• 快讯 中国石化成功开发微藻生物质利用成套技术

    来源专题:微藻光驱固碳合成生物燃料产品的关键技术研究
    编译者:王阳
    发布时间:2021-01-10
    谈起微藻,很多人常常联想到湖面上绿油油的浮萍。在诗人的世界里,它无根无依靠,随风东西流。然而,作为世界上最简单也最原始的生物之一,微藻就像一个有待开发的巨大宝藏,经过加工,它能制成保健品、化妆品及高品质饲料等,用途广泛,甚至还能与能源变革产生联系。   多年以来,中国石化石油化工科学研究院微藻生物技术研发团队瞄准微藻高值化利用的方向,锁定微藻用于减排氮氧化物(NOX)和二氧化碳的关键科学问题,开展深入研究,开发了从烟气NOX高效固定、优良藻种选育、微藻规模养殖、采收加工到微藻生物质利用的全产业链成套技术,创新提出微藻脱硝组合工艺,实现改善环境污染与生产生物能源的集成,验证了微藻高值化利用技术路线的可行性。“微藻用于NOX和二氧化碳减排的集成与创新”项目获得中国石化2019年度前瞻性基础性研究一等奖。   基础研究探索本质   能源、环境和食物是人类可持续发展面临的重大问题。化石能源过度使用造成的环境污染日益严重,而现有脱硝技术运行成本高,且存在二次污染等问题。此外,我国还是全球蛋白质原料最大进口国,每年进口大豆近1亿吨,蛋白质原料对外依存度甚至超过石油,开发新的蛋白质来源意义重大。   微藻被称为由阳光驱动的“活化工厂”,可在常温常压条件下,将无机碳、氮高效转化为有机碳(主要为糖类与油脂)和有机氮(主要为蛋白质)。中国石化新能源研究所所长、石科院微藻生物技术研发团队带头人荣峻峰介绍到,微藻易养殖、生长速度快,石油化工企业在生产过程中排放的大量烟气、废水和低温余热,如果能利用起来为微藻生长提供充足营养和适宜温度,再通过微藻减排NOX和二氧化碳,处理废气废水,同时生产微藻生物质,进一步转化为微藻蛋白或微藻生物柴油等高价值生物产品,可谓一举两得。   然而,现有微藻脱硝技术由于尚不成熟,一直无法满足工业应用对效率和稳定性的要求。荣峻峰认为,技术的不成熟,归根到底在于对其基本原理理解得不透彻。从2010年起,荣峻峰和团队开始介入微藻生物技术领域,剖析微藻脱硝技术背后所隐藏的科学本质。   NOX在水中溶解度低,就对氧化体系中NOX的化学吸收过程进行分析,找出提高吸收率的关键点;NOX高效脱除的条件与微藻生长的适宜条件不一致,就将化工过程和生物过程分离,分别进行优化后再结合;微藻对脱硝产物亚硝酸盐耐受性差,就对微藻细胞氮代谢机制进行研究,提高氮转化效率。开展烟气耐受的藻种采集、分离纯化、驯化筛选及性能评价,获得了能高效固定NOX和二氧化碳的优势藻种35株,建立起藻种库。   通过层层分解,团队从反应原理、传递过程及细胞生理状态等不同角度,对NOx固定与微藻生长所涉及的各个环节开展基础研究,充分掌握了实验现象背后蕴含的科学规律。   技术开发锐意创新   有了理论基础的指导,团队开始着手进行技术开发。在建立技术体系之前,首先要确定微藻的养殖模式。   通常微藻养殖分为自养和兼养两种模式:自养即微藻以阳光为能源进行生长,具有成本低、技术简单、易于大规模养殖等优势,但自然光的能量密度低,存在着生长速度慢的缺陷;兼养即微藻同时利用光能和外源有机物作为能源生长,这种模式生长速度快、脱氮效率高,但养殖成本高。两种技术路线各有优劣,到底选择哪种方式更合适?团队中存在不同意见。   关键时刻,荣峻峰带领团队放下了对养殖方式优劣的争论,将目光投向脱硝技术的需求方——污染源。   石油化工技术复杂多样,排放含氮污染物的质与量也有很大差异,单一的技术路线很可能无法满足未来工业化应用对脱硝技术的需求。在对需求进行精准分析后,荣峻峰提出两条路线并行开发的思路:自养适合用于处理低浓度大流量的含氮污染物,兼养则更适合用于处理棘手的高浓度含氮污染物。两种技术路线并行使用,可极大程度提升工艺的适应性,进而提高技术应对复杂市场需求的整体竞争力。   