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利用微藻净化污水并产油的研究与实现

作者: 来源: 发布时间:2016-08-22 14:39:24
1.1 能源问题
当今全球能源消耗大约1.3×105亿 W,预计2050年全球能源需求将翻一番,达到 2.6×105亿 W,其中大部分来源于化石资源(刘玉环等 2008)。化石资源是昂贵且有限的,据预测地球上蕴藏的可开发利用的煤和石油等矿物能源将分别在200年和30~40年内耗竭,天然气按储采比也只能使用60年(吴谋成 2007)。能源短缺问题今后将会长期困扰人类社会的发展。生物燃料是太阳能在生物体内以化学能储存的能量形式。地球上的植物、海藻等通过光合作用接收太阳辐射,转化为化学能储存于体内。生物燃料包括生物乙醇、生物柴油和其他可燃生物质,如薪柴、农作物秸秆等。其中,生物乙醇和植物油属于可再生能源。目前国内外工业生产生物柴油的原料主要来自油料作物和林树油植物两大方面。然而油料作物存在产量低、成本高、经济性差、与其它农作物争夺土地等缺点;林树油植物仅生长在少数地域;且无疑要受到季节变换以及生长周期的影响,不能够源源不断地长期产油(韩笑天等 2008)。从可持续发展的角度来看,与社会经济迅速发展所匹配的生物柴油需求量和生物柴油原料油的来源不足两者已经构成了尖锐的矛盾,限制了生物柴油产业的发展,必须积极寻找生物柴油原料油的新来源。微藻作为单细胞和简单多细胞的光合微生物,以其生长速率快、含油量高且不占用耕地资源等优点成为最具潜力的生产生物柴油的代替原料(Gouveia L.et al.   2009)。
1.2 城市污水处理现状
目前我国城市污水处理系统中,传统的市政污水处理是基于初级处理、二级生物处理(如:活性污泥和生物滤池)(陈丽萍等 2015),仅仅去除了污水中一部分氮和磷。对污水中存在的氮、磷等营养物质,只能去除 20% ~ 40%,出水的总氮和总磷含量仍然偏高,足以引起水体富营养化。脱氮除磷是水污染治理的重要课题,是克服富营养化的关键。而近年来常用的以物化处理和微生物处理为主的脱氮除磷工艺成本较高,且会使污水中潜在的营养价值丢失。生物脱氮除磷比化学脱氮除磷运行费用低,不造成二次污染,脱氮除磷效率高(张波 2006) 。藻类可以利用太阳能和N、P等营养物质通过光合作用合成细胞物质,利用藻类处理污水可以克服传统污水处理方法中的弊端,如易引起二次污染、导致潜在营养物质丢失、使得资源不能完全利用等。因此微藻处理污水将提供廉价的可取代常规污水三级处理的方法。
2 微藻生物柴油技术的研究现状
2.1 微藻生物柴油的国内外研究现状
1978 年,美国能源部可再生能源国家实验室开始养殖微藻生产生物燃料项目(Aquatic Spices Program,“水生物种计划”)的研究。项目的研究内容涉及微藻调查与筛选、微藻生化机理分析、工程微藻制备及中试研究,一直持续到1996年(Danielo, O.  2005)。藻类的筛选是基于其对不同环境条件的耐受性(极限的盐度、pH 值和温度)和它们生产中性脂的能力。将富集的藻种限制为最合适的300种,其中大部分是绿藻和硅藻。在实验室研究的基础上,研究人员进行了中试放大。中试装置运行了一年,可获得含油量达到 40% ~ 60%、产量高达 0.05kg/(m2·d) 的工程微藻(Danielo, O.  2005)。水生物种计划证明了藻类作为生物柴油生产原料的可行性,并在技术上取得了重大进展,是迄今对微藻进行的最全面和权威的研究,为生物柴油的进一步开发利用打下了坚实的基础。虽然微藻产油工艺当时被认为是可行的,但由于生产成本比当时的石油价格高出几十个百分点,使得微藻生物柴油的竞争能力远不及石化柴油,于是对于该项目的研究逐渐减少。直到21世纪,随着石油资源的枯竭,原油价格一路飙升,世界各国都开始考虑石油替代燃料的开发。微藻生物柴油技术又重新得到广泛的关注(Danielo, O.  2005)。
