影響

2.1.4 單獨(dú)厭氧消化時(shí)的累積產(chǎn)氣量比較

從累積產(chǎn)氣量上看，秸稈試驗(yàn)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(yíng)養(yǎng)、易分解物質(zhì)的產(chǎn)氣規(guī)律。秸稈實(shí)驗(yàn)組的最高產(chǎn)氣速率明顯低于HCCP組，這說(shuō)明秸稈的生物降解速率較慢。換句話說(shuō)，要想獲得良好的厭氧消化性能，就必須對(duì)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(duì)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(shí)，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(guò)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(wú)法保證[12]。碳氮比過(guò)高將導(dǎo)致厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)酸過(guò)多，從而引起酸敗，而碳氮比過(guò)低，則厭氧發(fā)酵過(guò)程中會(huì)引起厭氧微生物銨中毒，碳氮比過(guò)高過(guò)低均會(huì)降低厭氧發(fā)酵過(guò)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(kāi)展試驗(yàn)研究混合物聯(lián)合厭氧消化性能。

2.2.1 不同碳氮比對(duì)厭氧消化過(guò)程中COD的影響

圖5是不同碳氮比對(duì)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(guò)20以后反而又有所提升。發(fā)酵結(jié)束時(shí)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(guò)大則導(dǎo)致COD降低幅度提高，說(shuō)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(lái)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(duì)厭氧消化過(guò)程中氨氮的影響

圖6顯示了不同碳氮比對(duì)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(shí)間上看，氨氮呈先上升后下降的趨勢(shì)，氨氮含量在28 d附近達(dá)到最大值。各試驗(yàn)組發(fā)酵結(jié)束時(shí)的氨氮比最大值時(shí)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(lái)的氨中毒等問(wèn)題[15]。

圖5 不同碳氮比對(duì)COD的影響

圖6 不同碳氮比對(duì)氨氮的影響

2.2.3 不同碳氮比對(duì)厭氧消化過(guò)程中VFAs的影響

圖7顯示了碳氮比對(duì)厭氧消化過(guò)程中VFAs的影響。隨著碳氮比的提高，VFAs含量不斷提高，說(shuō)明富碳原料含量過(guò)多導(dǎo)致發(fā)酵體系中產(chǎn)生了大量的有機(jī)酸，富碳原料過(guò)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(yàn)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(guò)大VFAs降低幅度反而越小，C/N為20的試驗(yàn)組VFAs降幅理想。

2.2.4 不同碳氮比對(duì)厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)氣量的影響

圖7 不同碳氮比對(duì)VFAs的影響

圖8顯示了碳氮比對(duì)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(guò)20以后累積產(chǎn)氣量反而有所下降。碳氮比過(guò)大時(shí)，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(duì)累積產(chǎn)氣量的影響

2.3 產(chǎn)氣效率和產(chǎn)氣質(zhì)量評(píng)價(jià)

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(kāi)展混合物產(chǎn)氣效率和產(chǎn)氣質(zhì)量評(píng)價(jià)，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(duì)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?tīng)I(yíng)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(yàn)指標(biāo)未達(dá)到最適范圍，有待于進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)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(shí)，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(shí)，HCCP與小麥秸稈混合發(fā)酵時(shí)，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(shí)，HCCP表現(xiàn)出了作為大宗沼氣發(fā)酵原料的潛力。未來(lái)研究將圍繞HCCP的預(yù)處理展開(kāi)，以期提高其厭氧消化性能。