黃絲藻提油藻渣與牛糞共厭氧發(fā)酵研究

陳木子 劉彬

摘要：以黃絲藻（Tribonema minus）提油后剩余藻渣為原料，與牛糞混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵。結(jié)果表明，藻渣與牛糞混合發(fā)酵工藝能使發(fā)酵液維持在適于厭氧發(fā)酵菌群生長(zhǎng)的pH環(huán)境。在藻渣和牛糞混合比為4∶6的厭氧發(fā)酵體系下，累計(jì)產(chǎn)氣量（783 mL）、產(chǎn)甲烷速率[9.8 mL/（d·g VS）]均為最大，日產(chǎn)氣量（86 mL/d）和累計(jì)產(chǎn)甲烷量（88.07 mL/g VS）較高，發(fā)酵滯留時(shí)間最短（2.1 d）。

關(guān)鍵詞：黃絲藻（Tribonema minus）;藻渣;牛糞;共厭氧發(fā)酵

中圖分類號(hào)：TK6? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）05-0025-04

Abstract： The test of anaerobic digestion with mixed material of lipid-extracted residue of Tribonema minus and cow dung was carried out. The results showed that the mixed anaerobic digestion system could keep the fermented liquid at a suitable pH value for the growth of the methanogens. While the ratio of lipid-extracted residue of Tribonema minus and cow dung was 4∶6， there were the highest cumulative gas production （783 mL）， unit CH4 production rate （9.8 mL/（d·g VS））， higher daily gas production（86 mL/d）， cumulative CH4 production （88.07 mL/g VS）， and the shortest fermentation detention time （2.1 d）.

Key words： Tribonema minus; lipid-extracted residue; cow dung; co-anaerobic digestion

藻類（Algae）是廣泛存在于海洋、淡水湖泊等水域、潮濕地帶，甚至沙漠中也存在的一類生物質(zhì)資源，一般為單細(xì)胞、絲狀或片狀多細(xì)胞群，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、種類繁多、易于馴化培養(yǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)、光合效率高、生長(zhǎng)速度快等特點(diǎn)。

藻類按形態(tài)大小可分為大藻和微藻[1-3]。微藻主要由脂類、蛋白質(zhì)和多糖等組成，且富含多種微量元素，在食品醫(yī)藥、化妝品、養(yǎng)殖餌料、環(huán)境能源等領(lǐng)域有廣泛研究與應(yīng)用。微藻在能源領(lǐng)域的研究主要集中在微藻油脂制備生物柴油、微藻發(fā)酵制備沼氣/氫氣、微藻光合作用產(chǎn)氫、微藻燃料乙醇、微藻熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制備生物燃料等方面[4]。在特定條件下，微藻油脂積累可達(dá)到40%～70%[5，6]，油脂經(jīng)過(guò)提取和轉(zhuǎn)脂化反應(yīng)可生成脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯等化合物作為生物柴油使用;但油脂提取后會(huì)剩余大量藻渣。藻渣中仍含有大量蛋白質(zhì)和多糖等有機(jī)物質(zhì)，可通過(guò)厭氧發(fā)酵，經(jīng)歷水解、酸化和產(chǎn)甲烷3個(gè)階段產(chǎn)生沼氣[7]。已有報(bào)道去氨基酸藻渣和去油脂藻渣的CH4產(chǎn)率高于全組分藻粉，主要?dú)w因于在某些組分去除時(shí)破壞了細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)、增加了有機(jī)質(zhì)的水解[4]。但其多糖類分子極易被微生物分解，產(chǎn)生大量酸類物質(zhì)，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)甲烷菌群的生長(zhǎng)。因此，采用生物質(zhì)混合厭氧發(fā)酵的方式是一種較好的緩解過(guò)度酸化的工藝。

目前對(duì)微藻油脂提取后剩余藻渣厭氧發(fā)酵的研究較少。本試驗(yàn)以一種易采收、油脂含量高的絲狀微藻——黃絲藻（Tribonema minus）提油后藻渣為原料，與牛糞進(jìn)行共厭氧發(fā)酵，采用生活污水處理廠二沉池生活污水作為接種物，研究不同混料比下共厭氧發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液pH、產(chǎn)氣量及產(chǎn)甲烷量的變化趨勢(shì)，以期實(shí)現(xiàn)微藻提油后剩余藻渣能源化利用及微藻生物質(zhì)的最大化利用。

