微藻固定燃燒煙氣中CO2的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

雷曉霞

(廣西桂貴環(huán)保咨詢有限公司，廣西 貴港　537100)

?

微藻固定燃燒煙氣中CO2的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

雷曉霞

(廣西桂貴環(huán)保咨詢有限公司，廣西 貴港537100)

摘要：微藻生物固定CO2是實現(xiàn)碳減排和碳循環(huán)最有前途的方法，因為不僅能減少CO2的排放，還能利用微藻生物質(zhì)開發(fā)附加產(chǎn)物。對藻株篩選、煙氣中有毒物質(zhì)的影響、開發(fā)微藻光生物反應器以及與市政污水處理相結(jié)合等方面的研究進展進行了綜述，為實現(xiàn)該技術(shù)的實用化、經(jīng)濟化提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：微藻； 煙氣；CO2的固定；光生物反應器

CO2是大氣溫室氣體的主要來源，其中化石燃料燃燒排放的高濃度CO2對全球變暖的影響最大[1-2]。因此，為了有效減少燃燒后CO2的排放，有必要尋找一種穩(wěn)定、安全、可持續(xù)保護環(huán)境的CO2捕獲技術(shù)。根據(jù)捕獲機制，燃燒后CO2的捕獲技術(shù)大致分為化學吸收、物理吸收以及生物固定[2]。CO2的生物固定通過生物的自養(yǎng)方式將煙氣中的CO2轉(zhuǎn)換成為生物質(zhì)。比起普通的陸生植物，微藻在CO2生物固定中具有光合效率較高、能凈化水質(zhì)、生物質(zhì)產(chǎn)生率快以及不與農(nóng)作物和土地競爭的優(yōu)點[3]。目前，利用微藻固定煙氣中CO2的研究較多，但在實用性與經(jīng)濟性方面仍然存在不足。這與微藻培養(yǎng)方式以及煙氣成分復雜有關(guān)。影響微藻培養(yǎng)的因素包括藻種、營養(yǎng)條件、培養(yǎng)方式、微藻反應器及培養(yǎng)環(huán)境[4]。此外，煙氣中除了含有10%～20%的CO2外還包含大約142種不同的化合物[5]。當前，微藻固定煙氣中CO2、微藻生物柴油的生產(chǎn)與微藻污水處理是短期內(nèi)最有可能實現(xiàn)商業(yè)化應用的技術(shù)，因此如何優(yōu)化上述因素，通過工藝創(chuàng)新形成光合效率、固碳率、細胞產(chǎn)率高及能耗低的微藻生產(chǎn)光生物反應器，利用污水營養(yǎng)物質(zhì)及煙道氣中的CO2實現(xiàn)微藻快速生長及高密度培養(yǎng)，降低微藻生產(chǎn)費用及微藻下游處理成本是當前研究工作的重點。本文對藻株篩選、煙道氣有毒成分對微藻的影響以及開發(fā)高效光反應器培養(yǎng)微藻等方面的研究進展以及面臨的挑戰(zhàn)進行了綜述，為今后深入研究微藻固定燃燒煙氣中CO2，實現(xiàn)微藻固碳與污水凈化等相關(guān)領域的技術(shù)耦合和大規(guī)模生產(chǎn)提供相關(guān)參考。

