全 文 ：第 7 卷 第 6 期 环 境 工 程 学 报 Vol ． 7，No ． 6
2 0 1 3 年 6 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Jun ． 2 0 1 3
小球藻(Chlorella vulgaris)净化沼液
和提纯沼气
李 博 颜 诚 王 东 钱俊成 聂 耳 郑 正*
(复旦大学环境科学与工程系，上海 200433)
摘 要 为了研究同时提纯沼气和净化沼液的可能，利用沼液作为小球藻(Chlorella vulgaris)的培养基，同时把沼气中
的 CO2 作为小球藻培养的碳源。在无菌培养条件下，得出了最适生长条件为沼液浓度 50%、初始 pH值 6． 0、接种小球藻干
重为 0． 20 mg /mL、光质为红光。在此条件下沼液中的 COD、TN、TP 和 BOD5 的去除率分别达到了 88． 5%、91． 2%、95． 3%
和 87． 6%，沼气中甲烷含量由原先的 40%提升到 60． 2%。很好地同时解决了沼气品质低下和高浓度污染物沼液污染环境
的问题。
关键词 小球藻 沼液净化 沼气提纯 最适生长条件
中图分类号 X17 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2013)06-2396-05
Purifying biogas slurry and upgrading biogas by Chlorella vulgaris
Li Bo Yan Cheng Wang Dong Qian Juncheng Nie Er Zheng Zheng
(Department of Environmental Science and Engineering，Fudan University，Shanghai 200433，China)
Abstract This research focused on the feasibility of purifying biogas slurry and upgrading biogas simulta-
neously． The biogas slurry and CO2 in biogas was utilized as the culture medium and carbon source of Chlorella
vulgaris，respectively． The optimum operating conditions were biogas slurry concentration of 50%，initial pH of
6． 0，initial algal dry weight of 0． 20 mg /mL，and light wavelength red． Then，the removal efficiency of COD，
TN，TP and BOD5 achieved 88． 5%，91． 2%，95． 3% and 87． 6%，respectively． In particularly，the content of
CH4 in biogas increased from 40% to 60． 2% ． These results indicated that the method of biogas slurry purifying
and biogas upgrading by Chlorella vulgaris studied in this research was able to solve the problem of environment
pollution of high load pollutants biogas slurry，as well as low quality of biogas．
Key words Chlorella vulgaris;biogas slurry purification;biogas upgrading;optimum growth conditions
基金项目:国家重大科技水专项(2012ZX07102-003-02 )
收稿日期:2012 － 02 － 06;修订日期:2012 － 04 － 26
作者简介:李博(1988 ～) ，女，硕士研究生，主要从事流域污染控制
研究。E-mail:muzibo0603@ 163． com