1? 材料與方法

1.1? 材料

黃絲藻提油后剩余藻渣由中國(guó)科學(xué)院青島能源與過(guò)程研究所惠贈(zèng)。自然風(fēng)干后粉碎篩分20目以下部分備用。牛糞取自某農(nóng)家奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)堆棄牛糞，自然風(fēng)干后粉碎篩分20目以下部分備用。接種物取自某污水處理廠二沉池生活污水。三者基本特性如表1所示，其中C、N含量為固體物質(zhì)中的含量。

1.2? 厭氧發(fā)酵裝置

厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)裝置由厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、氣體收集系統(tǒng)及溫度控制系統(tǒng)3部分構(gòu)成，如圖1所示。厭氧發(fā)酵系統(tǒng)采用500 mL錐形瓶，用橡膠塞密封保持無(wú)氧環(huán)境;使用玻璃管與乳膠管相連接導(dǎo)出發(fā)酵系統(tǒng)生成的氣體，氣體收集系統(tǒng)由1 000 mL鋁箔集氣袋構(gòu)成;溫度控制系統(tǒng)由恒溫水浴鍋控制。

1.3? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)不同藻渣與牛糞配比，分別為10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8、0∶10，考察不同混料比例對(duì)發(fā)酵液pH、產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量的影響。

樣品含水率（MC）、總固體含量（TS）和揮發(fā)性固體含量（VS）參考文獻(xiàn)[8]測(cè)定。采用雷磁PHS-25酸度計(jì)測(cè)量原料及發(fā)酵料液pH，每天測(cè)定一次。每天測(cè)定集氣袋內(nèi)產(chǎn)氣量及氣體成分和含量，氣體組成（CH4、CO2）及其含量采用便攜紅外沼氣分析儀測(cè)定。參照文獻(xiàn)[9]建立和分析甲烷產(chǎn)量的Gompertz模型，利用CurveExpert 1.3軟件對(duì)參數(shù)進(jìn)行擬合。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同混料比例對(duì)發(fā)酵液pH的影響

發(fā)酵液pH是維持發(fā)酵過(guò)程穩(wěn)定高效進(jìn)行的重要因素[10]，對(duì)不同混料比體系下的pH隨發(fā)酵時(shí)間的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，不同混料比下的pH在發(fā)酵前期（1～4 d）存在較大差異。尤其單獨(dú)采用藻渣進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，其pH最低，達(dá)到5.65;隨牛糞加入量增加，其最低pH呈現(xiàn)逐漸升高趨勢(shì)。因此，采用藻渣與牛糞混合發(fā)酵工藝可以提高發(fā)酵系統(tǒng)的緩沖能力，避免因厭氧發(fā)酵初期發(fā)酵液的過(guò)度酸化導(dǎo)致發(fā)酵失敗。隨發(fā)酵時(shí)間（5～10 d）的進(jìn)行，發(fā)酵液pH逐漸增高。待厭氧發(fā)酵進(jìn)一步進(jìn)行，有機(jī)物質(zhì)消耗殆盡，發(fā)酵液中pH趨于穩(wěn)定。

2.2? 不同混料比例對(duì)產(chǎn)氣量的影響

在不同混料發(fā)酵體系中，對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生沼氣進(jìn)行單日產(chǎn)氣量和總產(chǎn)氣量分析，其結(jié)果如圖3所示。由圖3a可知，發(fā)酵1 d便有氣體產(chǎn)出，且微藻藻渣含量越多氣體產(chǎn)出越多，當(dāng)藻渣與牛糞混合比為10∶0時(shí)，氣體產(chǎn)出量達(dá)到最大，為161 mL/d，但經(jīng)氣體分析儀檢測(cè)其內(nèi)大部分為CO2（84.34%），且在后期（3～6 d）發(fā)酵時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的停滯現(xiàn)象。其他發(fā)酵組在發(fā)酵3 d時(shí)開(kāi)始逐漸積累產(chǎn)氣，在發(fā)酵7～10 d逐漸出現(xiàn)單日最大產(chǎn)氣量，隨牛糞添加量增加，單日最大產(chǎn)氣量出現(xiàn)的時(shí)間越早，單日產(chǎn)氣量越小。當(dāng)藻渣與牛糞混合比為10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8和0∶10時(shí)，最大單日產(chǎn)氣量分別出現(xiàn)在發(fā)酵13、10、9、8、8和7 d，最大單日產(chǎn)氣量分別為106、100、90、86、64、57 mL/d。

