利用沼液培養能源微藻的工藝

劉彬++劉凱華++成杰++廖利民++鞏東輝++蔡祿++季祥

摘要：為了降低生物質能源的生產成本和減少生物質能生產過程對環境的影響，將沼氣發酵、能源微藻的培養和生物柴油的制備工藝進行了集成。將沼氣發酵產生的廢棄沼液經預處理后作為能源微藻培養的水源和營養鹽，將沼氣發酵過程中產生的溫室氣體作為能源微藻生長的碳源，規模化培養出的能源微藻可作為生產生物柴油的原料。還通過對藻渣活性成分的綜合利用、改進反應器等環節進一步降低了生產成本。

關鍵詞：沼氣發酵；沼液；能源微藻；生物柴油

中圖分類號：S216.4；TK69；Q949.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）13-3083-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.13.003

Cultivation Technology of Energy Microalgae in Biogas Wastewater

LIU Bin，LIU Kai-hua，CHENG Jie，LIAO Li-ming，GONG Dong-hui，CAI Lu，JI Xing

（The Institute of Bioengineering and Technology，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China）

Abstract： To reduce the cost of biomass energy production and the influence of biomass production processes to the environment，techniques for biogas fermentation， energy microalgae culture and bio-diesel preparation were integrated.. Pretreated waste biogas slurry could be water and nutrients， and greenhouse gases from biogas fermentation could be carbon source for the energy microalgae scale culture. The energy microalgae from scale culture could be used to produce bio-diesel. This technique optimized the utilization of algae-residue extracted active ingredients and improved photo-bioreactor production efficiency to further reduce the cost of production.

Key words： biogas fermentation；biogas wastewater；energy microalgae； bio-diese

隨著經濟全球化的發展、工業化程度不斷加深以及人口的不斷增長，導致對化石能源的需求日益增加，據統計，全球的石油和天然氣探明儲量只能保證近幾十年的生產需求[1]，因此尋找可再生且清潔的替代能源迫在眉睫。而新型可再生能源——生物質能源的相關技術研究與開發已成為世界重大熱門課題之一，受到世界各國政府與科學家的關注。生物質能源主要包括沼氣、生物柴油、燃料乙醇和生物制氫等。

沼氣資源作為一項極具應用前景的新能源，一直受到國家的重視，但是在沼氣厭氧發酵過程產生沼氣的同時也會產生大量的沼液，而沼液中富含大量的氮、磷，如直接排放會對水體造成污染。生物柴油作為石化柴油的替代品，由于生產原材料的短缺，其成本較高，而微藻生物柴油以其無可比擬的獨特優勢吸引了越來越多決策者和研究者的關注[2]。能源微藻自身生長速度快，收獲時期短，光合利用效率高，可吸收大氣中CO2，油脂含量高，不占用耕地且營養需求簡單，但是培養微藻需要大量的水、碳源和營養鹽，這就提高了生產生物柴油的成本。如果利用沼氣發酵產生的廢棄沼液來培養能源微藻，既可以降低培養能源微藻的成本，也可以達到資源化利用沼液的目的。

利用經過預處理的沼液培養微藻，可以節約養藻時所需的大量水，而且沼液中富含氮、磷、鉀和氨基酸等多種營養物質，還含有丁酸、吲哚乙酸、維生素B12等活性物質[3]，可以減少營養鹽的用量，藻類還可以吸收沼氣發酵過程中產生的CO2進行光合作用，減少溫室氣體的排放。將沼氣生產和能源微藻的培養工藝耦聯在一起是一種新型的生物質能源生產方式，可行性較強，產業化推廣前景廣闊。

1 工藝流程

將沼氣發酵生產、微藻培養和生物柴油合成各單元的工藝進行系統的集成和優化，實現各個單元之間高效率的耦合，如圖1所示。由圖1可以看出，用高有機質含量的廢棄物進行厭氧發酵，將厭氧發酵產生的沼氣、CO2和化石能源燃燒產生的CO2作為碳源通入到微藻培養反應器中，利用預處理后的沼液培養微藻，實現沼氣的凈化和CO2的循環利用，進一步對沼液進行處理，同時收獲大量的藻細胞，通過破壁處理，提取藻油制備生物柴油，同時提取藻蛋白質，藻多糖，色素等高附加值產物，再將剩余的藻渣返回發酵池進行下一輪的厭氧發酵生產沼氣。該集成工藝是實現厭氧發酵沼氣和能源微藻培養為主體的循環式、無害化、多元化的綜合利用，是一種新型的生物質能源生產方式。

