沼气池小球藻是一种普生性单细胞绿藻,适应性比较强、广泛分布于淡水、海水等各种环境,甚至冰层、火山口等极端环境也有分布。沼气池小球藻因其生长迅速、生长周期短、占地面积小、可以使用工业化设备进行规模化培养等特点而备受关注2),沼气池小球藻用途广泛,富含的藻多糖、藻蛋白、天然色素、沼气池小球藻生长因子等高附加值产物被使用在食品、美容等领域,高油脂含量也决定了其是制备生物柴油的优质原料

虽然沼气池小球藻可利用价值高,但沼气池小球藻产品多为胞内产物。沼气池小球藻细胞壁相对较厚且细胞组成架构复杂,只有细胞破碎才能获得细胞内部的高附加值产物。不同的细胞破碎工艺对沼气池小球藻造成的破坏

程度也不同,直接影响到目的产物的提取效率和量。同时,不同的沼气池小球藻细胞破碎工艺会出现环保能耗等不同的问题,因此需要根据沼气池小球藻产品来过择合适的细胞破碎工艺。

沼气池小球藻细胞进行高附加值产物提取后的残渣们然含有丰富的糖类、蛋白类等营养物质,直接舍弃不  仅污染环境还会造成不必要的浪费,而沼气发酵能  够有效降解其它发酵过程不能利用的富余营养物  质。近年来,各类大中型沼气工程的建设,实现了厨  余垃圾、秸秆等废弃物的降解,不仅改善了生态环  境,还生产了大量沼气这一清洁能源为民所用,是进  行生态环境重建的重要举措51。通过沼气发酵进  一步利用沼气池小球藻的废液和沼气池藻渣,已经成为科研人员

探索的一种新思路。本文通过对异养沼气池小球藻沼气池藻渣产沼气工艺进行研究,对比探讨不同的沼气池小球藻破壁方式对沼气池藻渣沼气生产的分解阶段和产沼气能力的影响,从而获得沼气池藻渣产沼气的最佳预处理工艺参数。1材料与方法

1.1试验材料

异养沼气池小球藻:异养培养的原始沼气池小球藻( Chiorellaprotothecoides),由河南天冠集团车用生物燃料国家重点实验室提供,细胞内油脂含量高达50%以上;

异养沼气池小球藻培养液:取自车用生物燃料国家重点实验室,原始沼气池小球藻质量体积浓度为120g·L;

异养沼气池小球藻采用各种提取方法提取后的藻液:取自车用生物燃料国家重点实验室,存于展示柜中备用;

接种用污泥:取自天冠集团技术中心,TS为1%,在水浴锅中50℃活化1d备用;

其它试验材料包括玻璃器皿、试剂等均外购1.2试验设各

厌氧发酵系统:自制,主要由恒温水浴锅、发酵罐、集气瓶和集水瓶组成。发酵罐、集气瓶、集水瓶均为1L广口瓶,采用胶塞密封,发酵罐置于恒温水浴锅中,发酵罐口设料液取样口及导气管,导气管连接集气瓶和集水瓶,具体见图1

发酵罐

集气瓶集水瓶

图1沼气发酵装置示意图

沼气发酵和预处理工艺中所用设备均为外购主要有上海精密DK600型恒温水浴锅、上海皓庄LNB2.5-10F型马弗炉、梅特勒FE20 FiveEasy Plus型pH计,上海博珍202-2型电热恒温干燥箱,深圳  昌鸿QCOD-3E型COD测定仪,深圳昌鸿NH6N型  氨氮测定仪,长沙湘仪LA400型离心机,瑞士步琦R  30型旋转蒸发仪,安捷伦2100型液相色谱仪,武汉四方光电科技 Garboard-3200P沼气分析仪等。

1.3试验方法

1.3.1原料制备方法  培养液沼气池藻渣:取异养沼气池小球藻培养液沼气池藻渣藻  渣油脂含量51.3%

球磨破碎提油后残渣:异养沼气池小球藻培养液使用球磨法进行细胞破碎、提油后余沼气池藻渣备用,沼气池藻渣油脂含量7.9%

酶解提油后残渣:异养沼气池小球藻培养液使用酶解法进行细胞破碎、提油后余沼气池藻渣备用,沼气池藻渣油脂含量25.8%。

酸热法破碎提油后残渣:异养沼气池小球藻培养液使用酸热法进行细胞破碎、提油后余沼气池藻渣备用,沼气池藻渣油脂含量0.1%。

酯化提柴油后残渣:异养沼气池小球藻培养液原位转酯化法制备生物柴油后余沼气池藻渣备用,沼气池藻渣油脂含量0.1%。

1.3.2原料处理方法

异养沼气池小球藻培养液及采用各种提取方法提油后的藻液,使用离心机离心制成沼气池藻渣后,取10g置于烘箱中测100℃干重;取沼气池藻渣置于广口瓶中,加入接种用污泥,配成干重为10%的沼气发酵液

