黃絲藻提油藻渣與牛糞共厭氧發酵研究

陳木子 劉彬

摘要：以黃絲藻（Tribonema minus）提油后剩余藻渣為原料，與牛糞混合進行厭氧發酵。結果表明，藻渣與牛糞混合發酵工藝能使發酵液維持在適于厭氧發酵菌群生長的pH環境。在藻渣和牛糞混合比為4∶6的厭氧發酵體系下，累計產氣量（783 mL）、產甲烷速率[9.8 mL/（d·g VS）]均為最大，日產氣量（86 mL/d）和累計產甲烷量（88.07 mL/g VS）較高，發酵滯留時間最短（2.1 d）。

關鍵詞：黃絲藻（Tribonema minus）;藻渣;牛糞;共厭氧發酵

中圖分類號：TK6? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：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資源，一般為單細胞、絲狀或片狀多細胞群，具有結構簡單、種類繁多、易于馴化培養、適應性強、光合效率高、生長速度快等特點。

藻類按形態大小可分為大藻和微藻[1-3]。微藻主要由脂類、蛋白質和多糖等組成，且富含多種微量元素，在食品醫藥、化妝品、養殖餌料、環境能源等領域有廣泛研究與應用。微藻在能源領域的研究主要集中在微藻油脂制備生物柴油、微藻發酵制備沼氣/氫氣、微藻光合作用產氫、微藻燃料乙醇、微藻熱化學轉化制備生物燃料等方面[4]。在特定條件下，微藻油脂積累可達到40%～70%[5，6]，油脂經過提取和轉脂化反應可生成脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯等化合物作為生物柴油使用;但油脂提取后會剩余大量藻渣。藻渣中仍含有大量蛋白質和多糖等有機物質，可通過厭氧發酵，經歷水解、酸化和產甲烷3個階段產生沼氣[7]。已有報道去氨基酸藻渣和去油脂藻渣的CH4產率高于全組分藻粉，主要歸因于在某些組分去除時破壞了細胞壁的結構、增加了有機質的水解[4]。但其多糖類分子極易被微生物分解，產生大量酸類物質，會嚴重影響產甲烷菌群的生長。因此，采用生物質混合厭氧發酵的方式是一種較好的緩解過度酸化的工藝。

目前對微藻油脂提取后剩余藻渣厭氧發酵的研究較少。本試驗以一種易采收、油脂含量高的絲狀微藻——黃絲藻（Tribonema minus）提油后藻渣為原料，與牛糞進行共厭氧發酵，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酵過程中發酵液pH、產氣量及產甲烷量的變化趨勢，以期實現微藻提油后剩余藻渣能源化利用及微藻生物質的最大化利用。

1? 材料與方法

1.1? 材料

黃絲藻提油后剩余藻渣由中國科學院青島能源與過程研究所惠贈。自然風干后粉碎篩分20目以下部分備用。牛糞取自某農家奶牛養殖場堆棄牛糞，自然風干后粉碎篩分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含量為固體物質中的含量。

1.2? 厭氧發酵裝置

厭氧發酵產沼氣試驗裝置由厭氧發酵系統、氣體收集系統及溫度控制系統3部分構成，如圖1所示。厭氧發酵系統采用500 mL錐形瓶，用橡膠塞密封保持無氧環境;使用玻璃管與乳膠管相連接導出發酵系統生成的氣體，氣體收集系統由1 000 mL鋁箔集氣袋構成;溫度控制系統由恒溫水浴鍋控制。

1.3? 試驗設計與指標測定

試驗設6個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發酵液pH、產氣量和產甲烷量的影響。

樣品含水率（MC）、總固體含量（TS）和揮發性固體含量（VS）參考文獻[8]測定。采用雷磁PHS-25酸度計測量原料及發酵料液pH，每天測定一次。每天測定集氣袋內產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定。參照文獻[9]建立和分析甲烷產量的Gompertz模型，利用CurveExpert 1.3軟件對參數進行擬合。

2? 結果與分析

2.1? 不同混料比例對發酵液pH的影響

發酵液pH是維持發酵過程穩定高效進行的重要因素[10]，對不同混料比體系下的pH隨發酵時間的變化趨勢進行分析，其結果如圖2所示。由圖2可知，不同混料比下的pH在發酵前期（1～4 d）存在較大差異。尤其單獨采用藻渣進行厭氧發酵時，其pH最低，達到5.65;隨牛糞加入量增加，其最低pH呈現逐漸升高趨勢。因此，采用藻渣與牛糞混合發酵工藝可以提高發酵系統的緩沖能力，避免因厭氧發酵初期發酵液的過度酸化導致發酵失敗。隨發酵時間（5～10 d）的進行，發酵液pH逐漸增高。待厭氧發酵進一步進行，有機物質消耗殆盡，發酵液中pH趨于穩定。

