富油微藻能源开发型处理污水方法研究

张 灿

（徐州市环境保护科学研究所 江苏徐州 221000）

富油微藻能源开发型处理污水方法研究

张 灿

（徐州市环境保护科学研究所 江苏徐州 221000）

介绍了一种采用富油微藻进行能源开发方式处理污水的方法，该方法可以生产类胡萝卜素、气体燃料和有机肥，能够将微藻高效用于污水处理领域的同时，获得较好的高价值附加产物，使微藻作为可持续资源得到了全面利用。

富油微藻；能源开发；污水处理；太阳能转化

引言

微藻是一类光能自养型单细胞生物，具有种类繁多、光合效率高、生长速度快、适应性强等特点[1]。它们在生长过程中需要消耗环境中的氮磷等营养物质以合成体内复杂的有机质，因此可降低水体中氮磷等物质的含量。与其他油料植物相比，微藻在生产生物柴油方面也具有明显的优势。同时，微藻还被认为是具有商业价值的天然类胡萝卜素的最佳来源，其在生物体内起着十分重要的作用，通过微藻获得类胡萝卜素既可扩大天然类胡萝卜素来源，又可提高藻种的利用价值，但过高的生产成本始终制约着微藻类胡萝卜素的商业化生产。

由上可见，微藻在污水治理、能源开发等方面具有较高的可塑性，尤其是作为生产生物燃料的可持续和可再生资源受到越来越多的关注[2～3]。同时，从微藻出发还可获得较好的附加值产物，因此，如何提供一种能够在对微藻进行高效生物利用的同时，还能够获得较好的附加值产物，以全方位开发微藻的新思路将对本领域产生重要意义。

1 技术思路

本方法主要包括以下步骤：

（1）将水中的微藻在太阳光照射条件下在合理的温度、光照强度和盐度的范围下，利用废水中的营养物质和二氧化碳合成微藻生物质，得到微藻液；

（2）对微藻液进行破壁处理，向处理后的微藻液中加入植物油进行混合，静置后回收上层液并进行吸附处理，得到类胡萝卜素；

（3）将静置后得到的下层液在暗条件下进行厌氧发酵，收集沼气，并将沼气发酵后残留的沼渣和沼液进行分离,将分离后的沼渣进行好氧发酵，得到有机肥；

（4）对所收集的沼气进行净化处理，分别收集甲烷和二氧化碳；

（5）将部分沼液离心取上清液，对上清液进行培养，并将培养得到的微生物接种到微生物电解装置中对所收集的二氧化碳进行电解处理，使二氧化碳完全还原为甲烷，合并所得到的甲烷制备气体燃料。

2 实验研究

2.1 材料

采用淡水微藻，淡水微藻选自栅藻(Scenedesmus)、小球藻(Chlorella)、葡萄藻(Botryococcus)、衣藻(Chlamydomonas)、根支藻(Rhizoclonium)、螺旋藻(Spirulina)和颤藻(Oscillatoria)中的至少一种。

2.2 实验条件

由于废水主要可来源自工业、市政、生活、养殖业中，因此废水中的氮磷盐的浓度范围略有差异，但为了确保能够将其有效应用于微藻生长中，因此，需要在微藻的最初生长体系中先调节好氮磷盐的浓度范围，以满足微藻的生长条件。设定本实验废水中的营养物质的主要成分为氮磷盐，氮磷盐的浓度比在1:2～2:1之间，废水中的初始氮磷盐的浓度范围为2～45mg/L。

2.3 实验步骤

采用小球藻作为本实验材料，将水中的小球藻在每天不少于8～16小时的太阳光照射条件下（天气条件不好时可以采用日光灯代替）在温度15℃～20℃、光照强度 50～100μmol/(m2s)的条件下生长 2～15 天，利用废水中的氮磷等(氮磷的钾盐和钠盐的浓度比为1:1.5，初始废水中的氮磷的浓度范围为2～45mg/L)营养物质和二氧化碳合成微藻生物质，得到微藻液；利用超声波，超声频率为2×104HZ对微藻液进行破壁处理，向处理后的微藻液中加入植物油进行混合，其中，植物油与微藻液的体积比为1:3，静置后回收上层液并进行吸附处理，得到类胡萝卜素；将静置后得到的下层液与废水中的少量污泥(下层液与污泥中的干物质比约为2:1)一同在暗条件下进行厌氧发酵，发酵温度在35～55℃，发酵时间约20天后，收集沼气，并将沼气发酵后残留的沼渣和沼液进行分离；对所收集的沼气进行脱硫，将脱硫后的沼气压缩至5～15bar后与增压至5～15bar的5℃～15℃的循环水以体积比4:1在吸收塔内进行逆流吸收，对吸收塔出口处的气体利用分子筛进行脱水，得到甲烷，并将吸收有二氧化碳的循环水通入解析塔内使其被解析，从而将沼气净化处理，分别收集甲烷和二氧化碳；随后，取前述分离得到的部分沼液离心取上清液，将上清液在37℃～44℃下进行培养，并将培养得到的微生物接种到微生物电解装置(其电能通过太阳能经太阳能电池转化而来)中对所收集的二氧化碳进行电解处理，使二氧化碳完全还原为甲烷，合并所得到的甲烷制备气体燃料。

2.4 实验结果

经检测可得，类胡萝卜素的提取率可达86%，所收集的可作为气体燃料的甲烷浓度可达96.5%。

结语

（1）利用太阳能和污水构建污水光生物反应器对微藻进行培养获得了类胡萝卜素，而且还利用微藻作为媒介通过结合厌氧发酵过程，将太阳能转化为气体燃料，实现污水治理和气体燃料生产的组合，从而应用于污水治理领域；

（2）采用的整个生物利用方法为一个闭路的循环系统，实现了太阳能到气体燃料以及类胡萝卜素和有机肥等高价值附加产物的转化，不仅解决了传统微藻生物柴油工艺路线能耗高、能源产出低的不足，还可大大降低类胡萝卜素的生产成本，是一种太阳能利用的新方法和新工艺；

（3）通过微藻的媒介作用，把太阳能转化为了可储存和方便利用的气体燃料，与太阳能产电、产热等应用方式相比，扩展了太阳能在交通运输燃料方面的应用；同时，也可以利用烟道气等含有二氧化碳的气体作为微藻培养的碳源，从而实现太阳能转化气体燃料和二氧化碳减排的双重效果。

[1] 田朝玉,叶晓,华威,王晚晴,刘文慧,许颖颖,程艳玲.基于污水处理的微藻培养研究进展 [J/OL].环境工程,2016,34(03):1～5.

[2]宋明明.高产油脂能源微藻筛选及其脱氮除磷与油脂积累的优化研究[D].山东大学,2016.

[3]王萍.富油微藻在不同污水中的培养与应用研究进展[A].中国环境科学学会.2016中国环境科学学会学术年会论文集（第二卷）[C].中国环境科学学会:,2016:5.

张灿(1983.07-)，女，汉，硕士，工程师，目前从事环境管理、环境影响评价、环境污染控制技术方面的研究。