* 通讯联系人，E-mail::hjzzheng@ fudan． edu． cn
地球上蕴藏的可开发利用的煤和石化能源将分
别在 200 年和 40 年内耗竭［1］。因此，寻找和开发可
代替石、柴油的绿色能源迫在眉睫。沼气是一种很
适合在我国发展的绿色能源，其具有操作技术简单、
建造费用低和使用基础广泛的优点［2］。但是现阶
段我国沼气利用情况堪忧，原有的沼气池大量被荒
废，究其原因主要有两点。第一是沼气品质低下，沼
气中可燃烧的有效成分 CH4 的含量偏低，而 CO2 浓
度偏高;第二就是产生沼气的厌氧发酵过程除产生
沼气外还会产生难以处理的高浓度污染物沼液，对
其不当的处理会对环境造成极为严重的污染［3-5］。
小球藻(Chlorella vulgaris)作为常见藻种具有
环境适应能力强、生长周期短、生物质能含量高、养
殖过程可以实现规模化培养等特点［6-8］。所以我们
考虑用小球藻的这些特点来同时解决高浓度沼液的
污染问题和沼气的提纯问题［9，10］。厌氧发酵产物沼
液富含丰富的氮、磷等物质，直接排放到水体会引起
水体的富营养化，故可尝试利用沼液培养小球藻。
在培养过程中沼液中的氮磷含量下降，使沼液得到
净化处理可安全排放。小球藻细胞除了在自养条件
下利用光能和二氧化碳进行正常的自养生长外，还
可以在异养培养条件下利用有机碳源进行生长和繁
殖［11］，而一般发酵产生的沼气 CO2 含量过高，影响
沼气的能源化利用［12］。故尝试利用小球藻来吸收
第 6 期 李 博等:小球藻(Chlorella vulgaris)净化沼液和提纯沼气
沼气中的 CO2，这样既解决了藻类生长所需的碳源
问题，又对沼气进行了提纯，使沼气的能源化利用更
为切实可行［13-17］。光照是影响藻类生长的最为重要
的因素之一。光合作用中能被植物色素所吸收和利
用的光是波长 390 ～ 760 nm 可见光的绝大部分［18］。
藻的生长条件的不同，对光质吸收的要求也不同。
本文以小球藻为实验藻株，以沼气发酵的沼液
作为藻种的培养基，以厌氧发酵产生的沼气中的
CO2 作为小球藻培养的碳源，重点研究了小球藻的
最适生长条件，特别是研究了不同的光质条件下的
生长状况。并且分析了利用小球藻极高的光和作用
效率来净化沼液和提纯沼气的效果。此项研究为今
后采用此种小球藻培养方法来净化沼液和提纯沼气
提供了重要的研究基础。
1 材料与方法
1． 1 材 料
1． 1． 1 实验藻种
本实验培养用的是小球藻 Chlorella vulgaris，购
自中国科学院水生生物研究所。
1． 1． 2 沼液及预处理
实验采用的沼液采自常州某养猪场沼气池，沼
液经静置沉淀 48 h后，利用纱布抽滤以去除大颗粒
固体悬浮物，再用 Whatman GF /C 玻璃纤维滤纸过
滤至澄清态。配制沼液和水体积比分别为 1 ∶ 3、
2∶ 2、3∶ 1、4∶ 0 和 0∶ 4，高压蒸气灭菌备用做培养基。
具体指标见表 1。
表 1 沼液的各项指标
Table 1 Composition of biogas slurry
指 标 沼液预处理前 沼液预处理后
pH 9． 0 10． 0
SS(mg /L) 1 040 23
COD(mg /L) 1 320． 2 689． 1
TN(mg /L) 1 280． 1 562． 5
TP(mg /L) 65． 3 11． 2
BOD5(mg /L) 420． 6 267． 1
1． 1． 3 小球藻培养装置
本实验在研究小球藻最适生长条件时采用的培
养装置为 1 000 mL的锥形瓶，装液量为 600 mL。
1． 1． 4 沼气的提纯
实验所用沼气为人工利用纯度为 99． 999%的
二氧化碳和甲烷气体按照 60% 和 40% 配制而成
的［19］。沼气提纯实验在长度 1 m，体积 0． 5 m3 的密
封聚乙烯塑料袋内进行，塑料袋有进气和出气口，并
且可以密封。沼气测试装置采用英国 Geotech 便携
式沼气分析仪。实验时共有 6 个重复组，最后结果
取平均值。
1． 1． 5 光 质
采用购置于浙江嘉尼植物灯公司的 LED 植物
灯来模拟红光、蓝光、黄光和紫光的单色光质条件，
用荧光灯管模拟日光的光照条件。每种光质都保持
相同的光照强度。
1． 2 实验方法
1． 2． 1 培养方法
分别取新鲜活化的藻种接种至已预处理后的沼
液中，通入沼气，置于人工气候室培养:温度 25℃，