2.2? 不同混料比例對產氣量的影響

在不同混料發酵體系中，對厭氧發酵系統產生沼氣進行單日產氣量和總產氣量分析，其結果如圖3所示。由圖3a可知，發酵1 d便有氣體產出，且微藻藻渣含量越多氣體產出越多，當藻渣與牛糞混合比為10∶0時，氣體產出量達到最大，為161 mL/d，但經氣體分析儀檢測其內大部分為CO2（84.34%），且在后期（3～6 d）發酵時出現嚴重的停滯現象。其他發酵組在發酵3 d時開始逐漸積累產氣，在發酵7～10 d逐漸出現單日最大產氣量，隨牛糞添加量增加，單日最大產氣量出現的時間越早，單日產氣量越小。當藻渣與牛糞混合比為10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8和0∶10時，最大單日產氣量分別出現在發酵13、10、9、8、8和7 d，最大單日產氣量分別為106、100、90、86、64、57 mL/d。

由圖3b可知，在發酵至17 d時，累計產氣量逐漸平緩，即厭氧發酵基本結束。牛糞的加入能增加累計產氣量，當藻渣與牛糞混料比為10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8和0∶10時，累計產氣量分別為650、667、731、783、732、723 mL，單位VS質量產氣量分別為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發酵系統下，累計產氣量和單位VS質量最大產氣量均為最高。

2.3? 不同混料比例對產甲烷量的影響

對不同混料發酵系統中單位VS質量下的甲烷積累量進行分析，并對其隨時間變化趨勢進行Modified Gompertz模型擬合。圖4為不同發酵體系下單位VS質量甲烷積累量隨發酵時間的變化趨勢。由圖4可知，單位VS質量甲烷積累量曲線為明顯S形曲線，達到最高積累量后趨于平穩，直到發酵結束。隨著藻渣中牛糞添加量的增大，單位VS質量甲烷積累量基本呈增大趨勢，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酵體系在發酵初期優于兩者單獨發酵，在藻渣與牛糞混合比為6∶4和4∶6體系下，發酵9 d即可達到甲烷積累量的50%，而單獨使用藻渣和牛糞發酵則分別在12和11 d才可達到甲烷積累量的50%。

對不同混料比發酵系統下的單位VS質量的甲烷積累量采用Modified Gompertz模型擬合其積累產氣量隨發酵時間的變化趨勢，其擬合結果如表2所示。由表2可知，實際甲烷積累量均已達到擬合甲烷積累量的90%，說明在發酵至26 d時產氣過程基本結束。由模型結果可知，隨牛糞添加量的增大，單位VS質量甲烷積累量逐漸增大，是因為牛糞具有較強的緩沖能力[11]，使混合發酵系統維持在適于產甲烷菌生長的中性或弱堿性環境，益于甲烷的產出?；旌习l酵條件下產甲烷速率高于兩者單獨發酵，在藻渣與牛糞混合比為4∶6的條件下達到最大，為9.8 mL/（d·g VS）。添加牛糞也能縮短發酵滯留時間，當采用4∶6藻渣與牛糞混料比時可將滯留時間縮短至2.1 d，明顯低于藻渣單獨厭氧發酵時的6.9 d，但與2∶8和0∶10混料比發酵系統差別不大。

3? 小結與討論

利用微藻提油后剩余藻渣與牛糞混合厭氧發酵，分析其發酵過程的pH變化、產氣量及產甲烷量等參數。結果發現，使用微藻藻渣單獨發酵，在發酵初期容易發生過度酸化現象，且發酵液中游離氨氮濃度較大。這是因為微藻提油后剩余藻渣以藻細胞壁為主，并含有較多的小分子藻多糖[12]。藻多糖較牛糞中木質纖維素類物質易被產酸菌利用。因此，含藻渣較多的發酵體系中大量的小分子有機物迅速被產酸類菌群轉化為脂肪酸類物質，該條件下產甲烷菌的適應性弱、代謝緩慢，無法及時轉化脂肪酸類物質[11]，從而造成該階段發酵系統中的pH較低。隨發酵的持續進行，發酵液pH逐漸增高，產甲烷菌逐漸對脂肪酸類物質進行消化利用，且含氮有機化合物逐漸分解為游離氨氮物質，期間伴隨CO2和CH4的生成[11]，使發酵系統pH不斷增大。因此，采用牛糞與藻渣共厭氧發酵工藝，能夠有效緩解藻渣單獨厭氧發酵前期過度酸化的現象，使發酵液維持在適宜厭氧發酵菌群生長的pH環境，提高發酵體系的穩定性、提高CH4產出效率。

使用微藻藻渣單獨發酵，發酵前期產酸菌利用大量易消化物質產生過量的脂肪酸類化合物，使發酵液發生嚴重酸化，影響產甲烷菌活性[11];該發酵系統下，累計產氣量、累計產甲烷量、產甲烷速率均為最低，發酵滯留時間較長。隨藻渣中牛糞添加量的增加，單日產氣峰寬度逐漸增大。這是由于藻渣含有大量藻多糖等小分子有機物質[11]，易于被水解產酸類菌群利用，產生大量的有機酸和CO2。在此過程中，消耗了大量的有機物質，影響發酵后期產氣的持續性，導致藻渣比例越大的試驗組產氣持續時間越短，即峰寬度越窄。

采用Modified Gompertz模型擬合其累計產氣量隨發酵時間的變化趨勢，結果顯示在藻渣和牛糞混合比為4∶6時發酵性能最好，累計產氣量（783 mL）和產甲烷速率[9.8 mL/（d·g VS）]最大，日產氣量（86 mL/d）和累計產甲烷量（88.07 mL/g VS）較高，滯留時間最短（2.1 d）。

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