燃煤煙氣微藻固碳減排技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

李玉國，李 芳

（1.東營市政務(wù)服務(wù)中心，山東 東營 257091；2.東營生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 東營 257091）

我國在可持續(xù)發(fā)展的情況下，生態(tài)文明理念日益深入人心，社會(huì)大眾越來越關(guān)注環(huán)境問題。在我國眾多的環(huán)境問題中大氣污染問題較為嚴(yán)重，其中因煤炭燃燒所產(chǎn)生的煙氣中的污染物對(duì)大氣污染較為突出，燃煤煙氣中含有大量有害化學(xué)物質(zhì)，不僅會(huì)導(dǎo)致大氣層中污染物濃度增加，還會(huì)引發(fā)溫室效應(yīng)。世界各國對(duì)氣候愈發(fā)嚴(yán)峻的問題十分關(guān)注，因此，世界氣候變化大會(huì)對(duì)碳減排目標(biāo)的制定逐漸深入并細(xì)化。

我國十分重視碳減排工作，2020年首次提出：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，其中二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)”。在2021年全國兩會(huì)上，“碳達(dá)峰”“碳中和”首次被寫入政府工作報(bào)告，也進(jìn)一步成為網(wǎng)絡(luò)熱詞，進(jìn)入公眾視線。李克強(qiáng)總理特別指出，實(shí)施金融支持綠色低碳發(fā)展專項(xiàng)政策，設(shè)立碳減排支持工具，要扎實(shí)做好碳達(dá)峰、碳中和各項(xiàng)工作，制定2030年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案。中國作為地球村的一員，將以實(shí)際行動(dòng)為全球應(yīng)對(duì)氣候變化作出貢獻(xiàn)。隨著我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展，微藻固碳減排技術(shù)作為一種新型燃煤煙氣處理模式逐漸興起。微藻固態(tài)減排技術(shù)主要是利用微藻再生技能，對(duì)燃煤煙氣中有害物質(zhì)進(jìn)行分解，如二氧化碳、氮氧化物等，從而達(dá)到治理效果。

1 微藻固碳減排技術(shù)原理

微藻固碳減排技術(shù)主要是通過微藻生物對(duì)氣體中的污染物進(jìn)行處理，如二氧化碳等。硅藻種類較多且其繁殖速度較快，可以通過自身機(jī)能吞噬水中的微生物、雜質(zhì)、浮游生物作為生長養(yǎng)分。微藻在生長過程中需要充足的陽光來保證生長速度，污染物中有大量碳元素，且二氧化碳可以促進(jìn)微藻生長。因此，燃煤企業(yè)可以利用微藻建立微藻固碳減排技術(shù)，將氣體中的二氧化碳進(jìn)行溶解，利用相應(yīng)容器將其進(jìn)行收集并傳送到微藻溶液里，利用微藻細(xì)胞將二氧化碳進(jìn)行固定，避免二氧化碳停留在空氣中污染空氣，以此減少氣體中的二氧化碳，達(dá)到固碳效果。同時(shí)可以收集有用物質(zhì)轉(zhuǎn)化為微原料或者能源，形成良性循環(huán)，大幅度降低燃煤企業(yè)處理成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。由于微藻固碳和微藻生長情況緊密相關(guān)，因此，必須對(duì)外界條件進(jìn)行調(diào)整改善，提高微藻生長速度，從而增加微藻對(duì)二氧化碳的吸附與處理作用。

燃煤煙氣中還含有部分氮氧化合物，目前，我國對(duì)于氮氧化合物的處理方式主要是利用特定儀器對(duì)其進(jìn)行處理，雖然這樣可以保證處理效果，但也會(huì)間接加重能源消耗，而利用微藻固碳減排技術(shù)可以大幅度提高處理效果。微藻可以利用自身機(jī)能將碳氧化合物進(jìn)行吸收，但需要注意的是，微藻將其吸收后自身形態(tài)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)改變，因此，要想保證處理質(zhì)量，就盡量讓微藻吸收大量碳氧化合物，讓其自身形成相應(yīng)化合物，從而達(dá)到減排效果。

2 微藻固碳減排技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 藻種篩選

微藻對(duì)于環(huán)境要求較高，尤其是環(huán)境中的酸堿度，因此，進(jìn)行微藻培養(yǎng)時(shí)要注意酸堿度。燃煤煙氣中含有大量酸性物質(zhì)，如二氧化碳、二氧化氮等，當(dāng)這些物質(zhì)積累到一定程度時(shí)空氣中的酸堿度就會(huì)增加，影響微藻生長情況。一般情況下，淡水真核藻類可以在酸堿度為5～7的環(huán)境下生長，而原核藍(lán)藻需要在酸堿度為7～9的環(huán)境中生長。因煙氣中含有大量重金屬，也會(huì)對(duì)微藻的生長產(chǎn)生一定影響，所以在進(jìn)行燃煤煙氣處理時(shí)應(yīng)該選擇耐受度較高微藻。在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)二氧化碳在培養(yǎng)基中溶解以后，藻液酸堿度就會(huì)降低，藻細(xì)胞中酶活性質(zhì)也會(huì)降低，在一定程度上影響了藻液光合作用，抑制微藻生長，并且藻液中細(xì)胞也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，如生化組分、硝酸還原酶等，這些物質(zhì)活性因子都會(huì)下降，不同藻類反應(yīng)程度都有所不同。大多數(shù)微藻在二氧化碳含量為1%～5%之間的環(huán)境中就可以進(jìn)行生長，而一小部分微藻可以在高濃度二氧化碳下進(jìn)行快速分裂，如藍(lán)藻、小球藻等。利用硅藻固態(tài)減排技術(shù)進(jìn)行處理時(shí)要根據(jù)藻類品種選擇相應(yīng)的處理方式，對(duì)于耐受度較低的微藻就需要先對(duì)燃煤煙氣進(jìn)行預(yù)處理，形成亞硫酸堿鹽和硫酸鹽來抑制硅藻的生長[1]。