明确了方向后,团队成员迅速开展技术开发与实验室小试、中试研究,在新型光生物反应器、光能兼养技术、微氮刺激技术、养殖液循环利用技术、微藻高效采收与亚临界油脂提取等方面实现创新与突破。再将各单项技术进行有机整合,率先建立了完整的微藻脱硝组合工艺,实现了烟气脱硝与微藻养殖既紧密耦合又独立运转。   截至目前,团队已申请中国专利60件,获授权34件,申请国外专利10件,在美国、日本和欧洲已获授权,构建起完整的专利网。相关研究成果得到可再生能源全球创新组织的肯定,认为“该成果首次提供了一种利用微藻进行实际大规模烟气减排的可能性与工业化策略”。   未来发展生机无限   微藻应用于环境保护是一个典型的跨学科研究课题,涉及化学化工、环境科学与生物技术多个领域。石科院微藻生物技术研发团队的成员也有着丰富的学科背景,有研究微藻出身的科班力量,有工程开发经验丰富的技术专家,还有干了大半辈子石油化工,依然保持着对新领域新知识的渴求,选择踏入微藻行业的“新人”。知识、阅历及经验不同的成员们在一起交融碰撞,形成了一支思路开阔、执行力强、分工明确而又团结互助的优秀队伍。   在传统石化行业眼中,微藻生物技术还是一个新鲜事物。技术好不好用、能不能满足需求、成本效益情况如何,是用户最为关心的问题。而这些问题,都有待于工业示范试验来验证。   目前,微藻脱硝技术正在中国石化催化剂公司长岭分公司、石家庄炼化分公司与湖北化肥分公司开展工业示范试验。为保证试验的顺利进行与数据的完整可靠,团队成员积极投身到一线工作中,长期驻守在试验装置现场,对装置的运行情况进行密切监控,及时解决实验过程中出现的问题。   随着我国生态文明建设不断推进,发展绿色经济、低碳经济、循环经济是大势所趋、潮流所向。展望未来,微藻脱硝技术能够利用污染物生产高价值生物产品,化腐朽为神奇,实现环境保护与社会经济发展的和谐统一,具备无限的潜力。这一方案也将为中国石化践行绿色发展、履行低碳责任,成为循环经济的引领者提供一条颠覆性技术路线,成为“绿水青山就是金山银山”这一科学论断的有力注解。
  • 快讯 你见过这样的“跨界合作”吗?神奇的微藻吸的是二氧化碳吐的却是燃料

    来源专题:微藻光驱固碳合成生物燃料产品的关键技术研究
    编译者:王阳
    发布时间:2021-01-10
    国家自然科学基金创新研究群体项目设立于2000年,旨在支持优秀中青年科学家为学术带头人和研究骨干,围绕某一重要研究方向合作开展创新研究,培养和造就在国际科学前沿占有一席之地的研究群体,是目前我国学术影响力最大、竞争最为激烈的人才计划类项目。此次是重庆大学时隔6年后再次入选该项目,也是重庆大学第4个入选团队。 神奇的微藻 吸的是二氧化碳吐的是燃料 目前,我国70%的发电量仍然靠燃煤电厂,而煤燃烧排出的废气,尤其是二氧化碳对环境影响日益显著,温室效应就是其中之一。 重庆大学能源与动力工程学院院长廖强教授团队所在的低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,恒温室里用各种器皿培养的绿色的微藻。记者了解到,这些只有微米级别大小的微藻就像一个细胞工厂,能源源不断地把二氧化碳以及废水中的氮、磷等废弃物质转化为富含油脂、碳水化合物、蛋白质的生物质。 “油脂可以被转换成生物柴油,替代我们现在所依赖的化石燃料。虽然微藻有这么大的潜力,但目前微藻能源转化还存在能耗高等重大瓶颈。”廖强教授介绍,为了降低能耗,他们将多相流传递强化理论应用于高效微藻光生物反应器开发,并充分利用太阳能来代替微藻能源转化过程对电能及其他能量的依赖。 廖强教授团队成员夏奡教授介绍,他们发现在自然中的微生物转化制备燃料的效率偏低,而他们和重庆大学生物工程学院团队的深入合作获得了改良菌株。 他们还将借助多学科交叉的优势开展新型仿生反应器的研究,这一领域他们瞄准了白蚁。 