基于微藻高效吸收CO2提升沼气能源品位的光生物反应器作用机理研究

The output of livestock poultry manure and agriculture solid waste in P.R. China is approximately 40 hundred million ton per year; Therefore, the livestock poultry manure and agriculture solid waste can be utilized as raw material for anaerobic fermentation to produce biogas which may meet the energy demand of the country. However, the grade of biogas is too low to meet the actual demand since the content of CO2 is very high while the content of CH4 is very low. So the anaerobic fermentation process is not sustainable. This research focused on the utilization of upgrading biogas by microalgae which characteristics are super high growth rate and photosynthesis for CO2 absorption. This method may use biogas slurry as the culture medium of microalgae growth and CO2 in the biogas as carbon source. So the biogas can be upgraded and biogas slurry can be purified. This research also focused on the optimal mix strategy of biogas slurry culture, the carbon fixation capacity of various microalgae species, lighting strategy, and economic efficiency about simultaneous biogas CO2 and biogas slurry nutrient removal. The pilot plant test included the analysis of material balance and safety evaluation of mixing CH4 and O2. The analysis on economic practicality of pilot plant involved in lighting strategy, formula of biogas slurry nutrient medium, and inoculation method. This research will help promote the utilization of photo-bioreactor and solve the problem about biogas slurry pollution and lowing biogas grade. There are some theoretical innovation and practical application value in this research.

我国每年产生约40多亿吨畜禽粪便和秸秆等农业固废，厌氧发酵生产沼气是这些农业固废理想的利用途径，不过现有沼气生产工艺产气品位低下，CO2含量过高而CH4含量过低，使得农村固废难以通过厌氧发酵而被资源化利用。本课题拟以沼气中的CO2作为微藻生长碳源，以沼液作为微藻培养基质，利用微藻极高的生长速率和超强的光合作用能力，降低沼气中CO2含量来提升沼气品位，同时净化沼液。本课题着重研究沼液培养基的最优营养物质调配方案；分析比较纯种/野生藻种的固碳性能；综合计算CO2去除量和沼液净化效果以及单位能耗，提出最佳光照策略；基于沼气品位提升过程中物料平衡性研究、CH4和O2混合条件安全性和经济实用性分析，建立中试模拟农场。本课题的完成，有助于拓展高效微藻生物反应器提升沼气品位的研究新领域，解决传统沼气生产中CO2含量高、沼液污染重等环境问题，具有一定的理论创新意义和实际应用价值。

本项目针对沼气中CH4品位偏低、沼液污染严重，采用微藻及藻菌共生体，以沼液中的污染物碳、氮、磷等作为微藻生长的营养物质而去除，利用沼气中较高浓度的CO2作为微藻生长过程光合作用所需的气体碳源，使得微藻及藻菌共生体在增殖的过程中可以吸收沼气中的CO2以提升沼气品位。探讨各种微藻以及微藻与真菌共生体的培养在沼液净化和沼气提纯过程中光照策略的优化。建立了沼液培养基的预处理方法，通过抽滤和紫外灭菌操作去除悬浮颗粒物及潜在微生物，可有效提高微藻的生物量和沼液沼气净化效果；筛选得到七种光合作用效率高、CO2耐受度好和去污能力强的优势藻种（如小球藻Chlorella vulgaris、斜生栅藻Scenedesmus obliquus等），自主开发了微藻和真菌共培养的藻菌共生体，提升了沼气中甲烷浓度和降低了沼液污染物浓度。筛选得到的微藻及藻菌共生体在生长状况良好，微藻单体生物质干重从初始接种量约150 mg L-1最大可以增长到465 mg L-1左右，藻菌共生体最大可达3.39 g/L；完成了微藻及藻菌共生体光生物反应器的开发与最优光照策略研究。另外研究了不同光源、光强和光暗比对沼液净化和沼气提纯的影响，并优化得到了最佳的微藻培养策略和适合的CO2浓度，显著提升沼液和沼气的净化效果。在合适的混合LED光波长处理为红色：蓝色= 5 ：5，以及光暗比16h:8h等优化条件下，COD、TN、TP的最大去除率分别为93％、84％和87％，沼气中CH4的最大浓度可达94.41±3.16%（v/v）；通过微藻以及藻菌共生体净化沼液和沼气过程中O2的监测，确定了试验系统中的O2浓度的安全性(最终O2体积分数<1%)，同时进行了工艺安全性评价和能源效率评价，结果表明该技术具有较好的经济性。在中试实验条件下，利用自主研发的藻菌共生体对淀粉消化后的沼液进行净化和沼气提纯，COD、TN和TP去除率超过75%，提纯后的沼气甲烷含量超过90%。上述研究为微藻及藻菌共生体应用于同步沼气品位提升和沼液处理提供了重要参考，系统解析了沼气品位提升机理和沼液净化的协同效应，为后续的产业化提供了关键依据。