基于微藻的沼氣品位提升和沼液處理的協(xié)同作用研究.pdf

1、如何應(yīng)對全球氣候變化是近年來各國制定環(huán)境政策的核心內(nèi)容，而減少人為的二氧化碳(CO2)排放量是應(yīng)對全球氣候變化的最主要手段。世界各國為了應(yīng)對這一問題，都在提高可再生能源的使用比例而減少化石燃料的使用。沼氣是將來最有前途的可再生能源之一，其可以顯著減輕全球氣候變化的壓力。我國已經(jīng)成為世界上最大的戶用沼氣生產(chǎn)國和消費國。但是沼氣的主要組成中甲烷(CH4)含量較低而CO2含量較高使得沼氣品位低下，極大的限制了沼氣的高效廣泛的利用。此外，發(fā)酵產(chǎn)

2、沼氣過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物沼液是一種高污染物負荷的污水，其極易造成環(huán)境污染。
　　沼氣品位低下和沼液污水難以處理是限制我國沼氣事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的兩大瓶頸。為了可以同時解決以上兩個問題，本文創(chuàng)新性的開發(fā)出了一種基于微藻的可以同時提升沼氣品位和處理沼液污水的技術(shù)，并且在深入分析其各種影響因素的基礎(chǔ)上研究了沼氣品位提升過程和沼液污水處理過程間的協(xié)同作用。沼氣品位提升通常是指對生產(chǎn)出來的原沼氣進行處理，以降低其CO2的含量而使得沼氣中CH4所占

3、相對比例得以提升。本研究利用微藻極高的光合作用效率和碳固定能力去除沼氣中的CO2，使得沼氣品位得以提升;在此過程中利用沼液作為微藻的培養(yǎng)液基質(zhì)，使得微藻可以吸收沼液中的污染物以凈化沼液。本文研究了微藻藻種性質(zhì)、光生物反應(yīng)器中微藻的光合作用以及沼氣沼液協(xié)同作用的影響。對微藻生長趨勢、沼氣品位提升效果和微藻對沼液培養(yǎng)基質(zhì)的代謝效果，以及人工光源的能耗效率等進行了分析，并在此基礎(chǔ)上著重探討了微藻對于沼氣中氣體碳源CO2的固定過程與沼液中營養(yǎng)物

4、質(zhì)的代謝吸收過程之間的協(xié)同作用。
　　(1)微藻藻種性質(zhì)的研究
　　利用馴化技術(shù)培育得到了可以耐受高濃度CO2環(huán)境的小球藻Chlorella sp.藻種，其完全具備了耐受沼氣中高濃度CO2環(huán)境的能力。馴化后的微藻Chlorella sp.藻種在約30％(v/v)的CO2濃度條件下，生長狀況良好，生物質(zhì)干重從初始接種量約100 mg L-1最大可以增長到316.47±16.30 mg L-1。
　　光生物反應(yīng)器中最佳的微

5、藻初始接種量范圍是:約120 mg L-1（中等密度微藻初始接種量）至約180 mg L-1（高密度微藻初始接種量）。中等密度微藻初始接種量條件下，微藻的生長周期較短，微藻生長狀況穩(wěn)定，且其沼氣品位提升效果和沼液處理效果都很理想。高密度微藻初始接種量條件下，微藻的生長周期比“中等密度”實驗組更短，但是微藻細胞進入衰亡期較“極高密度”實驗組要晚。其沼氣品位提升效果和沼液處理效果接近于“中等密度”實驗組。在此最佳初始接種量范圍內(nèi)，如果克服了

6、微藻藻體細胞相互遮蔽的缺點后，微藻的生長趨勢、沼氣的品位提升效果和微藻對于沼液培養(yǎng)基質(zhì)的代謝效果都還有進一步提升的空間。但是在約60 mg L-1微藻初始接種量（一般密度微藻初始接種量）條件下，因為微藻初始接種量過小，造成微藻的生長周期較長，其難以在較短時間內(nèi)達到良好的沼氣品位提升效果和沼液處理效果。在約240 mg L-1微藻初始接種量（極高密度微藻初始接種量）條件下，由于沼液中營養(yǎng)物質(zhì)被競爭性快速吸收，微藻細胞代謝有毒廢棄物快速積累

7、，最終造成微藻細胞數(shù)量急劇下降，沼氣品位提升效果和沼液處理效果也都較差。
　　(2)光生物反應(yīng)器中微藻光合作用的研究
　　混合光質(zhì)條件下的微藻生長趨勢、沼氣品位提升效果和微藻對沼液的代謝效果都顯著的優(yōu)于單色光質(zhì)條件。最佳光質(zhì)條件是采用基于光照強度的混合比例5∶5的紅色光質(zhì)與藍色光質(zhì)，因為其可以均衡的供給藍色和紅色兩種光質(zhì)而平衡的增強光合作用系統(tǒng)Ⅰ和光合作用系統(tǒng)Ⅱ的效果。
　　最佳的光照策略是在微藻培養(yǎng)周期中逐漸增加光照

