張 毅，孔曉英，孫永明，王忠銘，李連華，楊立貴，任守軍，袁振宏

(1.中國科學(xué)院廣州能源研究所 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心,甘肅 蘭州 730050)

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大型海藻厭氧發(fā)酵特性研究

張 毅1,2，孔曉英1，孫永明1，王忠銘1，李連華1，楊立貴1,2，任守軍3，袁振宏1

(1.中國科學(xué)院廣州能源研究所 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心,甘肅 蘭州 730050)

文章采用中溫批式厭氧發(fā)酵工藝，研究清洗及未清洗海帶在不同接種率下，鹽度對厭氧發(fā)酵特性的影響。研究結(jié)果表明：相同底物濃度發(fā)酵時(shí)，未清洗海帶的產(chǎn)氣性能要優(yōu)于清洗海帶，無機(jī)鹽對產(chǎn)氣率提高約13%～25%。未清洗海帶組在鹽度為12.96 g·L-1時(shí)的產(chǎn)氣性能最佳，產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率分別為464.4±0.39和288.28±0.24 mL CH4·g-1VSadded，比相同條件下清洗海帶的產(chǎn)甲烷率提高29.56%，此時(shí)發(fā)酵液中主要金屬離子濃度K+4780 mg·L-1，Mg2+250 mg·L-1，Ca2+130 mg·L-1和Na+1600 mg·L-1，表明適宜濃度的無機(jī)鹽有利于厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能。

海帶；接種率；鹽度; 厭氧發(fā)酵；甲烷

生物質(zhì)能因清潔低碳、可再生和原料豐富等特點(diǎn)受到越來越多國家的關(guān)注，但以高粱玉米等糧食作物為代表的第一代能源作物和以纖維素類為原料的第二代能源作物因其占用大量耕地肥料等限制了其發(fā)展前景，而藻類作為第三代的生物質(zhì)能，具有不與“糧”爭地、生長迅速、單位面積產(chǎn)量高和資源量豐富等優(yōu)點(diǎn)[1]，正成為未來生物能源的研究焦點(diǎn)。

大型海藻生物量大、碳水化合物含量高和木質(zhì)素含量較低[2]，適合作為厭氧發(fā)酵制備生物燃?xì)獾脑?。美國較早開展了海藻產(chǎn)甲烷的研究，并在70年代建立了海藻制備甲烷的技術(shù)工藝[3]。此外，德國、荷蘭和日本[4]等發(fā)達(dá)國家也對滸菜(Enteromorphaprolifera)，江蘺(Gracilariaspp)、掌狀紅皮藻(Palmariapalmata)和海帶(Laminariajaponica)等大型海藻發(fā)酵產(chǎn)甲烷進(jìn)行了研究。目前，對大型海藻厭氧發(fā)酵預(yù)處理的研究比較熱門，如Oliveira[5]等對江蘺(Gracilarialemaneiformis))采用清洗、浸泡和熱堿處理等預(yù)處理結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)采用清水洗凈和浸泡的預(yù)處理方式能顯著提高產(chǎn)甲烷率，達(dá)到481 mL·g-1VS，熱堿處理雖能增加海藻的溶解，但對產(chǎn)甲烷率并無影響；Tedesco[6]等對昆布進(jìn)行機(jī)械破碎成漿與污泥進(jìn)行共發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后的樣品的產(chǎn)甲烷率提高了20%。另外在干燥[7]、超聲[8]、紫外[9]和酸處理[10]方面也有涉及，這些預(yù)處理前的共同點(diǎn)是先將海藻清洗干凈，并未考慮無機(jī)鹽對發(fā)酵微生物的影響。未清洗的海藻表面會(huì)夾帶大量的無機(jī)鹽，其中鈉鉀等輕金屬離子對發(fā)酵過程有一定的影響作用，適量的無機(jī)鹽能刺激微生物的生長，而過量鹽分對微生物的生長有毒害作用，抑制發(fā)酵產(chǎn)氣[11]。

因此，為了定量研究鹽度對厭氧發(fā)酵制備生物燃?xì)膺^程中影響，筆者將利用清洗與未清洗的海帶為原料，在不同VS接種率下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，分析不同發(fā)酵條件下發(fā)酵過程中鹽度,pH值等參數(shù)的變化，研究不同無機(jī)鹽度下海帶的厭氧發(fā)酵特性，從而為適宜條件下大型海藻制備生物能源提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料特性