我国生物柴油的研究与开发起步较晚,但发展速度很快,一部分科研成果已达到国际先进水平。研究内容主要涉及油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良及其加工工艺和设备。我国工业化生物柴油目前主要还是以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和麻风树等油料木果实以及动物油脂、废餐饮油等为原料制备(曾少军等 2008)。在利用微藻来生产生物柴油的研究方面,清华大学在小球藻的异养发酵方面的研究比较突出(X L Miao .et al.  2006)。中国水产科学研究院、中科院海洋研究所等科研机构正致力于海洋微藻生产生物柴油的研究中,目前已经建立了化学法和脂肪酶法(杨建军等 2013)生产生物柴油的关键技术和工艺路线。
2.2产油微藻的筛选
微藻是否具备高产油能力,需根据生物产量及总脂(特别是中性脂)含量等综合评估(Lv J M, et al.  2010),目前研究最多的是绿藻和硅藻(B J S T D.  1998)(T. P., et al.  2009)(Chisti Y.  2007),如斜生栅藻(Nirupama Mallick.  2009)、小球藻、微拟球藻、杜氏盐藻、三角褐指藻、布朗葡萄藻等。此外金藻也是富油较多的微藻类群。微藻油脂含量大多在30%~50%之间(B J S T D.  1998)(Chisti Y.  2007),最高可达干重80%。除了油脂含量,油脂质量也很关键。在油脂组成上中性脂多易于生物柴油制备,其中碳链长度在14~18 的中性脂肪酸最好。同时,产油微藻藻株必须具备快速生长特性,只有快速生长的种类才能耐污染,更易于实现高密度培养和取得生物量。没有生物量的微藻即使有理想的油脂含量,也难以成为优质藻株。应当指出,生长快的微藻个体一般较小,体积小虽有利于悬浮培养,却不易于后期细胞采收。在考察优良产油藻株时,不可忽视那些个体较大(特别是丝状)的微藻,只要其含油量较高,即使其细胞生长并不很快,由于易于采收,可减少收获过程的能耗和微藻柴油制备成本,有可能成为理想的工程藻株。
2.3微藻产油方法原理
微藻产油效率主要取决于其含油量与生长速率,二者通常呈负相关性(刘倩等 2011), 细胞大量积累油脂过程常伴随生长速度的下降。除藻种自身原因外,决定微藻产油效率(微藻含油量和生长速率的乘积)最大和更直接的在于微藻培养。微藻培养看似简单,但有效控制诸多复杂因素(朱晓艳等 2014)(汪亚俊等 2014),将微藻(尤其规模化)培养好,发挥其最大产油效率却不易把握。微藻采收分离目前常用的方法有膜过滤、离心及絮凝等。其中,离心是较常用的分离方法,不会引入其他化学试剂。但操作繁琐,能耗大、成本高、细胞易破碎。膜过滤法存在滤膜易污染问题,可通过采用逆流反冲操作得到一定改善。絮凝也是工业生产上常用的分离方法,通过将微藻细胞絮凝成块后分离,该技术需加入絮凝剂,而后续分离中絮凝剂较难除去,易于造成环境污染。
微藻油脂主要以甘油三酯或脂肪酸形式分布在细胞中,微藻油脂提取常用的方法包括机械破碎法、溶剂萃取法、水酶法、超临界CO2萃取法等(Brennan L.et al.  2010)。油脂制备主要有酯交换、热解、热化学液化等方法。其中酯交换法是当前制备生物柴油的常用方法(Brennan L.et al.  2010) 。藻油的提取方法中机械破碎法最简单, 通过高渗透压冲击和超声波辅助技术都可加速细胞壁破裂和胞内物质释放。但是这些技术能耗大, 且需根据不同藻株的具体物理特性选用不同的挤压方式。溶剂萃取法常用的化学溶剂有苯、乙醚, 也可用正己烷提取。水酶法是利用酶分解细胞壁释放藻油的提取方法, 在应用中最大的局限是成本较高。超临界二氧化碳兼具液体和气体的特性, 能很大程度加快油脂的提取过程, 具有较高的采油率, 但其设备较昂贵、操作条件要求高, 工业化难度大。有人将机械破碎法与化学法联合使用, 对微藻油脂进行提取。不论哪种方法, 从工艺实施和过程放大角度主要还是从干藻粉中进行溶剂萃取(Brennan L.et al.  2010)。而微藻细胞中水含量高达70%以上, 仅干燥过程的能耗就远远超过微藻的产能量。能耗大、溶剂损失代价高是目前微藻油脂提取面临的最大问题。如果能避开干燥和机械压榨直接从湿藻泥中提取油脂, 可很大程度降低制油成本。加大油脂湿法提取技术的探究将是未来加快微藻能源产业化实现的重要策略。