8、強度:0至48小時內(nèi)采用400μmol m-2 s-1的光照強度，48至96小時內(nèi)采用500μmol m-2 s-1的光照強度，96至144小時內(nèi)采用600μmol m-2s-1的光照強度。此光照策略可以克服在采用“高密度（約180 mg L-1）”微藻初始接種量時所產(chǎn)生的微藻藻體細胞相互遮蔽的問題，其極大的提高了微藻生長趨勢、沼氣品位提升效果和微藻對沼液的代謝效果。
　　在考慮經(jīng)濟效益的實際應(yīng)用中，在統(tǒng)一考慮沼氣品位提升效果和微

9、藻對于沼液污水的代謝效果時，混合光質(zhì)因素條件下均衡的紅色光質(zhì)和藍色光質(zhì)供給條件（即紅藍5∶5比例光質(zhì)因素條件）是最適宜的光質(zhì)因素條件，其人工光源能耗效率高，經(jīng)濟效益好。如果將本研究所述的沼氣品位提升和沼液處理的協(xié)同方法作為單一的手段，則可以采用最優(yōu)光照強度策略，其保證了處理后所得高品位沼氣的CH4濃度和沼液污水的凈化效果。而如果對沼氣品位要求很高，本研究所述的協(xié)同方法并非單一的處理單元，而是在其后還要加上別的沼氣品位提升方法以進一步提高

10、沼氣中CH4含量，則可以采用400μmol m-2 s-1光照強度條件，其不僅在一定程度上提升了沼氣品位，而且還保持了很高的人工光源能耗效率，極大的提高了經(jīng)濟效益。
　　(3)沼氣沼液協(xié)同作用的影響
　　光生物反應(yīng)器中微藻氣體碳源和培養(yǎng)基質(zhì)之間的數(shù)量關(guān)系，即初始沼氣和沼液的最佳的比例范圍是:13L沼氣:1.8L沼液（中等比例沼氣和沼液比）至12L沼氣:2.8 L沼液（一般比例沼氣和沼液比）之間。這是因為中等比例沼氣和沼液比條

11、件與一般比例沼氣和沼液比條件都有充足的沼液培養(yǎng)液和CO2氣體碳源，所以它們都獲得了較其它實驗組更好的沼氣品位提升效果和微藻對沼液培養(yǎng)基質(zhì)的代謝效果。但是14L沼氣:0.8L沼液（高比例沼氣和沼液比）條件則因為沼液量不足且沼氣的CO2絕對量過多，故其沼氣品位提升效果極差;11L沼氣:3.8L沼液（低比例沼氣和沼液比）條件則因為沼液量過多且沼氣的氣體碳源量不足，故其沼液污染物去除率極差。
　　不同原沼氣品位條件下品位提升效果的預(yù)測是:

12、高品位原沼氣可以得到較好的品位提升效果，低品位原沼氣品位提升效果較差。當原沼氣品位處于中等水平時(約50％(v/v)的CH4和約50％(v/v)的CO2），因為其氣體碳源CO2含量足以維持微藻的大量增殖而又不會因為CO2絕對量過多而難以去除，所以其微藻生長趨勢、沼氣品位提升效果和微藻對沼液培養(yǎng)基質(zhì)的代謝效果都較好。而當原沼氣品位較低時(約40％(v/v)的CH4和約60％(v/v)的CO2），因為其CO2濃度過高，所以其沼氣品位提升效果

13、很差。當原沼氣品位較高時(約60％(v/v)的CH4和約40％(v/v)的CO2），因為其CO2濃度過低，氣體碳源量不足，所以其微藻生長趨勢和微藻對沼液培養(yǎng)基質(zhì)的代謝效果都很差。
　　各原沼氣品位條件下沼液培養(yǎng)基質(zhì)中的溶解氧含量都只有小幅度的增加，且都小于抑制微藻生長的限值。光生物反應(yīng)器中的氧氣(O2)濃度一直處于很低的水平，而由于沼氣中CO2濃度很高，所以光生物反應(yīng)器中的CO2和O2的比例可以一直維持在一個較高的水平，從而避免O

14、2產(chǎn)生光呼吸作用。故光生物反應(yīng)器中的O2并不會影響微藻的生長和光合作用。光生物反應(yīng)器中CH4濃度一直較高而O2濃度一直較低，CH4與O2的混合氣體一直處于爆炸混合比例范圍之外，故光生物反應(yīng)器中因為CH4和O2的混合而產(chǎn)生爆炸的危險的可能性也是極小的
　　(4)沼氣品位提升與沼液污水凈化之間的協(xié)同作用的研究
　　微藻通過光合作用吸收沼氣中CO2以提升沼氣品位的過程與利用沼液作為液體培養(yǎng)基質(zhì)以凈化沼液污水的過程在光生物反應(yīng)器中是

15、完全協(xié)同的。這兩個過程相互促進:沼液富含微藻生長所必須的各種營養(yǎng)元素，非常適合微藻的大規(guī)模培養(yǎng);沼氣中較高濃度的CO2可以為微藻的生長提供額外的氣體碳源，更進一步促進微藻在沼液中的增殖，有益于微藻代謝吸收沼液中的污染物，凈化沼液污水;而微藻通過代謝沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)得以大量增殖，其可以積累大量的微藻細胞生物質(zhì)，而微藻藻體細胞有一半的干重增長都來自于其對CO2的吸收，所以這就又促進了微藻對沼氣中CO2的去除，有益于沼氣品位的提升。所以本研究