富油微藻能源開(kāi)發(fā)型處理污水方法研究

張 燦

（徐州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所 江蘇徐州 221000）

富油微藻能源開(kāi)發(fā)型處理污水方法研究

張 燦

（徐州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所 江蘇徐州 221000）

介紹了一種采用富油微藻進(jìn)行能源開(kāi)發(fā)方式處理污水的方法，該方法可以生產(chǎn)類胡蘿卜素、氣體燃料和有機(jī)肥，能夠?qū)⑽⒃甯咝в糜谖鬯幚眍I(lǐng)域的同時(shí)，獲得較好的高價(jià)值附加產(chǎn)物，使微藻作為可持續(xù)資源得到了全面利用。

富油微藻；能源開(kāi)發(fā)；污水處理；太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化

引言

微藻是一類光能自養(yǎng)型單細(xì)胞生物，具有種類繁多、光合效率高、生長(zhǎng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。它們?cè)谏L(zhǎng)過(guò)程中需要消耗環(huán)境中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以合成體內(nèi)復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)，因此可降低水體中氮磷等物質(zhì)的含量。與其他油料植物相比，微藻在生產(chǎn)生物柴油方面也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，微藻還被認(rèn)為是具有商業(yè)價(jià)值的天然類胡蘿卜素的最佳來(lái)源，其在生物體內(nèi)起著十分重要的作用，通過(guò)微藻獲得類胡蘿卜素既可擴(kuò)大天然類胡蘿卜素來(lái)源，又可提高藻種的利用價(jià)值，但過(guò)高的生產(chǎn)成本始終制約著微藻類胡蘿卜素的商業(yè)化生產(chǎn)。

由上可見(jiàn)，微藻在污水治理、能源開(kāi)發(fā)等方面具有較高的可塑性，尤其是作為生產(chǎn)生物燃料的可持續(xù)和可再生資源受到越來(lái)越多的關(guān)注[2～3]。同時(shí)，從微藻出發(fā)還可獲得較好的附加值產(chǎn)物，因此，如何提供一種能夠在對(duì)微藻進(jìn)行高效生物利用的同時(shí)，還能夠獲得較好的附加值產(chǎn)物，以全方位開(kāi)發(fā)微藻的新思路將對(duì)本領(lǐng)域產(chǎn)生重要意義。

1 技術(shù)思路

本方法主要包括以下步驟：

（1）將水中的微藻在太陽(yáng)光照射條件下在合理的溫度、光照強(qiáng)度和鹽度的范圍下，利用廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和二氧化碳合成微藻生物質(zhì)，得到微藻液；

（2）對(duì)微藻液進(jìn)行破壁處理，向處理后的微藻液中加入植物油進(jìn)行混合，靜置后回收上層液并進(jìn)行吸附處理，得到類胡蘿卜素；

（3）將靜置后得到的下層液在暗條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，收集沼氣，并將沼氣發(fā)酵后殘留的沼渣和沼液進(jìn)行分離,將分離后的沼渣進(jìn)行好氧發(fā)酵，得到有機(jī)肥；

（4）對(duì)所收集的沼氣進(jìn)行凈化處理，分別收集甲烷和二氧化碳；

（5）將部分沼液離心取上清液，對(duì)上清液進(jìn)行培養(yǎng)，并將培養(yǎng)得到的微生物接種到微生物電解裝置中對(duì)所收集的二氧化碳進(jìn)行電解處理，使二氧化碳完全還原為甲烷，合并所得到的甲烷制備氣體燃料。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 材料

采用淡水微藻，淡水微藻選自柵藻(Scenedesmus)、小球藻(Chlorella)、葡萄藻(Botryococcus)、衣藻(Chlamydomonas)、根支藻(Rhizoclonium)、螺旋藻(Spirulina)和顫藻(Oscillatoria)中的至少一種。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

由于廢水主要可來(lái)源自工業(yè)、市政、生活、養(yǎng)殖業(yè)中，因此廢水中的氮磷鹽的濃度范圍略有差異，但為了確保能夠?qū)⑵溆行?yīng)用于微藻生長(zhǎng)中，因此，需要在微藻的最初生長(zhǎng)體系中先調(diào)節(jié)好氮磷鹽的濃度范圍，以滿足微藻的生長(zhǎng)條件。設(shè)定本實(shí)驗(yàn)廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要成分為氮磷鹽，氮磷鹽的濃度比在1:2～2:1之間，廢水中的初始氮磷鹽的濃度范圍為2～45mg/L。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