2 沼液預處理

沼液成分復雜，含有一些抑制藻類生長的因子，例如重金屬離子、高濃度的氨態氮等，如果直接使用沼液，沼液中的懸浮物過高，采光率低，不利于藻類的生長，如果直接稀釋后使用，營養鹽利用率低，藻類生長量又不能達到要求，因此沼液需要經過一定的預處理以后才能進行微藻培養。不同發酵底物產生的沼液的理化指標見表1[4]。由表1可以看出，為實現微藻的穩定生長，需要對沼液進行預處理，盡可能地使得每批次之間的理化指標接近。而采用沼液培養微藻工藝則不需要太多的常規水處理工藝，只要盡可能將沼液中影響藻類生長的因素去除掉，就可更好地凈化沼液。許海等[5]研究發現不同藻類有一定的pH適應范圍，斜生柵藻在水環境pH為9～10的時候長勢最好，而萊茵衣藻的pH超過9以后發現藻類開始死亡。Xin等[6]發現氨態氮在較低濃度時可以促進藻的生長，過高會抑制其生長，甚至死亡。因此需要根據目標藻的生長要求，對沼液的pH進行調節，并利用簡單的水處理工藝進行預處理，經稀釋后再使用。高婷等[7]發現，在使用20%的沼液培養微綠球藻時，可以將氮和磷去除71.96%和72.40%。李巖等[8]發現，使用滅菌后的沼液培養小球藻可以降低氨態氮55.00%、總氮55.47%、總磷88.66%和重鉻酸鉀85.26%。endprint

3 藻種篩選和馴化

藻種的篩選是本工藝的關鍵環節，利用沼液培養的藻種要求有較強的耐受沼液的能力，對氮、磷的去除率高，細胞生長周期短，同時盡可能的獲得高生物量和高含油率。Li等[9]從低營養環境下分離到的淡水柵藻（Scenedesmus sp. LX1）在二級污水生長條件下生長最佳，且積累的油脂最多。Tam等[10]的研究表明，不同的氨態氮濃度對不同的藻類具有不同的耐受性，所以要篩選可以耐受高氨態氮濃度的藻種，并通過不斷地誘變和馴化培養，使之成為可以快速生長和積累油脂的能源微藻。據報道藍藻對氨態氮的吸收利用要優于對其他形式的氮源[11，12]，斜生柵藻也是如此，在相同的氨態氮和硝態氮的濃度下，對氨態氮的吸收速率顯著高于硝態氮，而二者同時存在時，氨態氮的存在對藻吸收硝態氮有抑制作用[13]。這很有可能是因為某些藻類可以以氨態氮作為底物來合成氨基酸，如果使用硝態氮則需要通過生物酶進行氧化還原反應將硝態氮轉變成亞硝酸再轉變成氨態氮。所以需要不斷地對這些藻類進行馴化，使得這些藻類能在沼液中生長。針對不同發酵底物類型的沼液，采取不同的藻種來馴化，更有針對性地處理各種沼液。一旦能源微藻能快速地適應沼液的生長環境，能源微藻的開發就能在該集成工藝系統中具有更大的潛力和優勢。

4 集成系統中的光生物反應器

微藻的培養方式主要有開放式培養和封閉式培養，還有學者研究半封閉半開放式的培養方式[14]。利用沼液培養微藻時，在選定最優的藻種后，優化設計高效的光生物反應器是亟待解決的問題，反應器的選擇和設計主要考慮微藻對光的吸收、光的衰減、光的明暗分布、氣體交換程度以及溶氧的抑制等。

目前使用最多的開放式系統是高效藻塘，通過“藻菌共生體系”有效去除污水中的營養鹽、重金屬、有機物等[15]。而封閉式的培養系統主要包括管道式、平板式和柱式三大類，而這三大類有各自的優點和缺點，因此可根據藻種的生長特性來選擇合適的光生物反應器，且與沼氣發酵形成配套的整體工藝。

5 微藻活性成分的綜合利用

國內對微藻生物柴油產業化的系統研究起步較晚，盡管目前通過光自養培養能源微藻生產生物柴油的技術路線已經在實驗室中可以實現，但是存在的核心問題依然是成本較高，這是目前制約微藻生物柴油產業化的根本原因。如果通過該系統耦聯在一起，就可以減少培養微藻成本，同時在提取油脂后，還可以對藻渣的其他活性成分進行提取，如高附加值的多不飽和脂肪酸，藻蛋白質，藻多糖，藻色素等[16]。通過對微藻的綜合利用，使得本工藝更加完善、經濟和節約。

基于沼氣發酵、微藻培養和生物柴油制備工藝系統高效的耦合，厭氧發酵產生的沼液通過本工藝達到安全、清潔的排放目的，同時其中的水分和其他營養成分可以用于微藻的培養，獲得大量的生物柴油原料，大大降低生物柴油的生產成本。通過工藝的耦合，在沼氣發酵和生物柴油生產方面都會降低各個環節的生產成本，同時本工藝的優勢還體現在廢水的循環利用和溫室氣體的固定和固體有機廢棄物的循環厭氧發酵等方面。因此本集成工藝實現了經濟效益、環境效益和社會效益的共贏，值得在國內具備條件的城市進行推廣應用。

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收稿日期：2014-04-17

基金項目：內蒙古教育廳自然科學重點項目（NJZZ14162）；內蒙古自治區重大基礎研究開放課題項目（20120908）

作者簡介：劉 彬（1990-），男，內蒙古包頭人，在讀碩士研究生，研究方向為生物質能源化利用，（電話）0472-5954358（電子信箱）

jnliubin1209@163.com；通信作者，季 祥（1978-），男，內蒙古包頭人，副教授，碩士生導師，主要從事生物質能和有機廢棄物資源化

利用研究，（電話）0472-5954358（電子信箱）jixiang@imust.cn。endprint