1高效固碳微藻菌株的篩選

除了培養(yǎng)條件外藻株是最重要的影響因素，因為它們直接影響固碳和生物質(zhì)的生產(chǎn)。篩選合適的微藻藻種對于CO2生物減排效率及成本競爭力具有顯著的影響。表1是典型藻株的的生物質(zhì)產(chǎn)率和CO2固定參數(shù)[2]。通過比較發(fā)現(xiàn)：CO2的固定和生物質(zhì)產(chǎn)生的性能隨著藻株的不同而變化。和其他藻株相比(例如CyanophytesandChrysophyte)，小球藻的性能較好，生物質(zhì)產(chǎn)率和CO2固定率分別能達到1.060 g/(L·d)和2.632 g/(L·d)。和大氣中的CO2的培養(yǎng)不同，煙氣中的CO2濃度高，高曝氣負荷以及有毒污染物質(zhì)對藻株的生長有消極影響。但是這些不良影響都可以通過藻株的適應去克服，從而使藻株能忍受嚴格的煙氣條件而持續(xù)增長[6]。從表1中發(fā)現(xiàn)：只有較少的藻株能耐受體積分數(shù)為70%～100%的CO2濃度[7]，以及煙氣的高流速、低pH值和有毒成分。此外，營養(yǎng)條件、光強培養(yǎng)溫度也會對藻株的生長率產(chǎn)生影響。因此，很有必要開發(fā)在惡劣環(huán)境條件下仍然具有高性能的藻株，實現(xiàn)最大的CO2固定效率和生物質(zhì)產(chǎn)量。大部分藻株是從天然河流、湖泊或者海洋中分離出來的，一般都能成功固定大氣中的CO2，但是和大氣中低濃度的CO2(體積分數(shù)大約為0.038%)不同，實際的燃燒煙氣具有高濃度的CO2(體積分數(shù)為10%～20%或者更高)，流速高，溫度高(80～120 ℃)，且含有有毒成分(SOx、NOx和汞)，這就要求藻株具有更強的固定燃燒煙氣中的CO2的能力[8]。為了增強和提高微藻的CO2固定率和生物質(zhì)產(chǎn)量，有必要使用物理化學誘導、細胞融合、雜交繁育等選育方法[9]。但至今還沒有基因工程法促使微藻大量生產(chǎn)從而固定CO2的報道，說明該領域的研究還處于起步階段。要穩(wěn)定地大規(guī)模培養(yǎng)生長快的且能固定煙氣中CO2的藻株也一定要通過基因工程改造微藻來實現(xiàn)，而關(guān)于優(yōu)勢藻種的選育、培養(yǎng)工藝及微藻分離技術(shù)的創(chuàng)新研究則在短期內(nèi)更容易取得成果。

2煙氣中有毒物質(zhì)對微藻的影響

研究發(fā)現(xiàn):ChlorellaKR-1能成功固定沒有通過任何處理的煙氣中的CO[10]。這是因為Chlorellasp.對高溫和低pH值有較強的適應性[11]。但是工廠實際排放的煙氣中經(jīng)常包含有毒污染物質(zhì)SOx和NOx，其中SO2的濃度能達到100 mg/L，NO2的體積分數(shù)能達到5%～10%，NO的體積分數(shù)能達到90%～95%，這些物質(zhì)能影響大部分微藻的生長[2]。除了污染物質(zhì)的濃度，不同的燃燒煙氣排放的SOx也不同，從而對微藻的抑制效果也不同?？偟膩碚f，抑制影響取決于藻株的特征、生長條件以及有毒污染物質(zhì)的濃度。表2概括了含有SOx和NOx物質(zhì)的煙氣對微藻的抑制影響。由表2中可以看出：Chlorellasp. andScenedesmussp.是表現(xiàn)最突出的藻株，其在CO2、SOx和 NOx條件下只受到輕微的抑制[12]。然而也有藻株特別是分離的藻株很難忍受SO2的抑制作用。為了解決這個問題，可以安裝脫硫裝置去除SO2后再將煙氣通入微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中。目前有濕法和干法脫硫過程，分別用CaO吸附劑和石灰石-石膏脫硫。NOx的主要成分是NO和SO2有所不同，很難直接對藻株的生長產(chǎn)生直接的影響。當NOx的濃度高于300 mg/L時才會對Chlorellasp.的理化特征有稍許的影響[13]。實際上，溶解的NOx可以作為藻類培養(yǎng)基的氮源以供藻類吸收。

表1　微藻在不同培養(yǎng)條件下的生物質(zhì)產(chǎn)率和CO2固定參數(shù)

表2　含有SOx和NOx的煙氣對微藻培養(yǎng)的抑制效應

3高效光生物反應器的開發(fā)