生物工程学院院长蔡开勇表示,白蚁是非常高效的生物系统,对木质纤维素类生物质废弃物降解速率快,通过深入研究白蚁的消化过程机理,解析白蚁消化系统的关键物理结构、复合菌与生物酶的协同关系等,构建新型仿生反应器,以实现生物质废弃物的高效转化制备燃料。目前,通过联合该校生物工程学院团队开展研究,有望在白蚁消化系统代谢路径解析、高效工程菌株构建方面取得突破。 用一枚戒指推动一辆车?跨界合作降低成本 我们都知道,氢燃料电池凭借清洁、高比能量、高能量转换率、运行无噪音等优势,已成为现代工业最理想、潜力最大的新能源技术。而氢燃料电池汽车作为新能源汽车的主要技术路径之一,近年来发展势头迅猛。但目前,使用氢燃料电池的汽车仍存在成本高的问题。 “地球上的氢元素虽然十分丰富,但主要以水的形式存在。”重庆大学化学化工学院院长魏子栋教授介绍,目前,电解水制氢因电费花费高导致其和化石燃料重整制氢相比,没有价格优势。然而,随着廉价可再生能源的普及和电解水催化剂的技术突破,基于可再生能源的电解水制氢,以及氢燃料电池是未来新能源技术的发展方向。 “氢燃料电池同样面临降低成本的挑战。”他举例称,目前,先进的燃料电池仅使用一枚铂金戒指的贵金属,就能推动一辆小轿车,尽管如此,但是铂的储量非常有限。开发高效、低成本、可持续的替换铂等贵金属的燃料电池技术是其商业化的关键。目前,重庆大学化学化工学院与能源与动力工程学院、生物工程学院等专家联合,将多学科、跨领域联合攻关,以实现这一目标。 跨学科交叉 强强联合共同解决科学问题 重庆大学能源与动力工程学院朱恂教授介绍,目前团队中有18位具有交叉学科背景的核心学术骨干。“大家各显神通,在生物质能利用、电化学能源转化等领域深耕钻研。”朱恂介绍,团队每位老师和学生多有自己所擅长的方向和领域,团队跨学科交叉,强强联合,在前沿科学研究的项目上共同解决相关的科学问题。 据了解,“多相反应流传递与转化调控”科研团队依托工程热物理国家重点学科、动力工程及工程热物理一级博士授权点、低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室、化工过程强化与反应国家地方联合工程实验室和生物流变科学与技术教育部重点实验室,共同围绕能源高效清洁转化和利用中多相反应流传递与转化调控的关键热物理基础科学问题和应用技术问题,长期致力于多相流热质传递强化与调控、多相化学反应流传递调控和多相生物转化过程强化等方面的交叉前沿和应用基础研究,在国内外享有盛誉,在国际SCI刊源学术刊物发表论文960多篇。 重庆大学相关负责人表示,“十三五”期间,重庆大学科技创新各项关键数据均实现“倍增”。国家级标志性人才从66人次增至158人次,在国家科技进步一等奖、大科学装置培育、《Nature》《Science》正刊论文等方面也取得历史性突破。  
  • 快讯 微藻生物膜培养装置的研究进展

    来源专题:微藻光驱固碳合成生物燃料产品的关键技术研究
    编译者:王阳
    发布时间:2021-01-10
    1 绪论     微藻生长速度快且含有丰富的营养物质,可作为各类高附加值生物产品(如生物柴油、生物饲料等)的原料,因此其工业化培养越来越受到人们重视。悬浮培养是目前应用最广泛的微藻培养方式,其代表性装置为开放跑道池和各种密闭的光反应器。RWP操作方便,结构简单,运营和投资的成本低,是微藻商业化生产的主要设施。但RWP存在许多不足,例如生物量生产率低;水分蒸发严重;极易受到污染等。针对RWP的缺点,研究者开发出了各种PBR,根据形状可分为管状光生物反应器、平板光生物反应器和箔状光生物反应器。  PBR对养分、光照和温度等参数的有效控制显著提高了微藻的生产效率;封闭的空间避免了外界环境对微藻培养液的污染和水分的大量蒸发。但PBRs过高的表面积体积比导致了反应器内严重的光抑制和氧气积聚;技术的复杂性又导致建设和运营成本高昂。