由圖3b可知，在發(fā)酵至17 d時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸平緩，即厭氧發(fā)酵基本結(jié)束。牛糞的加入能增加累計(jì)產(chǎn)氣量，當(dāng)藻渣與牛糞混料比為10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8和0∶10時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量分別為650、667、731、783、732、723 mL，單位VS質(zhì)量產(chǎn)氣量分別為106.98、113.19、127.96、141.59、136.88、140.02 mL/g。在藻渣與牛糞混合比為4∶6發(fā)酵系統(tǒng)下，累計(jì)產(chǎn)氣量和單位VS質(zhì)量最大產(chǎn)氣量均為最高。

2.3? 不同混料比例對(duì)產(chǎn)甲烷量的影響

對(duì)不同混料發(fā)酵系統(tǒng)中單位VS質(zhì)量下的甲烷積累量進(jìn)行分析，并對(duì)其隨時(shí)間變化趨勢(shì)進(jìn)行Modified Gompertz模型擬合。圖4為不同發(fā)酵體系下單位VS質(zhì)量甲烷積累量隨發(fā)酵時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖4可知，單位VS質(zhì)量甲烷積累量曲線為明顯S形曲線，達(dá)到最高積累量后趨于平穩(wěn)，直到發(fā)酵結(jié)束。隨著藻渣中牛糞添加量的增大，單位VS質(zhì)量甲烷積累量基本呈增大趨勢(shì)，各配比下的甲烷積累量分別為50.03、60.61、71.63、88.07、86.54和92.05 mL/g VS。藻渣與牛糞混合比為4∶6、2∶8和? 0∶10的甲烷積累量差別不大，但明顯高于其他3組配比。采用藻渣與牛糞混合厭氧發(fā)酵體系在發(fā)酵初期優(yōu)于兩者單獨(dú)發(fā)酵，在藻渣與牛糞混合比為6∶4和4∶6體系下，發(fā)酵9 d即可達(dá)到甲烷積累量的50%，而單獨(dú)使用藻渣和牛糞發(fā)酵則分別在12和11 d才可達(dá)到甲烷積累量的50%。

對(duì)不同混料比發(fā)酵系統(tǒng)下的單位VS質(zhì)量的甲烷積累量采用Modified Gompertz模型擬合其積累產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化趨勢(shì)，其擬合結(jié)果如表2所示。由表2可知，實(shí)際甲烷積累量均已達(dá)到擬合甲烷積累量的90%，說(shuō)明在發(fā)酵至26 d時(shí)產(chǎn)氣過(guò)程基本結(jié)束。由模型結(jié)果可知，隨牛糞添加量的增大，單位VS質(zhì)量甲烷積累量逐漸增大，是因?yàn)榕＜S具有較強(qiáng)的緩沖能力[11]，使混合發(fā)酵系統(tǒng)維持在適于產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的中性或弱堿性環(huán)境，益于甲烷的產(chǎn)出?；旌习l(fā)酵條件下產(chǎn)甲烷速率高于兩者單獨(dú)發(fā)酵，在藻渣與牛糞混合比為4∶6的條件下達(dá)到最大，為9.8 mL/（d·g VS）。添加牛糞也能縮短發(fā)酵滯留時(shí)間，當(dāng)采用4∶6藻渣與牛糞混料比時(shí)可將滯留時(shí)間縮短至2.1 d，明顯低于藻渣單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)的6.9 d，但與2∶8和0∶10混料比發(fā)酵系統(tǒng)差別不大。

3? 小結(jié)與討論

利用微藻提油后剩余藻渣與牛糞混合厭氧發(fā)酵，分析其發(fā)酵過(guò)程的pH變化、產(chǎn)氣量及產(chǎn)甲烷量等參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用微藻藻渣單獨(dú)發(fā)酵，在發(fā)酵初期容易發(fā)生過(guò)度酸化現(xiàn)象，且發(fā)酵液中游離氨氮濃度較大。這是因?yàn)槲⒃逄嵊秃笫Ｓ嘣逶栽寮?xì)胞壁為主，并含有較多的小分子藻多糖[12]。藻多糖較牛糞中木質(zhì)纖維素類物質(zhì)易被產(chǎn)酸菌利用。因此，含藻渣較多的發(fā)酵體系中大量的小分子有機(jī)物迅速被產(chǎn)酸類菌群轉(zhuǎn)化為脂肪酸類物質(zhì)，該條件下產(chǎn)甲烷菌的適應(yīng)性弱、代謝緩慢，無(wú)法及時(shí)轉(zhuǎn)化脂肪酸類物質(zhì)[11]，從而造成該階段發(fā)酵系統(tǒng)中的pH較低。隨發(fā)酵的持續(xù)進(jìn)行，發(fā)酵液pH逐漸增高，產(chǎn)甲烷菌逐漸對(duì)脂肪酸類物質(zhì)進(jìn)行消化利用，且含氮有機(jī)化合物逐漸分解為游離氨氮物質(zhì)，期間伴隨CO2和CH4的生成[11]，使發(fā)酵系統(tǒng)pH不斷增大。因此，采用牛糞與藻渣共厭氧發(fā)酵工藝，能夠有效緩解藻渣單獨(dú)厭氧發(fā)酵前期過(guò)度酸化的現(xiàn)象，使發(fā)酵液維持在適宜厭氧發(fā)酵菌群生長(zhǎng)的pH環(huán)境，提高發(fā)酵體系的穩(wěn)定性、提高CH4產(chǎn)出效率。