目前雖然在藻株的選育方面取得了一定的研究成果，但是要使得選育出來的優(yōu)良藻種在實際應用過程中具有高效的CO2固定效率，合理設計光生物反應器是十分必要的。高效光生物反應器是實現(xiàn)微藻高效固定CO2的必要手段，因此高效光生物反應器的研究和開發(fā)一直是微藻培養(yǎng)和微藻固定CO2的研究熱點之一[14]。高效光生物反應器主要圍繞提高光合利用效率和提高CO2在培養(yǎng)液中的氣液傳質(zhì)效率兩方面進行研究。微藻在開放式和密閉式光生物反應器中都能生長，圖1為大部分生物反應器的構(gòu)型[15]。開放池中由于缺乏控制使得微藻的產(chǎn)量取決于當?shù)貧夂?。此外，捕食者帶來的污染也是這類培養(yǎng)系統(tǒng)的主要缺點之一。因此，只有幾種藻株在開放池中能實現(xiàn)生長，例如Dunaliella,Spirulina和Chlorellaspp.。此外，技術(shù)簡單的開放系統(tǒng)因為下游加工成本昂貴使得經(jīng)濟可行性較小。密閉光生物反應器更能引起研究者的關(guān)注，因為密閉光生物反應器能避免污染，也比開放系統(tǒng)能更好地控制培養(yǎng)條件，從而獲得更高的生物質(zhì)產(chǎn)量[16]。此外，光生物反應器需要的空間較少，并且因蒸發(fā)丟失的水分也較少。光生物反應器有不同的構(gòu)型，如垂直反應器(鼓泡或者氣升式)、管式反應器、平板反應器。管式光生物反應器有以下缺點：氣體交換困難、溶氧(DO)水平易超過200%、抑制光合作用、在高光強下高DO會破壞細胞的光氧化作用[17]。與管式反應器一樣，板式反應器也存在光路太窄的問題，因此對于工業(yè)應用最具潛力的是氣升式反應器。氣升式光反應器是在反應器罐體的內(nèi)部加裝氣體提升管，提升管底部設有圓形氣體分布器，空氣和CO2混合后由氣體分布器進入反應器，形成均勻、細小的氣泡，具有較高的汽液接觸面積，可有效提高CO2與藻液、汽液的傳質(zhì)效率[18]，從而提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)量。

圖1　培養(yǎng)微藻的反應器構(gòu)型

4利用污水培養(yǎng)微藻

文獻[19]使用化肥培養(yǎng)微藻,嚴重影響了綜合能量平衡，因為僅化肥生成過程所需要的能量就要占整個微藻培養(yǎng)過程的50%[19]?？梢娖惹行枰獙ふ业统杀镜臓I養(yǎng)來源，以確保微藻長期可持續(xù)性生長。在這種情況下，使用市政污水培養(yǎng)微藻成為一個有吸引力的選擇。通常情況下，二、三級廢水含有大量的硝酸鹽和磷酸鹽，這些物質(zhì)正好是微藻生長和代謝所必須的營養(yǎng)物質(zhì)，同時微藻又能凈化廢水[20]。因此，該方案不僅提供了一種廉價的替代傳統(tǒng)的污水處理方式，還大大降低了化學化肥的使用量[19]。將市政污水處理與微藻培養(yǎng)相結(jié)合，在固定CO2的同時可以減少市政污水處理過程中60%～80%的能量消耗。但是，在使用市政污水培養(yǎng)微藻之前，有幾個問題必須解決：① 細菌和真菌的重污染可能會抑制微藻的繁殖；② 廢水營養(yǎng)成分的不一致可能會影響微藻的生長；③ 培養(yǎng)微藻后的出水水質(zhì)應嚴格控制，以避免微藻在河流和海洋中大量繁殖[21]。因此，盡管用廢水培養(yǎng)微藻有很多顯著的優(yōu)點，然而只有大約30%的研究使用廢水培養(yǎng)微藻，其余70%的研究工作使用化肥。

5結(jié)束語

通過以下策略可以提高微藻對煙氣中CO2的固定效率：第一，篩選出生長較快的藻株；第二，設計一個能提高氣液傳質(zhì)效率的、實現(xiàn)CO2較高固定率的光生物反應器；第三，必須對煙氣進行預處理，如在煙氣進入培養(yǎng)系統(tǒng)前使用熱交換器來降低煙氣溫度和使用脫硫單元去除有害氣體(SOx)；第四，使用市政污水代替化學營養(yǎng)物作為培養(yǎng)微藻的營養(yǎng)源，從而減少其生命周期的負擔。利用污水進行微藻的生產(chǎn)可實現(xiàn)CO2減排、污水凈化以及能源生產(chǎn)的高度耦合，不僅能實現(xiàn)污水低能耗資源化處理，還可獲得生物能源以及其他高附加值產(chǎn)品，具有重要的環(huán)境、社會、經(jīng)濟意義。但該生產(chǎn)過程影響因素多、技術(shù)的綜合難度大，要真正實現(xiàn)實用化、工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化還需要做大量的研究工作。

參考文獻：

[1]PACHAURI R K,REISINGER A.Contribution of working groups I,II and III to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[C]// IPCC.Geneva,Switzerland:[s.n.],2007.

[2]ZHAO B T,SU Y X.Process effect of microalgal-carbon dioxide fixation and biomass production:A review[J].Renew Sust Energ Rev,2014,31:121-132.

[3]ZENG X,DANQUAH M K,CHEN X D,et al.Microalgae bioengineering:From CO2fixation to biofuel production[J].Renew Sust Energ Rev,2011(15):3252-3260.