1.3.3沼气发酵方法

取1000mL沼气发酵液置于发酵罐中,沼气发酵温度为50℃,每天摇动发酵罐,每周取样送检并补充集气瓶中水,使用排水法计算排气量,其中

个发酵系统连续两周停止产气后,整个试验停止。1.3.4检测方法

排气量:直接用量筒量取集水瓶中水的体积pH值:直接使用pH计检测;挥发性脂肪酸:使用液相色谱仪检测乙酸、丙酸等成分含量,然后加总;碳源:使用液相色谱仪检測葡萄糖、木糖等成份含量然后加总;氨氮:使用氨氮检测仪检测;COD:使用COD检测仪检测;甲烷含量:使用 Gasboard-3200P沼气分析仪检测

1.3.5计算公式

计算公式如下

干重(g·L)=[沼气池藻渣烘千后重量(g)/沼气池藻渣体

积(mL)]×100

2试验结果

2.1不同原料发酵体系pH值变化情况

使用不同预处理工艺原料各发酵体系的pH值变化情况如图2。  从图2可以看到,随着发酵的进行,5个发酵体系中,使用球磨法、酯化法、酶解液和培养液为原料  的4个发酵体系的pH值快速下降,在达到稳定状  态后又小幅回升,而使用酸热法原料的发酵体系则

一直处于下降趋势中。  22不同原料发酵体系NH4变化情况  在使用不同预处理工艺原料的发酵体系中,氮  的平衡是非常重要的因素2,不同预处理工艺产生  的残渣由于细胞破碎程度不同,可利用程度也差异  较大。沼气池小球藻残渣的初始溶解性有机氮的含量及在发酵过程中的变化趋势详见图3。

200

球磨

亠酯化  王乙  培养液

酶解

051015202530354045505560

发酵时间/d

图3NH4变化图

从图3可以看出,酯化制柴油后的沼气池藻渣作为原料时,其氨氮一直处于较高的水平,培养液、酶解原  料最初氨氮为0,然后快速上升,20d后又迅速下  降,球磨、酸热原料氨氮一直处于较低的水平。  2.3不同原料发酵体系COD变化情况

COD即化学需氧量3),是沼气发酵中的重要参  数,使用不同预处理工艺原料的发酵体系中,其  COD变化情况如图4。

从图4可以看出,COD的整体变化趋势是先降  低,再升高,然后再降低。其中,球磨法原料所在的  发酵体系COD一直处于较高的水平,且在发酵的前  48h远远高于其它原料所在发酵体系。而其它原  料所在的发酵体系COD一直处于较低的水平,在

3000下被波动。发酵结束后5种原料  发酵体系COD均高于150000mng·L  2.4不同原料发酵体系总碳含量变化情况  不同预处理工艺原料的发酵体系中的总碳的变化情况详见图5。

0.5  一球磨

培养液  求一如

0.2

1015202530354045505560

发酵时间/d

图5总碳变化图

从图5可以看出,酸热法原料所在的发酵体系中总碳含量一直处于较高的水平,而培养液、酶解原料所在的发酵体系中总碳含量先快速上升,然后又快速下降,酯化法、球磨法原料所在的发酵体系中总碳含量一直处于较低的水平

2.5不同原料发酵体系VFA含量变化情况

使用不同预处理工艺原料的发酵体系中,其挥发性脂肪酸含量的变化情况详见图6

从图6可以看出,球磨法酸热法、酯化法原料  所在的发酵体系中ⅤFA一直处于较低的水平,且  较平衡而培养液酶解液所获得原料所在的发部  系中VFA先快速升高,又下降,但整个发酵过程  培养液、酶解法所获得原料的ⅤFA含量一直高于  它原料所在的发酵体系  2.6不同原料发酵体系累积产气量变化情况  沼气是沼气发酵的最终目的,产气量的高  映了沼气发酵体系的生产能力以及原料的利用

从图7可以看出,酸热法原料所在的发酵体系产气量最高,接近80m,然后依次是球磨法、酶  解法、酯化法、培养液。培养液、酶解法原料所在的  发酵体系产气量最低,不足1000mL。球磨法、酯化法原料所在的发酵体系产气量处于中间水平。