光照强度为 6 000 lx，光照时间 12 h /d，摇动 3 次 /d。
实验过程采用控制变量法，初始量是沼液浓度
50%、小球藻接种量 0． 20 mg /mL、荧光灯管照射、初
始 pH值 7． 0，当实验以上 4 个变量中的某一个时，
则保持其他 3 个量不变。每个实验组均设置 4 个重
复组，最后取平均值。
1． 2． 2 生物量的测定
每天从实验的锥形瓶中取样 15 mL，然后用
WhatmanGF /C玻璃纤维滤纸过滤，将过滤后的滤纸
放在高温烘箱在 105℃烘 24 h［20］，称取过滤前后的滤
纸差值，以此衡量小球藻生长过程中的相对生长量。
1． 2． 3 污染物含量的测定
总氮的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光
度法，参照 GB11894-89。总磷的测定采用钼酸铵分
光光度计法，参照 GB11893-89。COD的测定采用重
铬酸钾法，参照 GB11914-89。BOD的测定采用标准
稀释法，参照 J505-2009。
2 结果与讨论
2． 1 不同浓度沼液中小球藻的生长
高浓度沼液所含营养物质较多，但同时可能会
超过小球藻的耐受度，对小球藻的生长和光合作用
有负面影响;可浓度太低沼液所含有的营养物质有
限，可能会不利于小球藻的快速生长［12，13］。
将沼液和去离子水体积比分别为 1 ∶ 3、2 ∶ 2、
3∶ 1、4∶ 0 和 0 ∶ 4 即沼液浓度为 25%、50%、75%、
100%和 0%的稀释液作为小球藻生长的全营养培
养基(BSC1 ～ BSC5)。以标准 BG11 培养基为对照
组(BSC6) ，用稀硫酸调节各浓度沼液培养基初始
pH为 7． 0，初始接种量 0． 20 mg /mL 培养 9 d 后，小
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环 境 工 程 学 报 第 7 卷
球藻在各浓度沼液中生长情况如图 1 所示。
图 1 不同浓度沼液对小球藻生长的影响
Fig． 1 Effect of different percent biogas slurry
on growth of Chlorella vulgaris
由图 1 可以看出，小球藻在不同浓度沼液中表
现出的生长规律不尽相同。在 50%沼液浓度培养
基中小球藻在第 3天就进入对数生长期，在其他浓度
的沼液培养基中需较长的延滞期，甚至出现负增长。
小球藻在不同浓度沼液中表现出来的生长差异
与沼液本身所含的营养物质有关［21］，25%浓度沼液
营养成分含量较少，经过一段适应期后，进入对数生
长期，又很快进入稳定期。75%和 100%浓度的沼
液氮、磷浓度可能超过小球藻的耐受度，小球藻生长
需较长的延滞期，甚至出现负增长［22］。小球藻在
100%浓度的沼液条件下生长状况好于 75% 的浓
度，其原因是高浓度沼液中含有大量的特殊物质，他
们都可以在特定条件下促进小球藻的生长，如:某些
具有生物活性的物质，如氨基酸类、B 族维生素类、
植物激素类(脱落酸、生长素、赤霉素等)、抗生素类
(一般为多烯类抗生素)、抗冷物质(脯氨酸、亚油
酸、黄腐酸等)和各类水解酶类以及多种氨基酸。
75%浓度的沼液中含有的这些物质量相对较少，所
以小球藻在其间的生长状况不如 100% 浓度沼
液［12］。但是高氮、磷浓度对小球藻生长的抑制作用
要强于沼液中特殊物质对小球藻生长的促进作用。
综合考虑生物量、生长速率和生长周期，选定 50%
浓度沼液作为小球藻生长的全营养基。
2． 2 接种量对沼液培养小球藻生长的影响
接种量的大小直接影响藻体的生物量和培养周
期，并且影响延滞期的长短。这是因为接种量太小
时，藻体延滞期较长不利于藻细胞的快速繁殖，容易
使藻体老化，使培养周期延长［8］。
接种量较大时，藻类生长迅速，快速达到对数
期。而接种量太大，虽然可以缩短延滞期，但藻细胞
生长过快，会使培养基中的代谢废物过快积累并且
导致后期培养基中营养不足，从而不利于藻的长期
培养，进而影响沼液净化和沼气提纯效果。本文以
接种小球藻的初始干重来衡量接种密度，分别选取
初始接种干重为 AC1 = 0． 10、AC2 = 0． 20、AC3 =
0． 30 mg /mL来进行研究，结果如图 2 所示。
图 2 不同接种量对小球藻生长的影响
Fig． 2 Effect of different inoculation quantity on
