黄丝藻提油藻渣与牛粪共厌氧发酵研究

陈木子 刘彬

摘要：以黄丝藻（Tribonema minus）提油后剩余藻渣为原料，与牛粪混合进行厌氧发酵。结果表明，藻渣与牛粪混合发酵工艺能使发酵液维持在适于厌氧发酵菌群生长的pH环境。在藻渣和牛粪混合比为4∶6的厌氧发酵体系下，累计产气量（783 mL）、产甲烷速率[9.8 mL/（d·g VS）]均为最大，日产气量（86 mL/d）和累计产甲烷量（88.07 mL/g VS）较高，发酵滞留时间最短（2.1 d）。

关键词：黄丝藻（Tribonema minus）;藻渣;牛粪;共厌氧发酵

中图分类号：TK6         文献标识码：A

文章编号：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）是广泛存在于海洋、淡水湖泊等水域、潮湿地带，甚至沙漠中也存在的一类生物质资源，一般为单细胞、丝状或片状多细胞群，具有结构简单、种类繁多、易于驯化培养、适应性强、光合效率高、生长速度快等特点。

藻类按形态大小可分为大藻和微藻[1-3]。微藻主要由脂类、蛋白质和多糖等组成，且富含多种微量元素，在食品医药、化妆品、养殖饵料、环境能源等领域有广泛研究与应用。微藻在能源领域的研究主要集中在微藻油脂制备生物柴油、微藻发酵制备沼气/氢气、微藻光合作用产氢、微藻燃料乙醇、微藻热化学转化制备生物燃料等方面[4]。在特定条件下，微藻油脂积累可达到40%～70%[5，6]，油脂经过提取和转脂化反应可生成脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯等化合物作为生物柴油使用;但油脂提取后会剩余大量藻渣。藻渣中仍含有大量蛋白质和多糖等有机物质，可通过厌氧发酵，经历水解、酸化和产甲烷3个阶段产生沼气[7]。已有报道去氨基酸藻渣和去油脂藻渣的CH4产率高于全组分藻粉，主要归因于在某些组分去除时破坏了细胞壁的结构、增加了有机质的水解[4]。但其多糖类分子极易被微生物分解，产生大量酸类物质，会严重影响产甲烷菌群的生长。因此，采用生物质混合厌氧发酵的方式是一种较好的缓解过度酸化的工艺。

目前对微藻油脂提取后剩余藻渣厌氧发酵的研究较少。本试验以一种易采收、油脂含量高的丝状微藻——黄丝藻（Tribonema minus）提油后藻渣为原料，与牛粪进行共厌氧发酵，采用生活污水处理厂二沉池生活污水作为接种物，研究不同混料比下共厌氧发酵过程中发酵液pH、产气量及产甲烷量的变化趋势，以期实现微藻提油后剩余藻渣能源化利用及微藻生物质的最大化利用。

1  材料与方法

1.1  材料

黄丝藻提油后剩余藻渣由中国科学院青岛能源与过程研究所惠赠。自然风干后粉碎筛分20目以下部分备用。牛粪取自某农家奶牛养殖场堆弃牛粪，自然风干后粉碎筛分20目以下部分备用。接种物取自某污水处理厂二沉池生活污水。三者基本特性如表1所示，其中C、N含量为固体物质中的含量。

1.2  厌氧发酵装置

厌氧发酵产沼气试验装置由厌氧发酵系统、气体收集系统及温度控制系统3部分构成，如图1所示。厌氧发酵系统采用500 mL锥形瓶，用橡胶塞密封保持无氧环境;使用玻璃管与乳胶管相连接导出发酵系统生成的气体，气体收集系统由1 000 mL铝箔集气袋构成;温度控制系统由恒温水浴锅控制。

1.3  试验设计与指标测定

试验设6个不同藻渣与牛粪配比，分别为10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8、0∶10，考察不同混料比例对发酵液pH、产气量和产甲烷量的影响。

样品含水率（MC）、总固体含量（TS）和挥发性固体含量（VS）参考文献[8]测定。采用雷磁PHS-25酸度计测量原料及发酵料液pH，每天测定一次。每天测定集气袋内产气量及气体成分和含量，气体组成（CH4、CO2）及其含量采用便携红外沼气分析仪测定。参照文献[9]建立和分析甲烷产量的Gompertz模型，利用CurveExpert 1.3软件对参数进行拟合。

2  结果与分析

2.1  不同混料比例对发酵液pH的影响

发酵液pH是维持发酵过程稳定高效进行的重要因素[10]，对不同混料比体系下的pH随发酵时间的变化趋势进行分析，其结果如图2所示。由图2可知，不同混料比下的pH在发酵前期（1～4 d）存在较大差异。尤其单独采用藻渣进行厌氧发酵时，其pH最低，达到5.65;随牛粪加入量增加，其最低pH呈现逐渐升高趋势。因此，采用藻渣与牛粪混合发酵工艺可以提高发酵系统的缓冲能力，避免因厌氧发酵初期发酵液的过度酸化导致发酵失败。随发酵时间（5～10 d）的进行，发酵液pH逐渐增高。待厌氧发酵进一步进行，有机物质消耗殆尽，发酵液中pH趋于稳定。