2.7不同预处理工艺的发酵体系所产沼气中CH含量的变化情况  试验通过 Gasboard-3200P沼气分析仪对甲烷含量进行测定4,精确度为0.1%。试验分别在发酵的第14,27,41天测CH4含量,具体数据如表1所示。总体来看,各原料所产沼气中的CH4含量均随着发酵时间的延长而升高,说明发酵原料逐步分解,步入了甲烷化阶段,此阶段的甲烷菌活性较强。酸热法所产的沼气CH4含量是最高的,第41天高达70.10%,平均甲烷含量为57.20%。

3分析与讨论

3.1不同预处理工艺对pH值的影响  结构复杂的大分子有机质无法直接被沼气细菌

利用,需要经过水解作用分解成小分子有机质,然后进一步经过酸化作用分解成沼气细菌能够利用的短链有机酸。

但水解过程、酸化过程和产沼气过程需要均衡进行。如果水解过程和酸化过程超过了产沼气过程的反应速度,就会导致产酸过量,从而引起pH值降低,沼气菌就需要更多能量从细胞体内向体外提供质子以维持其细胞质的生长环境。因此有必要了解pH值的变化规律,以提高沼气发酵效率。

从图2的pH值变化中可以看到,随着发酵的进行,使用球磨法提油、酯化法制柴油、酶解液提油获得的3种原料和培养液原料4个发酵体系的pH值首先快速下降,在达到稳定状态后又小幅回升。而使用酸热法提油原料的发酵体系则一直处于稳步下降趋势中。

由于预处理工艺对原料结构造成不同的影响,球磨法、酯化法、酶解法3种原料的细胞受到破坏程度有限,与培养液原料差别不大。在发酵初期,受到破坏并成为细胞碎片的部分能够被水解菌和产酸菌利用,从而使水解菌和产酸菌活跃,加速了水解、酸化进程,反映在pH值上就是pH值快速下降,而在水解过程和酸化过程将能够快速利用的有机质利用  完成后,藻细胞需要慢慢被分解,从而维持pH值平  衡状态。随后短链有机酸被逐渐消耗,pH值缓慢上  升。而对于酸热法获得的原料,由于细胞破坏完全,  原料基本都是细胞碎片),因此整个沼气发酵过程  的水解和产酸都比较旺盛,从而使pH值一直处于稳步的下降状态。  3.2不同预处理工艺对NH的影响  对于固体有机物,沼气发酵体系首先要将其分  解为能溶于水、能够被酸化细菌利用的小分子有机  质,因此,溶解性有机氮的变化趋势能够反映沼气发  酵体系对底物的利用情况。  从图3的NH变化中可以看出,酯化制柴油后

获得的沼气池藻渣作为原料时,其氨氮一直处于较高的水平,原因可能是水解菌对其利用比较充分,但酯化原  料中可能残留大量甘油、乙醇等物质抑制了酸化细菌的活性,导致其氨氮无法快速被酸化利用。培养液、酶解法获得的原料最初氨氮为0,然后快速上升,20d后又迅速下降,说明发酵初期水解菌产生的小分子有机质不能满足酸化细菌的需要。而随着发酵的进行,水解菌分解较多的小分子有机质超出了酸化细菌的需要,同时由于反应体系中氨氮含量过高抑制了水解菌的活性,并且这两种原料比较难分解,随着酸化细菌的活跃,氨氮含量便快速下降。球磨、酸热原料氨氮一直处于较低的水平  结合图2可以说明,水解菌分解出的小分子有机质能够快速被酸化细菌利用,而且整个沼气发酵体系

直处于稳定运行状态。

3.3不同预处理工艺对COD的影响

COD是指处理样品时,所消耗的强氧化剂的数量,代表了样品中能够被氧化的有机物质数量。通常情况下,小分子有机物能够被完全氧化,大块的复杂有机物由于难以被强氧化剂完全破坏只是被部分氧化。能够被氧化的有机物通常能够被沼气发酵细菌利用,因此COD可以反映反应体系中底物浓度的

从图4的COD变化中可以看出,COD的整体变化趋势是先降低后升高,然后再降低,说明随着底物被分解、酸化、产甲烷这一过程,底物浓度降低,从而引起COD有所降低。而水解细菌的活动又不断不能利用的底物进一步分解成小分子有机物,从而  导致COD又有所升高。但分解、酸化、产甲烷始终  是一个动态的平衡的体系,因此COD的变化趋势虽  然波动较大,但一直处于一个平衡的区间  在5种原料中,球磨提油后原料所在的发酵体  系COD一直处于较高的水平,说明球磨后形成的细  胞碎片能够不断被分解。而培养液、酶解液原料所在的发酵体系COD一直处于较低的水平,说明沼气池小球藻细胞难以被分解。酸热法、酯化法获得的两种历  料,由于细胞在强硫酸作用下已经被破坏,细胞结构中的淀粉、蛋白质被强酸在高温下碳化无法再通过沼气发酵水解出更多营养物质,所以其所在发酵体系的COD也一直处于较低的水平。