除了需要對(duì)微藻品種進(jìn)行合理科學(xué)的選擇以外，還需要采取一些其他的措施，例如，對(duì)煙氣進(jìn)行適當(dāng)稀釋，降低煙氣中污染物濃度，或者對(duì)微藻進(jìn)行馴化培養(yǎng)以提高生存率，讓其能夠適應(yīng)煙氣中的酸堿程度，通過自身生長來降低煙氣中污染物。對(duì)于條件允許的區(qū)域，相關(guān)部門還可以對(duì)微藻進(jìn)行基因改造，利用物理、化學(xué)誘變技術(shù)，讓微藻產(chǎn)生突變并適應(yīng)煙氣中的環(huán)境，從而達(dá)到減排效果。

2.2 光生物反應(yīng)器

光生物反應(yīng)器可以為微藻創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，因?yàn)槲⒃暹_(dá)到生長要求需要進(jìn)行光合作用，所以光生物反應(yīng)器就顯得尤為重要，它會(huì)為微藻提供相應(yīng)物質(zhì)如光照、二氧化碳、營養(yǎng)物質(zhì)等。光生物反應(yīng)器根據(jù)形態(tài)不同可分為開放式和封閉式，不同形態(tài)的反應(yīng)器都存在一定的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。例如，開放性光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較為簡單，對(duì)于操作人員要求較低，并且處理成本較低，但占地面積大，可控性能差，容易滋生細(xì)菌，會(huì)導(dǎo)致原生物出現(xiàn)污染，影響處理效果。而封閉式光生物反應(yīng)器則完全相反，其占地面積較小，污染性較低并可控性高，但其結(jié)構(gòu)以及操作難度都較大并且成本較高。因此，一般情況下開放式光生物反應(yīng)器主要是進(jìn)行工業(yè)化培養(yǎng)，封閉式是在實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模培養(yǎng)中應(yīng)用。光生物反應(yīng)器對(duì)微藻細(xì)胞光能利用率和二氧化碳有著緊密聯(lián)系，其設(shè)計(jì)合理性、科學(xué)性將會(huì)直接影響微藻培育情況，所以必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化、改良，讓光生物反應(yīng)器能夠培育出更多優(yōu)質(zhì)的微藻，為后續(xù)燃煤煙氣處理提供基礎(chǔ)。最近幾年，隨著聚乙烯、聚四氟乙烯材料的廣泛應(yīng)用，光生物反應(yīng)器逐漸向著袋式反應(yīng)器發(fā)展，袋式反應(yīng)器可以大面積節(jié)約處理空間，降低處理成本，并且較為便利，可以隨意進(jìn)行折疊移動(dòng)，大幅度提高微藻的生存率。

2.3 曝氣方式

燃煤煙氣中的二氧化碳是決定微藻固碳減排技術(shù)重要因素之一，但二氧化碳擴(kuò)散率較低，因此需要采取一定的技術(shù)措施，增加二氧化碳與微藻之間傳輸效果。根據(jù)雙膜理論，可分為不同階段：首先二氧化碳通過細(xì)胞中主流區(qū)傳遞到附近薄膜區(qū)，再經(jīng)過氣液界面擴(kuò)散到薄液膜區(qū)，最后經(jīng)過液相主流區(qū)到達(dá)氣液界面，以此為微藻后續(xù)生長提供相應(yīng)能源。二氧化碳在進(jìn)行傳遞過程中需要跨過薄氣膜、薄液膜，也會(huì)產(chǎn)生較大阻力，同時(shí)二氧化碳傳遞速度還和其他因素有關(guān)，如傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)面積，氣體成分等。實(shí)際工作中可采用曝氣機(jī)對(duì)藻液進(jìn)行處理，如攪拌、混合，減少氣液膜之間阻力，讓二氧化碳能夠快速進(jìn)入到硅藻細(xì)胞中，提供相應(yīng)能源。曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)氣泡有直接影響作用，如上升速度、氣泡分布、混合速度等，讓小氣泡在生長過程中可以將其面積延伸，減少其上升速度與混合時(shí)間，為二氧化碳傳輸留足相應(yīng)時(shí)間[2]。

3 結(jié)論

總之，微藻固碳減排技術(shù)作為一種新型燃煤煙氣處理技術(shù)，對(duì)我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”的目標(biāo)有著極為重要的促進(jìn)作用。利用微藻固碳減排技術(shù)可以大幅度提高燃煤煙氣處理效果，使空氣質(zhì)量得到改善，為社會(huì)大眾日常生產(chǎn)、生活提供相應(yīng)保障。但微藻固碳減排技術(shù)很容易受到外界因素影響，所以需要對(duì)此進(jìn)行深入研究，為燃煤煙氣綠色減排提供新思路，為我國全面落實(shí)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)奠定良好基礎(chǔ)。