2.2  不同混料比例对产气量的影响

在不同混料发酵体系中，对厌氧发酵系统产生沼气进行单日产气量和总产气量分析，其结果如图3所示。由图3a可知，发酵1 d便有气体产出，且微藻藻渣含量越多气体产出越多，当藻渣与牛粪混合比为10∶0时，气体产出量达到最大，为161 mL/d，但经气体分析仪检测其内大部分为CO2（84.34%），且在后期（3～6 d）发酵时出现严重的停滞现象。其他发酵组在发酵3 d时开始逐渐积累产气，在发酵7～10 d逐渐出现单日最大产气量，随牛粪添加量增加，单日最大产气量出现的时间越早，单日产气量越小。当藻渣与牛粪混合比为10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8和0∶10时，最大单日产气量分别出现在发酵13、10、9、8、8和7 d，最大单日产气量分别为106、100、90、86、64、57 mL/d。

由图3b可知，在发酵至17 d时，累计产气量逐渐平缓，即厌氧发酵基本结束。牛粪的加入能增加累计产气量，当藻渣与牛粪混料比为10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8和0∶10时，累计产气量分别为650、667、731、783、732、723 mL，单位VS质量产气量分别为106.98、113.19、127.96、141.59、136.88、140.02 mL/g。在藻渣与牛粪混合比为4∶6发酵系统下，累计产气量和单位VS质量最大产气量均为最高。

2.3  不同混料比例对产甲烷量的影响

对不同混料发酵系统中单位VS质量下的甲烷积累量进行分析，并对其随时间变化趋势进行Modified Gompertz模型拟合。图4为不同发酵体系下单位VS质量甲烷积累量随发酵时间的变化趋势。由图4可知，单位VS质量甲烷积累量曲线为明显S形曲线，达到最高积累量后趋于平稳，直到发酵结束。随着藻渣中牛粪添加量的增大，单位VS质量甲烷积累量基本呈增大趋势，各配比下的甲烷积累量分别为50.03、60.61、71.63、88.07、86.54和92.05 mL/g VS。藻渣与牛粪混合比为4∶6、2∶8和  0∶10的甲烷积累量差别不大，但明显高于其他3组配比。采用藻渣与牛粪混合厌氧发酵体系在发酵初期优于两者单独发酵，在藻渣与牛粪混合比为6∶4和4∶6体系下，发酵9 d即可达到甲烷积累量的50%，而单独使用藻渣和牛粪发酵则分别在12和11 d才可达到甲烷积累量的50%。

对不同混料比发酵系统下的单位VS质量的甲烷积累量采用Modified Gompertz模型拟合其积累产气量随发酵时间的变化趋势，其拟合结果如表2所示。由表2可知，实际甲烷积累量均已达到拟合甲烷积累量的90%，说明在发酵至26 d时产气过程基本结束。由模型结果可知，随牛粪添加量的增大，单位VS质量甲烷积累量逐渐增大，是因为牛粪具有较强的缓冲能力[11]，使混合发酵系统维持在适于产甲烷菌生长的中性或弱碱性环境，益于甲烷的产出。混合发酵条件下产甲烷速率高于两者单独发酵，在藻渣与牛粪混合比为4∶6的条件下达到最大，为9.8 mL/（d·g VS）。添加牛粪也能缩短发酵滞留时间，当采用4∶6藻渣与牛粪混料比时可将滞留时间缩短至2.1 d，明显低于藻渣单独厌氧发酵时的6.9 d，但与2∶8和0∶10混料比发酵系统差别不大。

3  小结与讨论

利用微藻提油后剩余藻渣与牛粪混合厌氧发酵，分析其发酵过程的pH变化、产气量及产甲烷量等参数。结果发现，使用微藻藻渣单独发酵，在发酵初期容易发生过度酸化现象，且发酵液中游离氨氮浓度较大。这是因为微藻提油后剩余藻渣以藻细胞壁为主，并含有较多的小分子藻多糖[12]。藻多糖较牛粪中木质纤维素类物质易被产酸菌利用。因此，含藻渣较多的发酵体系中大量的小分子有机物迅速被产酸类菌群转化为脂肪酸类物质，该条件下产甲烷菌的适应性弱、代谢缓慢，无法及时转化脂肪酸类物质[11]，从而造成该阶段发酵系统中的pH较低。随发酵的持续进行，发酵液pH逐渐增高，产甲烷菌逐渐对脂肪酸类物质进行消化利用，且含氮有机化合物逐渐分解为游离氨氮物质，期间伴随CO2和CH4的生成[11]，使发酵系统pH不断增大。因此，采用牛粪与藻渣共厌氧发酵工艺，能够有效缓解藻渣单独厌氧发酵前期过度酸化的现象，使发酵液维持在适宜厌氧发酵菌群生长的pH环境，提高发酵体系的稳定性、提高CH4产出效率。

使用微藻藻渣单独发酵，发酵前期产酸菌利用大量易消化物质产生过量的脂肪酸类化合物，使发酵液发生严重酸化，影响产甲烷菌活性[11];该发酵系统下，累计产气量、累计产甲烷量、产甲烷速率均为最低，发酵滞留时间较长。随藻渣中牛粪添加量的增加，单日产气峰宽度逐渐增大。这是由于藻渣含有大量藻多糖等小分子有机物质[11]，易于被水解产酸类菌群利用，产生大量的有机酸和CO2。在此过程中，消耗了大量的有机物质，影响发酵后期产气的持续性，导致藻渣比例越大的试验组产气持续时间越短，即峰宽度越窄。

采用Modified Gompertz模型拟合其累计产气量随发酵时间的变化趋势，结果显示在藻渣和牛粪混合比为4∶6时发酵性能最好，累计产气量（783 mL）和產甲烷速率[9.8 mL/（d·g VS）]最大，日产气量（86 mL/d）和累计产甲烷量（88.07 mL/g VS）较高，滞留时间最短（2.1 d）。

参考文献：

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[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.

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