发酵结束后,五种原料的发酵体系COD均高于150001-,这可能是未被利用的细胞以及在提油时残留的有机溶剂,说明发酵体系中留存的

胞碎片以及其它有机溶剂虽然影响了COD,但不能  被沼气细菌利用。  3.4不同预处理工艺对总碳含量的影响  复杂的大块的有机物难以被沼气细菌直接利  用,在分解过程中被水解菌群分解为能够被酸化细  菌利用的糖类、醇类,总碳含量反映了糖类和醇类的总和,其含量高低能够说明分解过程进展情况

从图5的总碳含量变化中可以看出,酸热法获得原料所在的发酵体系中总碳含量一直处于较高的  水平,说明酸热法对沼气池小球藻细胞破坏比较彻底,能够被水解细菌彻底利用  培养液、酶解法获得原料所在的发酵体系中总碳含量先快速上升,然后又快速下降,说明培养液  酶解法所获得原料不能被水解细菌快速分解,其利  用有一定过程。在此过程中酸化细菌不能获得足够  的营养物质而活性受限,随着分解过程的进行,酸化  细菌能够获得的营养物质越来越多,活性增强,逐步超过水解细菌分解能力,导致总碳含量快速下降  酯化法、球磨法获得原料所在的发酵体系中  碳含量一直处于较低的水平,说明水解细菌、酸化细  菌在发酵过程中形成了动态平衡,发酵体系比较稳  定,但这两种原料通过分解获得的营养物质偏少  3.5不同预处理工艺对VFA含量的影响  酸化细菌利用分解过程中产生的小分子有机物,从而产生了乙酸、丙酸、丁酸等可挥发性脂肪酸这些短链脂肪酸能够被甲烷细菌直接利用从而产生沼气。VFA含量可以代表乙酸、丙酸等可挥发性脂  肪酸含量的多少,也能够说明酸化过程进展

从图6的VFA变化中可以看出,球磨法、酸热法、酯化法所获得原料所在的发酵体系中VFA处于较低的水平,且比较平衡,说明酸化过程、产烷过程形成了动态平衡,沼气发酵比较稳定

相对于其它原料反应体系,培养液、酶解液所得原料所在的发酵体系中ⅤFA先快速升高,又降,结合图5,可以说明这两种原料的细胞壁受到坏程度低、不能快速被分解细菌直接利用,因此酸细菌前期受到抑制,产酸较少。但随着分解过程进行,仍有部分大分子有机物被分解成能够被酸细菌利用的营养物质,从而导致酸化细菌活性增产酸快速增加,引起ⅤFA含量的提高。只是分解程较为缓慢,不能满足快速增加的酸化细菌营养求,导致产酸减少,VFA含量降低。

3.6不同预处理工艺对产气量的影响

沼气发酵的最终目的是将复杂的大分子有机物分解进而生产出能够被人类使用的清洁能源—沼气。相对于pH值,ⅤFA,NH4等反映生产过程运行情况的指标而言,产气量的高低反映了沼气发酵体系的生产能力,以及沼气原料的可利用能力

从图7的产气量变化中可以看出,酸热法获得原料所在的发酵体系产气量最高,接近8000mL,然后依次是球磨法、酶解法、酯化法、培养液

4小结

培养液、酯化法获得原料所在的发酵体系产气量较低,从总碳含量和ⅤFA含量的变化趋势可知,  这两种原料由于受到破坏程度较小,不能被有效分

因此在整个发酵过程中酸化细菌都受到抑制,沼气产气量也比较低。球磨法、酶解法获得原料所在的发酵体系产气量处于中间水平,说明虽然这两种预处理方法能够将沼气池小球藻细胞破坏,并能够有效被沼气细菌利用,但球磨法COD较高、酶解法NH较高,说明其发酵体系不稳定,发酵过程中水解细菌、酸化细菌原料供应不足导致其活性受到抑制,从而影响了产气量。酸热法获得原料所在的发酵体系产气量最高与其总碳含量高、pH值一直处于下降趋势相吻合,说明该发酵体系中分解过程酸化过程一直比较旺盛,同时COD,VFA,NH4一直变化平衡,说明整体发酵体系分解过程、酸化过程、产甲烷过程实现了动态平衡,发酵比较稳定,并且其CH4含量在3次所测的数据及平均值中是最高的

因此,累积产气量结合pH值,COD,VFANH4,CH4含量的变化情况,说明酸热法获得原料所在的发酵体系沼气生产效率较高,沼气产量较高合作为进一步研究的对象。

本文摘自《中国沼气》2018第1期