[4]蘇鴻洋，周雪飛，夏雪芬，等.二氧化碳減排產(chǎn)柴油微藻培養(yǎng)體系研究進展[J].生物工程學報,2011,27(9):1268-1280.

[5]SIMONEIT B,ROGGE W,LANG Q.Molecular characterization of smoke from campfire burning of pine wood (Pinus elliottii)[J].Chemosphere-Global Change Science,2000,1(2):107-22.

[6]DOUCHA J,STRAKA F,LIVANSKY K.Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella sp.) in an outdoor open thin-layer photobioreactor[J].J Appl Phycol,2005,17:403-412.

[7]YUE L H,CHEN W G.Isolation and determination of cultural characteristics of a new highly CO2tolerant fresh water microalgae[J].Energ Convers Manage,2005,46:1868-1876.

[8]KAO C Y,CHEN T Y,CHANG Y B,et al.Utilization of carbon dioxide in industrial flue gases for the cultivation of microalga Chlorella sp[J].Bioresour Technol,2014,166:485-493.

[9]YANG Z,YANG G,LI F,et al.Recent progress in fixation of CO2with microalgae for carbon emission reduction[J].Chin J Bioprocess Eng,2011(9):66-75.

[10]SINGH S P,SINGH P.Effect of CO2concentration on algal growth:a review[J].Renew Sustain Energy Rev,2014,38:172-179.

[11]RAZZAK S A,HOSSAIN M M,LUCKY R A,et al.Integrated CO2capture,wastewater treatment and biofuel production by microalgae culturing-a review[J].Renew Sustain Energy Rev,2013,27:622-653.

[12]CHEAH W Y,SHOW P L,CHANG J S,et al.Biosequestration of atmospheric CO2and flue gas-containing CO2by microalgae[J].Bioresour Technol,2015,184:190-201.

[13]LEE J N,LEE J S,SHIN C S,et al.Methods to Enhance tolerances of Chlorella KR-1 to toxic compounds in flue gas[C]//Twenty-First Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals.[S.l.]:Springer,2000:329-342.

[14]LIU J N,HU P,YAO L.Advance of photobioteactor on microalgal cultivation[J].Food Sci,2006,27(12):772-777.

[15]PIRES J C M,ALVIM-FERRAZ M C M,MARTINS F G,et al.Carbon dioxide capture from flue gases using microalgae:Engineering aspects and biorefinery concept[J].Renew Sust Energ Rev,2012,16:3043-3053.

[16]HARUN R,SING M,FORDE G M,et al.Bioprocess engineering of microalgae to produce a variety of consumer products[J].Renew Sustain Energy Rev,2010,14:1037-1047.

[17]CHISTI Y.Biodiesel from microalgae[J].Biotechnol Adv,2007,25(3):294-306.

[18]KANG R J,CAI Z L,SHI D J.An airlift photobioreactor for microalgae cultivation[J].Chem React Eng Technol,2001,17(1):153-58.

[19]CLARENS A F,RESURRECCION E P,WHITE M A,et al.Environmental life cycle comparison of algae to other bioenergy feedstocks[J].Environ Sci Technol,2010,44:1813-1819.

[20]LAM M K,LEE K T.Microalgae biofuels:A critical review of issues,problems and the way forward[J].Biotechnol Adv,2012,30:673-90.

[21]LAM M K,LEE K T,MOHAMED A R.Current status and challenges on microalgae-based carbon capture[J].Int J Greenh Gas Con,2012,10:456-469.

(責任編輯何杰玲)

Research Status and Challenges of Micro Algae Fixed Combustion CO2in Flue Gas

LEI Xiao-xia

(Guangxi Guigui Environmental Protection Consulting Co., Ltd., Guigang 537100, China)

Abstract:Microalgae immobilization of CO2 is the most promising method in the realization of carbon emissions and carbon cycle, because it not only can reduce CO2emissions, but also can develop addition product with micro algae biomass. The research progress on algae strains screening, the effect of toxic substances in the smoke, light bioreactors development of micro algae and its combination with municipal sewage treatment were summarized in order to provide theoretical reference for the realization of the practical application and economization of this technology.

Key words:micro algae; flue gas; CO2 fixation; light bioreactor

收稿日期：2016-03-07

作者簡介：雷曉霞(1985—)，女，廣西橫縣人，碩士研究生，主要從事環(huán)境工程研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.013

中圖分類號：TQ517.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0070-05

引用格式：雷曉霞.微藻固定燃燒煙氣中CO2的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(5):70-74.

Citation format：LEI Xiao-xia.Research Status and Challenges of Micro Algae Fixed Combustion CO2in Flue Gas[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):70-74.