采用小球藻作為本實(shí)驗(yàn)材料，將水中的小球藻在每天不少于8～16小時(shí)的太陽(yáng)光照射條件下（天氣條件不好時(shí)可以采用日光燈代替）在溫度15℃～20℃、光照強(qiáng)度 50～100μmol/(m2s)的條件下生長(zhǎng) 2～15 天，利用廢水中的氮磷等(氮磷的鉀鹽和鈉鹽的濃度比為1:1.5，初始廢水中的氮磷的濃度范圍為2～45mg/L)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和二氧化碳合成微藻生物質(zhì)，得到微藻液；利用超聲波，超聲頻率為2×104HZ對(duì)微藻液進(jìn)行破壁處理，向處理后的微藻液中加入植物油進(jìn)行混合，其中，植物油與微藻液的體積比為1:3，靜置后回收上層液并進(jìn)行吸附處理，得到類胡蘿卜素；將靜置后得到的下層液與廢水中的少量污泥(下層液與污泥中的干物質(zhì)比約為2:1)一同在暗條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵溫度在35～55℃，發(fā)酵時(shí)間約20天后，收集沼氣，并將沼氣發(fā)酵后殘留的沼渣和沼液進(jìn)行分離；對(duì)所收集的沼氣進(jìn)行脫硫，將脫硫后的沼氣壓縮至5～15bar后與增壓至5～15bar的5℃～15℃的循環(huán)水以體積比4:1在吸收塔內(nèi)進(jìn)行逆流吸收，對(duì)吸收塔出口處的氣體利用分子篩進(jìn)行脫水，得到甲烷，并將吸收有二氧化碳的循環(huán)水通入解析塔內(nèi)使其被解析，從而將沼氣凈化處理，分別收集甲烷和二氧化碳；隨后，取前述分離得到的部分沼液離心取上清液，將上清液在37℃～44℃下進(jìn)行培養(yǎng)，并將培養(yǎng)得到的微生物接種到微生物電解裝置(其電能通過(guò)太陽(yáng)能經(jīng)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化而來(lái))中對(duì)所收集的二氧化碳進(jìn)行電解處理，使二氧化碳完全還原為甲烷，合并所得到的甲烷制備氣體燃料。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)檢測(cè)可得，類胡蘿卜素的提取率可達(dá)86%，所收集的可作為氣體燃料的甲烷濃度可達(dá)96.5%。

結(jié)語(yǔ)

（1）利用太陽(yáng)能和污水構(gòu)建污水光生物反應(yīng)器對(duì)微藻進(jìn)行培養(yǎng)獲得了類胡蘿卜素，而且還利用微藻作為媒介通過(guò)結(jié)合厭氧發(fā)酵過(guò)程，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氣體燃料，實(shí)現(xiàn)污水治理和氣體燃料生產(chǎn)的組合，從而應(yīng)用于污水治理領(lǐng)域；

（2）采用的整個(gè)生物利用方法為一個(gè)閉路的循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能到氣體燃料以及類胡蘿卜素和有機(jī)肥等高價(jià)值附加產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，不僅解決了傳統(tǒng)微藻生物柴油工藝路線能耗高、能源產(chǎn)出低的不足，還可大大降低類胡蘿卜素的生產(chǎn)成本，是一種太陽(yáng)能利用的新方法和新工藝；

（3）通過(guò)微藻的媒介作用，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為了可儲(chǔ)存和方便利用的氣體燃料，與太陽(yáng)能產(chǎn)電、產(chǎn)熱等應(yīng)用方式相比，擴(kuò)展了太陽(yáng)能在交通運(yùn)輸燃料方面的應(yīng)用；同時(shí)，也可以利用煙道氣等含有二氧化碳的氣體作為微藻培養(yǎng)的碳源，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化氣體燃料和二氧化碳減排的雙重效果。

[1] 田朝玉,葉曉,華威,王晚晴,劉文慧,許穎穎,程艷玲.基于污水處理的微藻培養(yǎng)研究進(jìn)展 [J/OL].環(huán)境工程,2016,34(03):1～5.

[2]宋明明.高產(chǎn)油脂能源微藻篩選及其脫氮除磷與油脂積累的優(yōu)化研究[D].山東大學(xué),2016.

[3]王萍.富油微藻在不同污水中的培養(yǎng)與應(yīng)用研究進(jìn)展[A].中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì).2016中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（第二卷）[C].中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì):,2016:5.

張燦(1983.07-)，女，漢，碩士，工程師，目前從事環(huán)境管理、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境污染控制技術(shù)方面的研究。