試驗(yàn)原料為海帶，購自廣州市天河區(qū)長湴菜市場。海帶的總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)和灰分含量分別為61.24%，51.44%和38.15%，C，H，N和S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為37.36%，5.67%，2.51%和1.20%，熱值為14.56 kJ·g-1。漂洗工藝為用自來水漂洗3次，浸泡24 h，自然烘干后切割成2 cm左右，然后在粉碎機(jī)中粉碎成粉末狀，裝包置于-20℃冰箱中保存。清洗后海帶的總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)和灰分含量分別為85.68%，71.53%和16.51%。

1.2 接種污泥來源和特性

厭氧消化污泥來源于博羅一座養(yǎng)豬場沼氣池。接種前采用1 mm篩網(wǎng)過濾除去接種物中大顆粒雜質(zhì)。接種污泥的pH值為7.72，鹽度為4.42 g·L-1，TS含量為1.15%，VS/TS為54.39%。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及操作

裝置為2500 mL玻璃反應(yīng)器，有效容積為2000 mL，反應(yīng)裝置如圖1所示。反應(yīng)器置于35℃±1℃的恒溫水浴鍋中。清洗組和未清洗組中的菌種與海帶的VS比分別為2∶1，1∶1和1∶2，其發(fā)酵液的總揮發(fā)性固體濃度為1.73%，2.30%和3.45%，實(shí)驗(yàn)組按初始發(fā)酵液鹽度編號，清洗組為4.65，4.72和5.11 g·L-1，未清洗組分別為6.46，7.99和12.96 g·L-1。每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置2個(gè)平行，空白對照組僅加入菌種。加料后反應(yīng)器頂部充入高純N2以排除空氣。試驗(yàn)期間每天早晚各手動(dòng)震蕩1次，整個(gè)厭氧消化過程直至無氣體產(chǎn)出為止，共運(yùn)行40 d。

1.液樣口；2.氣樣口；3.水浴鍋；4.通氣管；5.集氣瓶；6.排液管；7.集液瓶圖1 發(fā)酵裝置示意圖

1.4 測試及分析方法

TS和VS分別采用105℃干燥法和550℃干法灰化法[12]測定；C，H，N和S元素含量采用Vario EL cube 元素分析儀(德國Elementar公司)測定；金屬元素Na+，Mg2+，Ca2+、和K+采用Thermo Jarrell Ash公司的IRIS 1000 ER/S全譜直讀型等離子體耦合光譜發(fā)射儀分析。熱值(calorific value,CV)由量熱儀C2000(德國IKA@公司)測定；日產(chǎn)氣量采用排飽和食鹽水法計(jì)量，并將產(chǎn)氣量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)；pH值測定采用雷磁pHS-3C型pH計(jì)(上海精科科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠)；鹽度采用便攜式鹽度測試儀(CLEAN CON200G1型)測定；揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的測定采用高效液相色譜儀waters e2695(美國waters公司)，柱子為Shodex KC-811，柱溫為50 ℃；流動(dòng)相為0.1% H3PO4，流速為0.7 mL·min-1。分析前液體樣品首先在0℃～4℃，12000 r·min-1離心15 min，離心后的樣品再通過0.2 nm纖維素乙酸酯膜分離。生物燃?xì)庵蠧H4和CO2等氣體含量采用島津GC2014型高效氣相色譜測定，TCD檢測器，Porapak Q 色譜柱，載氣為Ar，柱箱和檢測器溫度分別為50℃和120℃，測樣時(shí)間5 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 厭氧發(fā)酵過程中的鹽度變化

