水华藻类厌氧消化研究进展及关键问题

http ：//hjkxdk. . cn
水华藻类厌氧消化研究进展及关键问题杜昕睿
处理[27]、100°C 以上的 高 温 高 压 热 处 理 [28]以及高 温 高 压 处 理 后 的 汽 爆 法 ，即 高 压 下 急 速 泄 压 [29]。 高温条件主要是针对含有不易分解的木质素的藻 类 [3°]，对于蓝藻为主的水华藻类，处理温度通常 在 170°C 以下[25]。热 处 理 后 ，藻 类 厌 氧 消 化 产 气
环境 科学导 刊 http: // 2017，36 (3)
CN53 - 1205/X ISSN1673 -9655
水华藻类厌氧消化研究进展及关键问题
杜 昕 睿 ，刘 传 旸 ，刘 跃 岭 ，李 欢 (深圳市环境微生物利用与安全控制重点实验室，清华大学深圳研究生院，广 东 深 圳 518055)
由于国内湖泊治理的紧迫性，研究机构和相关 企业投入了大量资源研究水华藻类的控制问题，近
年来国内发表的有关水华藻类厌氧消化的论文就超 过 80篇。由于发达国家较少存在淡水水华问题， 研究者对此很少关注，其研究重点在于针对以小球 藻 、螺旋藻等为代表的能源藻类开展厌氧消化研 究 ，其研究结果可供借鉴。本文对这些文献进行了 归纳分析，总结了水华藻类 厌 氧 消 化 的 潜 力 和 前 景 ，提出了后续研究需要解决的问题。 1 水华藻类种类及其主要成分
质素、纤 维 素 含 量 较 高 ，消 化 时 间 也 较 长 ，达 到 50d [8]。
虽然有些废弃物碳氮比也偏低，但是由于藻类 水 华 的 季 节 性 ，藻 类 量 不 稳 定 ，因此可以利用污
泥 、禽畜 粪 便 、餐 厨 垃 圾 等 废 弃 物 的 厌 氧 消 化 设 施 ，以 节 约 投 资 和 运 行 成 本 。胡 萍 ™ 研 究 表 明 ， 当蓝藻与厌氧颗粒污泥、消化污泥和剩余污泥干物 质量 之 比 分 别 为 6:1、5 : 1 和 4 : 1 时 ，其厌氧发酵 产沼气量及甲烷含量都达到最高。其 中 ，以厌氧颗 粒污泥与蓝藻的混合发酵液产气效果最佳，沼气产 量 为 73 m L / g V S ，平 均 甲 烷 含 量 为 6 9 % 。徐富等 人 [21]将藻类与猪粪共消化，在 蓝 藻 与 猪 粪T S 比为 1:2、总 T S 浓 度 2. 9 % 的 条 件 下 ，20d 产 气 停 止 ， 有机 质 降 解 率 为 25. 2 % 。赵明星等人[1°]将蓝藻与 餐 厨 垃 圾 按 I:2.5 (T S 比）共消化时，产甲烷量最 大 ，可 达 到 124 m L / g T S ，相 对 于 1:0.5的混合比 例 ，产 甲 烷 量 增 加 了 4 4 % 。总 体 上 ，由 于 污 泥 、
学深圳研究少院能源4 环 境 学 部 环 境 工 程 专 业 ，2 0 1 4 级在读硕士
薇 究 生 ，研究方丨句为丨耐休废物处理处)viU
图1 滇池浮游藻类构成 藻 类 有 机 质 含 量 （V S ) 占 总 固 体 （T S ) 的
— 63 —
环境科学 导刊 http: // 第 3 6 卷 第 3 期 2 0 1 7 年 6 月
除 根 本 性 的 截 污 减 排 外 ， 目前末端治理水华的 方法有化学法、生 物 法 和 物 理 法 [1:e 化学法是在 水 体 中 施 用 铜 离 子 制 剂 、硫 氰 酸 红 霉 素 等 杀 藻 剂 ， 见效较快，但 可 能 引 起 重 金 属 及 抗 生 素 的 二 次 污 染 。生物法包括微生物防治、水生植物抑制、放养 食 藻 生 物 等 ，该 方 法 短 时 间 内 难 有 成 效 ，可以作为 长期生态调控手段。物理方法主要是指机械打捞， 是目前降低水华危害及避免再次暴发的最直接有效 的 措 施 ，也 是 实 践 中 治 理 水 华 的 主 要 措 施 。打捞上 来 的 藻 类 经 脱 水 后 成 为 藻 泥 ，藻 泥 含 水 率 高 达 8 0 % 以上，不宜直接填埋，而堆积时会腐烂发臭并 再次 释 放 氮 、磷 等 营 养 盐 ，造 成 二 次 污 染 [2]。因 此 ，利用藻类有机质丰富的特性，通过厌氧消化实 现藻泥的资源化利用，成为目前藻泥处理的一种重 要 手 段 [3]。