growth of Chlorella vulgaris
从图 2 中可以看到，接种量低的藻细胞生长状
况低于接种量高的，并且延滞期较长。初始接种藻
干重为 0． 10 mg /mL 的小球藻生长速率最低，藻干
重在实验周期内一直保持在低于 0． 20 mg /mL 的水
平，藻的数量几乎没有增长。初始接种量为 0． 20
mg /mL和 0． 30 mg /mL的实验组在第 3 天后就进入
生长对数期，生长速率较高。而且初始干重为 0． 20
mg /mL的小球藻虽然开始 4 d生长速率低于初始干
重为 0． 30 mg /mL的小球藻，但是 4 d后其生长速率
大于初始干重为 0． 30 mg /mL 的小球藻。综合考虑
接种量成本、生长速率和生长周期，选定小球藻培养
的初期接种藻干重为 0． 20 mg /mL。
2． 3 不同 pH对小球藻生长的影响
培养基中的 pH值是影响藻类生长代谢等许多
生理过程的一个重要因子，它会影响光合作用中二
氧化碳的可用性，在呼吸作用中影响小球藻对有机
碳的利用效率，同时由于 pH 值直接影响细胞膜的
渗透性，会影响小球藻细胞中对培养液中离子的吸
收和利用，以及代谢产物的再利用性和毒性，故 pH
值是影响藻类生长代谢的重要因子之一［9-12］。实验
用稀硫酸将培养基的初始 pH 分别调为 6． 0、6． 5、
7． 0、7． 5、8． 0 和 8． 5，标号为 IP1、IP2、IP3、IP4、IP5、
IP6，接种后每天取样测定藻的干重及 pH 值，实验
结果见图 3 和图 4。
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第 6 期 李 博等:小球藻(Chlorella vulgaris)净化沼液和提纯沼气
如图 3 所示，培养基初始 pH 为 6． 0 的小球藻
直接进入对数生长期，生长速率最快。但最后由于
藻类对自身生长环境的调节或者是沼液在整个代谢
过程中产生导致 pH 升高的物质，致使到实验结束
时不同初始 pH的培养液都到达 9 左右(图 4)。
2． 4 不同光质对于小球藻生长的影响
取同浓度的小球藻作为接种藻，将经过预处理
的沼液作为小球藻生长的全营养培养基，用稀硫酸
调节各浓度沼液培养基初始 pH约为 6． 0，初始接种
量相同，用不同光质进行实验，实验红光、黄光、蓝
光、紫光和荧光灯日光对小球藻生长的影响，分别标
示为 L1、L2、L3、L4、L5。培养 11 d，每隔 1 d 测小球
藻干重作图 5。
由图 5 可以看出，不管在何种光照条件下小球
藻的生物量均在培养的第 9 天达到峰值状态，但明
显可以看出红光和黄光照射下，小球藻生长得更好，
相对生物量增加较多。其中红光实验组的干重达到
0． 41 mg /mL，黄光达到 0． 42 mg /mL。且与黄光相
图 5 不同光质条件对小球藻生长的影响
Fig． 5 Effect of different lighting on
growth of Chlorella vulgaris
比，红光照射下小球藻增长速率更稳定。黄光实验
组在第 11 天就出现了藻干重下降的情况，说明实验
组中藻类进入了衰亡期。综上所述，最适小球藻生
长的光质条件是红光。
2． 5 小球藻对沼液净化和沼气提纯的效果
采用以上所得出的小球藻培养的最适条件来实
验小球藻对于沼液净化和沼气提纯的效果。最后结
果显示，经过 11 d 后，沼液中的 COD、TN、TP 和
BOD5 的去除率分别达到了 88． 5%、91． 2%、95． 3%
和 87． 6%。沼气中甲烷含量由原先的 40%提升到
60． 2%，极大地提高了原沼气中甲烷的含量，降低了
二氧化碳的含量，提升了沼气的品质。
3 结 论
利用沼液作为小球藻的培养基，同时把沼气中
的 CO2 作为小球藻培养的碳源，在无菌培养条件下
进行培养，小球藻生长良好，沼气品质大幅度提升的
同时沼液中污染物大部分被去除。小球藻生长的最
适条件为沼液浓度 50%，接种藻干重为 0． 20 mg /
mL，初始 pH为 6． 0，光照条件是用红光照射。本研
究同时解决了厌氧发酵高浓度沼液的污染问题和沼
气品质低下影响其正常利用的问题，为我国绿色能
源事业的发展提供了有益的探索。为今后进一步研
究这种方法的工业化利用的可能性提供了条件。
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