厭氧發(fā)酵過程中鹽度的變化如圖2，在開始發(fā)酵時(shí)，未清洗組的初始鹽度為6.46～12.96 g·L-1，顯著高于清洗組的初始鹽度4.65～5.11 g·L-1，并且清洗組的初始鹽度差異較小，而未清洗組的初始鹽度差異較大，主要原因是清洗組的原料經(jīng)漂洗浸泡后，海帶表面的無機(jī)鹽基本被去除干凈，而未清洗組的原料表面會(huì)附著大量的無機(jī)鹽，發(fā)酵原料濃度越高，夾帶的無機(jī)鹽會(huì)越多，鹽度差異也就越大。在發(fā)酵過程中，各實(shí)驗(yàn)組中鹽度的變化趨勢基本一樣，主要分為3個(gè)階段：第1階段在發(fā)酵開始時(shí)，鹽度會(huì)小幅降低約為0.3 g·L-1，這主要是因?yàn)榘l(fā)酵液中的Na+，Mg2+，Ca2+，F(xiàn)e3+和K+等一些離子，是微生物生長繁殖所必須的營養(yǎng)源，如Na+對維持微生物細(xì)胞內(nèi)的滲透壓有著非常重要的作用，Ca和Mg是合成生物大分子重要組成部分及Mg2+作為生物酶的激活劑[13]。第2階段在發(fā)酵第3～8 d，鹽度增加較快，清洗組鹽度增加0.29～1.45 g·L-1，未清洗組鹽度增加1.29～2.16 g·L-1，主要是海帶細(xì)胞被發(fā)酵型細(xì)菌分解的水解酶所破壞，使得海帶細(xì)胞液中的無機(jī)鹽大量釋放，導(dǎo)致發(fā)酵液鹽度增長較快。此外，清洗組鹽度相比未清洗組增加較小，清洗組原料經(jīng)浸泡24 h后，海藻細(xì)胞中部分離子滲透到水中，從而使得細(xì)胞液中的離子濃度較低。第3階段鹽度增加較小，約為0.5 g·L-1，主要原因是發(fā)酵液中的有機(jī)物逐漸被降解并釋放出少量的無機(jī)鹽離子。

通過鹽度為5.1和12.96 g·L-1兩組發(fā)酵前后主要離子濃度變化測定見表1，Mg2+和Ca2+濃度均降低，其中較為明顯的是UW3中Mg2+和Ca2+濃度降幅達(dá)到50%左右，這可能與發(fā)酵液中較多的微生物數(shù)量會(huì)需要大量的Mg2+和Ca2+有關(guān)[13]。海帶中金屬離子含量較多的是Na+和K+，其含量分別可達(dá)到28 mg·g-1和61 mg·g-1[14]，反應(yīng)過程中原料中Na+和K+被釋放，因而發(fā)酵液中Na+和K+濃度會(huì)有較大范圍的增加：Na+為190～410 mg·L-1，K+為250～700 mg·L-1。

圖2 發(fā)酵液中的鹽度變化

表1 鹽度為5.1和12.96 g·L-1的主要離子濃度變化

2.2 厭氧發(fā)酵過程中的pH值變化

清洗和未清洗海帶厭氧發(fā)酵過程中pH值隨時(shí)間的變化如圖3和圖4。發(fā)酵開始前，清洗組的pH值差異較小，約為7.85，而未清洗組中隨著海帶鹽度濃度越高，pH值越低，約為7.64～7.98，主要原因是海藻夾帶的無機(jī)鹽中含有的Mg2+和Ca2+等弱酸性金屬離子能產(chǎn)生H+，從而使得發(fā)酵液的pH值降低。發(fā)酵開始后，所有實(shí)驗(yàn)組的pH值變化趨勢基本一致，主要呈現(xiàn)“下降—上升—穩(wěn)定”的趨勢，并且未清洗組的pH值波動(dòng)要大于清洗組。首先發(fā)酵初期在發(fā)酵性細(xì)菌和產(chǎn)酸菌的聯(lián)合作用，海藻中容易降解的成分快速水解并產(chǎn)生大量的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)，VFAs大量生成使得發(fā)酵液pH值快速降低，在第5 d時(shí)均降至最低，清洗組pH值處于6.75～7.35之間，而未清洗組pH值處于6.3～7.15之間。同VS濃度的未清洗組均比清洗組的pH值低0.4，如清洗海帶鹽度5.11 g·L-1中發(fā)酵液pH值為6.75，未清洗鹽度12.96 g·L-1中發(fā)酵液pH值為6.35。當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行到6～14 d，發(fā)酵液中的pH值整體呈上升趨勢，此時(shí)產(chǎn)甲烷菌大量繁殖和活性不斷增強(qiáng)，VFAs不斷被降解，同時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的氨氮[15]，使得發(fā)酵液pH值不斷升高，并在20 d達(dá)到穩(wěn)定并維持在7.18～7.57。

