富油微藻能源開發型處理污水方法研究

張 燦

（徐州市環境保護科學研究所 江蘇徐州 221000）

富油微藻能源開發型處理污水方法研究

張 燦

（徐州市環境保護科學研究所 江蘇徐州 221000）

介紹了一種采用富油微藻進行能源開發方式處理污水的方法，該方法可以生產類胡蘿卜素、氣體燃料和有機肥，能夠將微藻高效用于污水處理領域的同時，獲得較好的高價值附加產物，使微藻作為可持續資源得到了全面利用。

富油微藻；能源開發；污水處理；太陽能轉化

引言

微藻是一類光能自養型單細胞生物，具有種類繁多、光合效率高、生長速度快、適應性強等特點[1]。它們在生長過程中需要消耗環境中的氮磷等營養物質以合成體內復雜的有機質，因此可降低水體中氮磷等物質的含量。與其他油料植物相比，微藻在生產生物柴油方面也具有明顯的優勢。同時，微藻還被認為是具有商業價值的天然類胡蘿卜素的最佳來源，其在生物體內起著十分重要的作用，通過微藻獲得類胡蘿卜素既可擴大天然類胡蘿卜素來源，又可提高藻種的利用價值，但過高的生產成本始終制約著微藻類胡蘿卜素的商業化生產。

由上可見，微藻在污水治理、能源開發等方面具有較高的可塑性，尤其是作為生產生物燃料的可持續和可再生資源受到越來越多的關注[2～3]。同時，從微藻出發還可獲得較好的附加值產物，因此，如何提供一種能夠在對微藻進行高效生物利用的同時，還能夠獲得較好的附加值產物，以全方位開發微藻的新思路將對本領域產生重要意義。

1 技術思路

本方法主要包括以下步驟：

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

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

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

（4）對所收集的沼氣進行凈化處理，分別收集甲烷和二氧化碳；

（5）將部分沼液離心取上清液，對上清液進行培養，并將培養得到的微生物接種到微生物電解裝置中對所收集的二氧化碳進行電解處理，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 實驗研究

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 實驗條件

由于廢水主要可來源自工業、市政、生活、養殖業中，因此廢水中的氮磷鹽的濃度范圍略有差異，但為了確保能夠將其有效應用于微藻生長中，因此，需要在微藻的最初生長體系中先調節好氮磷鹽的濃度范圍，以滿足微藻的生長條件。設定本實驗廢水中的營養物質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 實驗步驟

采用小球藻作為本實驗材料，將水中的小球藻在每天不少于8～16小時的太陽光照射條件下（天氣條件不好時可以采用日光燈代替）在溫度15℃～20℃、光照強度 50～100μmol/(m2s)的條件下生長 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)營養物質和二氧化碳合成微藻生物質，得到微藻液；利用超聲波，超聲頻率為2×104HZ對微藻液進行破壁處理，向處理后的微藻液中加入植物油進行混合，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比約為2:1)一同在暗條件下進行厭氧發酵，發酵溫度在35～55℃，發酵時間約20天后，收集沼氣，并將沼氣發酵后殘留的沼渣和沼液進行分離；對所收集的沼氣進行脫硫，將脫硫后的沼氣壓縮至5～15bar后與增壓至5～15bar的5℃～15℃的循環水以體積比4:1在吸收塔內進行逆流吸收，對吸收塔出口處的氣體利用分子篩進行脫水，得到甲烷，并將吸收有二氧化碳的循環水通入解析塔內使其被解析，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℃下進行培養，并將培養得到的微生物接種到微生物電解裝置(其電能通過太陽能經太陽能電池轉化而來)中對所收集的二氧化碳進行電解處理，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 實驗結果

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

結語

（1）利用太陽能和污水構建污水光生物反應器對微藻進行培養獲得了類胡蘿卜素，而且還利用微藻作為媒介通過結合厭氧發酵過程，將太陽能轉化為氣體燃料，實現污水治理和氣體燃料生產的組合，從而應用于污水治理領域；

（2）采用的整個生物利用方法為一個閉路的循環系統，實現了太陽能到氣體燃料以及類胡蘿卜素和有機肥等高價值附加產物的轉化，不僅解決了傳統微藻生物柴油工藝路線能耗高、能源產出低的不足，還可大大降低類胡蘿卜素的生產成本，是一種太陽能利用的新方法和新工藝；

（3）通過微藻的媒介作用，把太陽能轉化為了可儲存和方便利用的氣體燃料，與太陽能產電、產熱等應用方式相比，擴展了太陽能在交通運輸燃料方面的應用；同時，也可以利用煙道氣等含有二氧化碳的氣體作為微藻培養的碳源，從而實現太陽能轉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研究進展 [J/OL].環境工程,2016,34(03):1～5.

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

[3]王萍.富油微藻在不同污水中的培養與應用研究進展[A].中國環境科學學會.2016中國環境科學學會學術年會論文集（第二卷）[C].中國環境科學學會:,2016:5.

張燦(1983.07-)，女，漢，碩士，工程師，目前從事環境管理、環境影響評價、環境污染控制技術方面的研究。