使用微藻藻渣單獨(dú)發(fā)酵，發(fā)酵前期產(chǎn)酸菌利用大量易消化物質(zhì)產(chǎn)生過(guò)量的脂肪酸類化合物，使發(fā)酵液發(fā)生嚴(yán)重酸化，影響產(chǎn)甲烷菌活性[11];該發(fā)酵系統(tǒng)下，累計(jì)產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)甲烷量、產(chǎn)甲烷速率均為最低，發(fā)酵滯留時(shí)間較長(zhǎng)。隨藻渣中牛糞添加量的增加，單日產(chǎn)氣峰寬度逐漸增大。這是由于藻渣含有大量藻多糖等小分子有機(jī)物質(zhì)[11]，易于被水解產(chǎn)酸類菌群利用，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸和CO2。在此過(guò)程中，消耗了大量的有機(jī)物質(zhì)，影響發(fā)酵后期產(chǎn)氣的持續(xù)性，導(dǎo)致藻渣比例越大的試驗(yàn)組產(chǎn)氣持續(xù)時(shí)間越短，即峰寬度越窄。

采用Modified Gompertz模型擬合其累計(jì)產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化趨勢(shì)，結(jié)果顯示在藻渣和牛糞混合比為4∶6時(shí)發(fā)酵性能最好，累計(jì)產(chǎn)氣量（783 mL）和產(chǎn)甲烷速率[9.8 mL/（d·g VS）]最大，日產(chǎn)氣量（86 mL/d）和累計(jì)產(chǎn)甲烷量（88.07 mL/g VS）較高，滯留時(shí)間最短（2.1 d）。

參考文獻(xiàn)：

[1] DEMIRBAS A. Use of algae as biofuel sources[J].Energy conversion and management，2010，51（12）：2738-2749.

[2] CHISTI Y. Biodiesel from microalgae beats bioethanol[J].Trends in biotechnology，2008，26（3）：126-131.

[3] SCOTT S A，DAVEY M P，DENNIS J S，et al. Biodiesel from algae：Challenges and prospects[J].Current opinion in biotechnology，2010，21（3）：277-286.

[4] 季? 祥，張凱凱，劉? 彬，等.廢氣、廢水培養(yǎng)微藻制備生物燃料的研究進(jìn)展[J].石油化工，2015，44（12）：1529-1535.

[5] 張? 方，熊紹專，何加龍，等.用于生物柴油生產(chǎn)的微藻培養(yǎng)技術(shù)研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2018，35（1）：5-11.

[6] 申曉菲.氮缺乏下異養(yǎng)和混養(yǎng)微藻產(chǎn)生物柴油[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2017.

[7] 袁振宏，吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.67-79.

[8] 劉士清，張無(wú)敵，尹? 芳，等.沼氣發(fā)酵試驗(yàn)教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.2-6.

[9] 李建昌，孫可偉，何? 娟，等.應(yīng)用 Modified Gompertz 模型對(duì)城市生活垃圾沼氣發(fā)酵的擬合研究[J].環(huán)境科學(xué)，2011，32（6）：1843-1850.

[10] ZHEN G Y，LU X Q，KOBAYASHI T，et al. Mesophilic anaerobic co-digestion of waste activated sludge and Egeria densa：Performance assessment and kinetic analysis[J].Applied energy，2015，148：78-86.

[11] 李? 軼，李? 磊，熊菊元，等.餐廚垃圾與牛糞混合厭氧發(fā)酵最佳配比篩選[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，43（5）：566-570.

[12] 李妍麗.微型綠藻對(duì)砷污染水體的生物修復(fù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.