2.4 微藻生物柴油技术面临的问题
虽然微藻生产生物柴油已经具备了大规模及商业化生产的技术条件,但要成为经济上可行的化石燃料的替代能源,目前仍存在以下问题需要解决:
1)由于藻类生长繁殖的条件要求较高,使得前期投资比较大。需要解决微藻最佳的培养条件(朱晓艳等 2014)(汪亚俊等 2014)和最低的成本消耗问题。目前,微藻大规模培养的方式主要采用跑道池和光生物反应器。开放式跑道池培养系统面临的挑战主要是优势藻种的控制及藻类的富集回收。密闭的光生物反应器可以很好的控制培养条件,解决了优势藻种控制的问题并提高了藻类生物量浓度,大大减少了微藻的回收费用。但也存在微藻贴壁生长等缺点。新型的大规模微藻培养反应器的开发仍然是研究热点之一。
2)微藻的培养需要消耗二氧化碳及营养盐类,由此而带来的投资成本增加的问题。将微藻培养与烟道废气中CO2 (刘玉环等 2008)去除及污水处理相结合可以有效降低投资成本。
3)藻水富集分离需要特定的设备,较高的能耗进一步增加了投资成本。利用开放塘和密闭的光生物反应器培养(Wenguang Zhou.et al. 2012),最终获得的单位体积藻生物量分别为 0.5~1.0g L-1和 5~10g L-1(张波 2006)。以1g L-1的藻细胞浓度计,获得1kg生物量需要处理1 000kg的水。微藻富集面临的挑战是要采用最经济有效的方法将浓度很低的藻液浓缩为可以提取油脂的浓度(约减少1 000倍)。最为有效的方法是离心,但将离心应用于微藻生产柴油系统中成本太高。最可能实现的成本较低的方法是絮凝(吴谋成 2007),如化学絮凝、自动絮凝。
4)如何获得油脂含量高且生长繁殖快速的藻种。利用微藻生产生物柴油要想获得经济上的可行性,优势藻种的选育也是关键之一。藻种应具有以下优势:油脂含量高、生长速率快和耐污性强。处于对数生长期的微藻脂质的含量往往较低(Brennan L.et al. 2010),而脂肪含量高的藻种(如布朗葡萄藻)却生长速率缓慢。于是获得既有较高的中性脂含量又能快速生长的藻种成为微藻生物柴油产业化进程中的另一个障碍。
3 藻类净化污水的研究现状
微藻是一种在显微镜下才能辨别形态大小的单细胞藻类类群,能够有效的利用太阳能将氮、磷和CO2等无机物质合成自身物质而生长。具有资源丰富、种类繁多、光合效率高、生长速度快、易无性繁殖和适应性强的特点。在污水处理的生物处理法中,藻类污水处理方法由于其特有的优势,成为了目前污水处理方法的研究热点。首先,藻类可吸收污水中的 N、P 合成自身需要的有机物,从而降低污水中 N、P 的浓度,预防水体富营养化。其次,产油技术的开发。我国生物柴油的研究与开发起步较晚,但发展速度很快,一部分科研成果已达到国际先进水平。
3.1 污水培养产油微藻技术的研究现状
利用污水培养产油微藻,不但能够降低微藻的培养成本,而且可以转移污水中的N和P而净化废水,有助于避免河流与湖泊富营养化的危害,节约能源,保护环境。高油脂含量的微藻经污水大量培养收集后可作为生产生物柴油的理想原料。对污水资源化及解决生物柴油原料问题具有现实意义。虽然污水培养产油微藻技术近几年已成为国内外的研究热点,但大部分研究只停留在实验室小试阶段,要实现产业化应用仍面临许多问题需要解决。
研究展望
Gengho发现微藻在CO2 固定、有毒有害物质和难降解有机物的去除、以及重金属离子吸附等方面具有很多优势。微藻对无机氮磷有着高效吸收机制,用城市生活废水培养富油微藻生产生物柴油,理论上仅添加部分营养元素就有可能获得高密度高油脂含量的微藻生物质,可有效降低微藻培养成本,产生经济效益,同时还可减少生活废水中无机氮磷去除难的问题,有望成为环保型、可持续发展的经济生产模式(刘玉环等 2008)(陈丽萍等 2015)。如果综合应用微藻培养模式所具备的诸多优势,通过创新设计,将太阳光能吸收,工业废气和废液等资源综合应用到微藻培养的新模式中,使污水资源化再利用(魏群等 2011)、CO2 排放与微藻能源规模生产耦合(蔡卓平等 2012)起来, 实现资源最大化利用,可大幅降低微藻柴油生产成本、加快微藻能源产业。
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