圖3 清洗組pH值隨時(shí)間的變化

圖4 未清洗組pH值隨時(shí)間的變化

2.3 厭氧發(fā)酵過程中的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)變化

發(fā)酵液中第6 d和第11 d的揮發(fā)性脂肪酸成分見表2。發(fā)酵初期，原料迅速降解并產(chǎn)生大量揮發(fā)性脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸等，此外還有少量的甲酸和異丁酸等，此時(shí)有機(jī)酸的產(chǎn)生速率遠(yuǎn)大于分解速率，導(dǎo)致有機(jī)酸的大量積累。發(fā)酵在第4～6 d時(shí)，發(fā)酵液中pH值最低，對應(yīng)的揮發(fā)性脂肪酸含量達(dá)到最高，海帶VS濃度越高，其發(fā)酵液中有機(jī)酸的含量越多，而同VS濃度的海帶，未清洗比清洗海帶產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸的種類和含量均要多。在鹽度為5.11 g·L-1和12.96 g·L-1時(shí)，清洗和未清洗海帶在第6 d的揮發(fā)性脂肪酸酸含量分別為1824.4 mg·L-1和5042 mg·L-1，并且未清洗海帶發(fā)酵液中檢測到了乙酸、丙酸和戊酸，而清洗海帶發(fā)酵液中主要為乙酸和丙酸，未清洗海帶中無機(jī)鹽有效促進(jìn)了揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生。隨后發(fā)酵過程中，有機(jī)酸逐漸被消耗，乙酸優(yōu)先被產(chǎn)甲烷菌利用，當(dāng)乙酸消耗到一定程度時(shí)，才開始利用其它代謝底物，而丙酸和丁酸必須轉(zhuǎn)化成乙酸才能微生物利用，從表2可知，乙酸、丙酸、丁酸和戊酸是厭氧發(fā)酵制備生物燃?xì)膺^程的重要中間代謝產(chǎn)物，并且揮發(fā)酸轉(zhuǎn)化為乙酸優(yōu)先順序?yàn)椋憾∷?戊酸>丙酸。

表2 發(fā)酵過程中第6天和第11天的揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量

注：ND為未測出。

2.4 厭氧發(fā)酵過程中的日產(chǎn)氣量變化

清洗和未清洗海帶厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量隨反應(yīng)時(shí)間變化如圖5和圖6，可見不同濃度海帶發(fā)酵產(chǎn)氣的總體趨勢大致分為3個(gè)階段。發(fā)酵初期為水解階段，發(fā)酵型細(xì)菌將原料中易被利用的有機(jī)物分解為小分子物質(zhì)，各組日產(chǎn)氣量約為800 mL，根據(jù)氣相色譜測定氣體中成分主要為CO2，CH4含量低于10%。發(fā)酵到第3天時(shí)基本進(jìn)入產(chǎn)酸階段，清洗海帶組的產(chǎn)酸階段持續(xù)2天，日產(chǎn)氣量為550～1200 mL，未清洗海帶的產(chǎn)酸時(shí)間隨鹽度的增加而延長，這與揮發(fā)性酸的變化規(guī)律也一致，鹽度為12.96 g·L-1的產(chǎn)酸時(shí)間較長為4天，日產(chǎn)氣量約為600 mL。隨后發(fā)酵系統(tǒng)集中產(chǎn)甲烷，根據(jù)氣相色譜測定沼氣中CH4體積分?jǐn)?shù)均大于50%，表明發(fā)酵系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷階段。實(shí)驗(yàn)組在發(fā)酵第5～8 d達(dá)到產(chǎn)氣高峰，清洗組的最大日產(chǎn)氣量分別為780 mL，1450 mL和2720 mL，未清洗組的最大日產(chǎn)氣量分別為860 mL，1580 mL和2180 mL。在經(jīng)過產(chǎn)氣高峰后，隨著揮發(fā)性有機(jī)酸不斷被消耗，發(fā)酵液中可利用的有機(jī)物越來越少，各反應(yīng)器產(chǎn)氣量也逐漸減少直至停止。