由于缺乏高效、低成本的大规模种植技术,目前以微藻为原料生产各类产品并不具备经济可行性。 近年来,一种新的微藻培养模式一一生物膜培养引起了人们的极大兴趣。在这种培养模式中,微藻细胞附着在固体基质表面以生物膜的形式生长,培养装置运行稳定性高且需水量低,在微藻生物膜生长成熟后,可直接通过机械手段刮取藻细胞,操作简单,技术难度低,可使采收成本大幅度降低。本文分类介绍了目前常见的微藻生物膜培养装置,总结了其在微藻培养及污水处理领域的优势,并对其未来的发展方向进行了讨论。 2藻类生物膜培养装置 微藻生物膜培养装置是微藻生物膜技术由理论研究迈向工业化生产所需的条件。为了使微藻生物膜培养装置的性能达到工业化生产的要求,研究者设计了各种类型的反应器。目前常见的藻类附着培养装置有藻萍净水系统 ATS、旋转光生物反应器 RAB、多孔介质光生物反应器 以及附着-悬浮光生物反应器。 2.1,藻萍净水系统                   image.png                                      图1:藻萍净水系统                                                        ATS装置是最早出现的微藻生物膜培养装置,这种满液式的连续流反应器结构简单,运行稳定,利用水泵驱动培养液在生物膜表面流过,借助水流的扰动打破气液界面的扩散边界层,增加CO2和养分的传输效率。但是流经生物膜表面的水层也会导致光的散射,降低了光能利用率。 ATS在污水厂出水深度处理,养殖废水处理及农业用水处理等方面应用都十分广泛。 2.2、旋转光生物反应器 image.png 图2:旋转光生物反应器                                                     根据旋转生物接触器的原理,研究者设计了如图2所示的旋转藻盘光生物反应器。通过电机带动圆盘旋转,使藻细胞周期性地与培养液和空气接触,当藻细胞浸入培养液时,吸收营养基内的营养物质;当藻细胞进入空气时,直接从空气中吸收二氧化碳和光能。这种培养方式提高了微藻在载体上的牢固性,更有利于微藻生物质的积累。 基于Algadisk的原理,研究者开发了中试规模的旋转光生物反应器,并将其与污水处理联合,利用污水中的氮、磷等元素作为营养物来源,不但降低培养成本,也能对污水进行净化。Logan等人发明了旋转筒式藻类生物膜反应器,利用缠绕了绳索的滚筒状不锈钢框架代替了旋转藻盘光生物反应器中的圆形转盘,微藻细胞附着在绳索上生长。当生物膜达到一定厚度后利用配套的收割装置挤压绳子收获藻类生物量,一定程度上实现了微藻生物膜的机械化收获。 Wen等人开发出了一种旋转辊轴藻类生物膜反应器,将载体材料缠绕到两个辊轴上,通过辊轴的转动带动载体转动。 2.3、多孔介质光生物反应器 image.png 图3:多孔介质光生物反应器                                               PSBR反应器(图3-a最初被用作藻类生物传感器,但后来被广泛应用于微藻培养。PSBR反应器由多个竖直单元平行排列组成,每个单元由微藻附着层和多孔介质营养供给层构成。培养液在泵的驱动下在多孔介质层内循环,在毛细力和重力的作用下扩散到微藻附着层,微藻源源不断的获得营养物质进行生长。PSBR反应器的优势在于, 1)通过各单元的竖直布置解决了培养系统占地面积的问题,大大提高了单位土地面积上微藻生物质的生产力;   2)微藻生物膜直接暴露在空气中,更有利于CO2和光照的传递,还可以根据光照强度调节各垂直单元之间的距离,避免光限制或光抑制现象;   3)微藻生物膜不直接和培养液接触,完全避免了水流对生物膜的冲刷作用 。 目前大部分的PSBR装置营养基的循环通过泵驱动,这是除了微藻收获外最大的能源消耗工序。研究者依据植物的蒸腾作用开发了一种新型的PSBR装置图3-b,利用蒸腾力和毛细力驱动营养物质在多孔介质层的传输,在能源节约方面有重大意义。