近 年 来 ，随 着 污 水 排放量日益增加，湖泊资 源 开 发 活 动 加 剧 ，大 量 氮 、磷 等 营养元素进入水 体 ，导 致 我 国 许 多 湖 泊 、水库处于富 营 养 化 的 状 况 。湖泊水体的富营养化可能会引发水华，蓝 藻 、 绿 藻 、硅 藻 等 藻 类 成 为 水 体 中 的 优 势 种 群 ，大量繁 殖 后 使 水 体 呈 现 蓝 色 或 绿 色 。我 国 巢 湖 、太 湖 、滇 池等重要湖泊均发生过水华暴发，导致水质恶化和 水 生 态 环 境 破 坏 ，给 周 边 居 民 生 活 、工农业生产用 水带来威胁。
室温下蓝藻发酵70d ，产气量仅为235. 9 mL/g V S [15]。滇 池 蓝 藻 在 20. 2°C 条 件 下 发 酵 66d 的产气 潜 力 为 491. 0 ml/g V S [16]。升高温度至厌氧消化常 用 的 中 温 条 件 35°C ，可 以 提 高 消 化 效 率 。35°C 下 厌 氧 消 化 29d ，产气潜力为285 m L / g V S [17]。接种 物比例Байду номын сангаас于序批式消化效果有一定影响，当接种物 浓 度 为 5 % 时 ，蓝 藻 沼 气 产 率 为 55. 75 m L / g V S ， 甲烷含量为5 5 % ，分别是接种量2. 5 % 、1 0 % 时的 2.97、1.24倍 ，且 氨 氮 含 量 和 PH 值 均 在 正 常 范 围内[18]。
由于蓝藻腐熟也需要较长时间，还可以采用物 化 方 法 进 行 预 处 理 。预 处 理 一 方 面 促 使 细 胞 壁 破 裂 ，细胞内含物溶出，加速蓝藻的水解过程，达到 缩短发酵时间的目的；另一方面使蓝藻中的难降解 物 质 变 为 易 降 解 物 质 ，难 溶 物 变 为 易 溶 物 ，增大产 酸菌可利用的底物浓度，提高厌氧消化产率。在针 对其它藻类的研究中，热处理温度从50°C 到 270°C 不等[25]，它 们 可 以 分 为 l〇〇°C 以下的低温常压热
收稿日期：2 0 1 6 - 1 2 - 2 9
基 金 项 丨I : 广 永 竹 科 技 项 丨1 (2015A010106002) ， 深 圳 市 科 技 项 目 （JCYJ20150320154458994} 。
作 者 简 介 ：杜 昕 睿 （1993 - ) ，女 ，iV林 省 吉 林 市 人 ，济平大
摘 要 ：综述了目前水华藻类厌氧消化的研究进展，包括水华藻类的种类和组分、厌氧消化特性、共 消化方法、预处理方法、藻毒素的降解情况以及沼液沼渣的资源化途径等，最后提出了水华藻类厌氧消化 需要关注的优化脱水、调控碳氮比、水华季节性、预处理破胞、沼液沼渣科学施用等问题。
关 键 词 ：水 华 ；蓝 藻 ；厌氧消化；研究进展 中 图 分 类 号 ： X 52 文 献 标 志 码 ：A 文 章 编 号 ：1673 -9655 (2017) 03 -0063 -06
9 0 % 以上，包括蛋白质、碳水化合物、脂类等，适
于 进 行 厌 氧 消 化 （表 1 ) 。由于水华藻类有机质以 蛋白质为主，其 C / N 较 低 ，如 巢 湖 蓝 藻 的 C / N 仅 有 5:1[8]。
表 1 水 华 藻 类 的 主 要 有 机 组 分 （干 重 百 分 比 )
蛋白质 碳水化合物
脂类
核酸
文献
滇 池 蓝 藻 44-54
-
0. 27
-
[9]
太湖蓝藻
42
9
0. 25
-
[10]
斜 生 栅 藻 50-56 10-17 12-14 3 ~6 [11]
四尾栅藻
47
-
1. 9
-
[11]
2 水华藻类的厌氧消化及共消化 厌氧消化是利用多种功能微生物对藻类有机质
进 行 逐 步 降 解 和 转 化 的 过 程 ，包 括 水 解 、酸 化 、 乙 酸 化 、产 甲 烷 等 阶 段 。虽然根据水华藻类的有机元 素组成可以理论上推测其厌氧消化的产气潜力，但 潜 力 值 与 实 际 值 差 距 较 大 [12]。相 对 于 餐 厨 垃 圾 等 易降解有机废弃物，蓝藻的厌氧消化性能较差，这 主要受到蓝藻细胞结构和碳氮比的影响[13]。