圖5 清洗組的發(fā)酵日產(chǎn)氣量

圖6 未清洗組的發(fā)酵日產(chǎn)氣量

2.5 厭氧發(fā)酵過程中的累積產(chǎn)氣率變化

清洗和未清洗海帶累積產(chǎn)氣率隨發(fā)酵時(shí)間的變化如圖7和圖8。清洗組的產(chǎn)氣速率較快，發(fā)酵進(jìn)行到第13d時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)氣量占到總產(chǎn)氣量的90%以上；未清洗組的產(chǎn)氣速率隨著發(fā)酵液中鹽度的增加而變慢，發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣量占到總產(chǎn)氣量90%所需的時(shí)間分別為5，12和22 d。從表3可知，清洗海帶在鹽度4.72 g·L-1產(chǎn)氣性能最佳，產(chǎn)氣率、產(chǎn)甲烷率和甲烷含量分別為423.05±32.88 mL·g-1VS，267.46±20.8 mL CH4·g-1VS和63.25%；未清洗海帶在鹽度7.99 g·L-1的產(chǎn)氣率最高，達(dá)到527.57±2.18 mL·g-1VS，而產(chǎn)甲烷率和甲烷含量則隨著鹽度的升高逐漸增加，在鹽度為12.96 g·L-1的產(chǎn)甲烷率和甲烷含量最高，為288.28±0.24 mL CH4·g-1VS和62.09%，比同VS濃度清洗海帶的產(chǎn)甲烷率提高29.56%。發(fā)酵液中無機(jī)鹽尤其是金屬離子，在一定的濃度范圍內(nèi)對發(fā)酵系統(tǒng)起著不同作用，如Na+，Mg2+和Ca2+的質(zhì)量濃度在100～200 mg·L-1，75～150 mg·L-1和100～200 mg·L-1能刺激發(fā)酵過程；當(dāng)濃度增加到Na+為3500～5500 mg·L-1，Mg2+為1000～1500 mg·L-1，Ca2+為2500～4500 mg·L-1時(shí)，對發(fā)酵過程產(chǎn)生中等強(qiáng)度的抑制；當(dāng)濃度更大時(shí)，Na+為8000 mg·L-1，Mg2+為3000 mg·L-1，Ca2+為8000 mg·L-1時(shí)，對發(fā)酵過程產(chǎn)生重度抑制作用[16]。W3和UW3發(fā)酵液中Mg2+，Ca2+和Na+濃度均未達(dá)到抑制濃度，但UW3在Mg2+250 mg·L-1，Ca2+130 mg·L-1和Na+1600 mg·L-1產(chǎn)甲烷率更高，表明發(fā)酵液中適量無機(jī)鹽有利于海帶厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能。

表3 厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣率、產(chǎn)甲烷率和甲烷含量

圖7 清洗組累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化

圖8 未清洗組累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化

3 結(jié)論

清洗海帶組中鹽度為4.72 g·L-1的產(chǎn)氣性能最佳，累積產(chǎn)氣率、產(chǎn)甲烷率和甲烷含量為423.05±32.88 mL·g-1VS，267.46±20.8 mL CH4·g-1VS和63.25%。在鹽度為12.96 g·L-1，主要離子濃度Mg2+250 mg·L-1，Ca2+130 mg·L-1和Na+1600 mg·L-1時(shí)，海帶厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能最佳，累積產(chǎn)氣率、產(chǎn)甲烷率和CH4含量分別為464.4±0.39 mL·g-1VS，288.28±0.24 mL CH4·g-1VS和62.09%，比同VS濃度清洗海帶的產(chǎn)甲烷率提高29.56%，適量無機(jī)鹽能促進(jìn)發(fā)酵系統(tǒng)揮發(fā)性有機(jī)酸的生成，有利于海帶厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能。

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Characteristics of Anaerobic Digestion of Marine Macro-algae/

ZHANG Yi1,2,KONG Xiao-ying1,2,SUN Yong-ming1,WANG Zhong-ming1,LI Lian-hua1,YANG Li-gui1,2,REN Shou-jun3,YUAN Zhen-hong1/

(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion Chinese Academy of Sciences,CAS,Key Laboratory of Renewable Energy,Guangzhou 510640,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 3.China Western Energy and Environment Research Center,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

The effects of salinity on anaerobic digestion performance ofLaminariaJaponicawere investigated under the different inoculation rate adopting batch mesophilic experiments.The results indicated that the biogas production performance of the non-washedLaminariaJaponicawere better than that of the washed groups,which the biogas yield was increased by 13%～25%.And the best biogas production of 464.4±0.39 mL·g-1VSaddedand best methane production of 288.28±0.24 mL CH4·g-1VSaddedwere obtained for the non-washedLaminariaJaponicaunder condition of salinity concentration of 12.96 g·L-1,and K+,Mg2+,Ca2+,Na+concentration of 4780 mg·L-1,250 mg·L-1,130 mg·L-1and 1600 mg·L-1respectively.It showed that the suitable concentration of inorganic salt was beneficial to the gas production performance.

LaminariaJaponica; inoculation rate; salinity; anaerobic digestion; methane

2016-01-27

項(xiàng)目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)( 2012AA101802)；中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目資助(KGZD-EW-304-1)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B020215011)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201508020098)

張 毅(1990-)，男，博士生，主要從事生物質(zhì)能源生化轉(zhuǎn)化研究工作，E-mail：zhangyi@ms.giec.ac.cn

孔曉英，E-mail：kongxy@ms.giec.ac.cn

S216.4

A

1000-1166(2016)03-0003-06