蓝藻藻液本身浓度较低，这一方面不利于能源 回收，另 一 方 面 ，蓝藻在消 化 过 程 中 容 易 上 浮 结 壳 [14]，因此可以采用强化搅拌、絮凝调理或高固 体 厌 氧 消 化 方 式 ，避 免 这 一 问 题 。在研究和实践 中 ，通 常 将 蓝 藻 藻 液 进 行 预 脱 水 ，使其含固率达到 1 0 % 以上，利用藻渣进行消化。
禽畜粪便的碳氮比也较低，蓝藻与这些废弃物混合 时 ，厌氧消化的优化效果有限，其主要优点在于可 以利用现有的厌氧消化设施处理季节性的水华 藻类。 3 水华藻类厌氧消化的预处理方法
蓝藻细胞壁主要为肽聚糖，细胞壁外还有胶质 层 ，由于胞内有机质难以释放，导致其厌氧消化过 程较慢[22]，甚 至 消 化 液 中 可 以 发 现 完 整 的 藻 细 胞 [23]。为了加速藻细胞水解，释 放 胞 内 物 ，可以 采用预处理方法打破细胞壁，这些方法主要包括腐 熟 法 、碱 处 理 法 、热 处 理 法 、冷 冻 法 、超 声 法 、微 波法以及它们的联合应用[24’25]。
许丽娟[26]等 人 取 新 鲜 蓝 藻 ，在 自 然 条 件 下 ( 3 0 〜35°C ) 进 行 腐 熟 ，腐 熟 过 程 促 进 了 细 胞 破 碎 ，加速了厌氧反应。腐熟蓝藻产气量与蓝藻腐熟 程度密切相关，腐 熟 7d 后 ，可在中温厌氧消化中 获 得 最 高 的 产 气 速 率 和 产 气 量 ，产 气 潜 力 为 354 m L / g V S 。消 化 时 间 15 ~ 1 8 d ，少于以新鲜蓝藻为 基质的厌氧消化时间。
厌 氧 消 化 底 物 的 适 宜 碳 氮 比 一 般 为 15 ~ 25, 而蓝藻碳氮比远低于此，营养不均衡也会导致消化 产气量低、效 率 差 。为 了 改 善 蓝藻厌氧消化的效 果 ，可以 将 其 与 稻 草 、秸秆等高碳氮比废物共消 化 。35°C 发 酵 60d 时 ，单 独 蓝 藻 的 产 气 率 为 267 m L / g T S ，单独稻草厌氧发酵T S 产 气 率 为 320 m L / g T S ，而蓝藻与稻草1:1混 合 时 （T S 比），产气率 增 加 至 362 m L / g T S [19]。当蓝藻与玉米秸秆按2:8 (V S 比）混 合时，沼气 量 可 达 687.3 m L /g V S ，其 中甲 烷 体 积 占 比 63. 3 % [8]。 由于稻草、秸秆的木 — 64 —
量 有 所 增 加 ，但 由 于 藻 类 种 类 和 消 化 条 件 的 差 异 ， 沼气增加量的差别很大，可 达 1 0 % 至 220% [31’32]， 但 最 终 的 甲 烷 产 量 仍 在 70 ~400 m L / g V S [25]。此 外 ，冷 冻 法 也 是 一 种 有 效 的 预 处 理 方 法 。Samson and Leduy采用低温冷冻法预处理微藻，通过冰晶 破 坏 了 微 藻 细 胞 壁 ，使 得 溶 解 性 底 物 增 加 了 2 6 % [33]。
水华藻类以蓝藻为主，此外还含有绿藻、硅藻 等 。以滇池为例，5 月 、1 2 月全湖平均藻类密度分 别 为 1. 398 x 108、2. 180 x 108 个/L ，全湖藻类中
蓝藻门的微囊藻属占绝对优势，其次为绿藻门的栅 藻 属 （图 1 ) [4]。由于水体水质、所在区域气候的 不 同 ，藻种相对含量也存在一定差异& 例如山东潍 坊峡山水库水进入眉村水厂气浮池后，9 月初收集 的藻类中蓝藻占99. 0 8 % ，其中边缘微囊藻和鱼害 微 囊 藻 占 97. 1 6 % ; 其 余 藻 类 包 括 绿 藻 （0 . 7 7 % ) 、 硅 藻 （0. 12% ) 、 黄 藻 （0. 0 2 % ) 和 甲 藻 (0.01%) 151。蓝藻也是巢湖中浮游藻类的常年优 势种群，主 要 包 括 微 囊 藻 和 鱼 腥 藻 [6]，太湖蓝藻 水华也是以微囊藻、鱼腥藻等为主17]&