然而,目前这种类型的PSBR反应器并不是十分完善,存在着由于营养物质传输不足导致微藻生物量生产力低下的问题。 2.4 附着一层悬浮光生物反应器     根据活性污泥法中流化床和固定床的原理,一些研究者通过额外投加载体的方式对藻类悬浮培养装置进行了强化,得到了一些悬浮与附着相结合的光生物反应器。Zhang等将珊瑚绒材料作为载体强化跑道池处理生活污水,COD,  TN,  TP的去除率分别可达86.61%,  73.68%,  89.85%,最高生物质生产力可达8.1 g·m-2·d。 Zhuang等将亚麻载体投加到PBR反应器中,发现载体的加入使微藻生物量最大增加30% 。 适量的载体的加入并不会对反应器中悬浮生长的藻类产生光抑制,研究表明附着一悬浮光生物反应器中悬浮生长的藻类生物量生产力与单纯的悬浮培养体系差距不大,因此附着在载体上的藻类生物量可以看作微藻生物量的增量。除此之外,随着载体的加入,曝气产生的气泡在反应器中的停留时间大大增加,提高了二氧化碳的利用效率,这也是附着一悬浮光生物反应器生物量产率提高的原因之一。 3、微藻生物膜培养装置的优势 微藻生物膜培养装置的可以有效避免悬浮培养装置中诸如CO2传质效率低,光和水利用效率低,藻细胞收获困难等一系列问题。 3.1 CO2传质效率高 在悬浮培养装置中,液体培养基将微藻细胞与周围的气相分离,必须克服气液界面才能进入培养液中被藻类细胞利用。由于较低的传质效率,悬浮培养装置中培养液CO2浓度对微藻细胞的生长有显著影响。目前大多通过曝气或搅拌的方式为微藻生长提供充足的无机碳源,但这样做不仅会增加生产成本,强搅拌或曝气带来的水流剪切力也会干扰微藻的生长。微藻生物膜培养装置中藻细胞可以长期或间歇性的暴露在空气中直接接触气态CO2,扩散路径短,传质效率高,有效解决了CO2供应问题。研究发现在没有CO2供应装置的微藻生物膜培养装置中微藻依旧可以快速生长。这可能是微藻生物膜中CO2传质效率高,即使在较低的CO2浓度水平下,微藻仍能从气相吸收足够的CO2作为碳源。 3.2、光照利用效率高 在悬浮培养装置中,约10%的总入射可见辐射光因为反射在水-空气表面消散,光照利用效率不高。在微藻生物膜培养装置中,藻细胞长期或间歇性暴露在空气中,这部分光损失可以被微藻有效捕获用于光合作用。其次,由于光照直接作用于藻细胞,悬浮培养中普遍存在的光穿透问题也在微藻生物膜培养装置中得到了很大的缓解。 3.3、水的利用效率高     对微藻工业化生产来说,巨大的用水量是一个难以承受的负担。相关研究表明在悬浮培养装置中生产1吨微藻要消耗200吨的水。但在微藻生物膜培养装置中,仅需少量培养基流经生物膜表面即可维持微藻正常生长,这为大幅度降低藻类培养的需水量提供了可能。 Ozkan等研究发现使用附着培养装置生产1kg的微藻需要约1600 L的水,与开放池塘相比减少了45%。  Gross等在能量平衡分析的基础上,建立了RAB系统蒸发失水模型,并进行了实验验证,虽然RAB的蒸发损失较高,但每单位生物量的耗水量仅为跑道池的26%。 3.4、土地利用率高     相比于悬浮培养装置,微藻生物膜培养装置独特的几何结构会大幅度提高土地利用率。在悬浮培养装置中,因为光的穿透限制,水的深度有限,垂直方向的空间难以有效利用。微藻生物膜培养装置多采用平行竖直布置,单位土地面积上的生物培养面积远超过悬浮培养装置,显著提高了土地的空间利用效率。这意味着在相同面积的土地上微藻生物膜培养装置拥有更高的生物量生产力和废水处理能力。Liu等研究发现以生物膜形式培养的微藻单位面积生产力能达到50-80 g·m-·d,是生物量生产力是悬浮培养的4-7倍,这在土地紧张的地区意义重大。 藻类被广泛认为可以有效去除生活污水中的营养物质,然而城市有限且昂贵的土地限制了藻类悬浮培养装置在污水处理中的应用。微藻生物膜培养装置较高的土地利用效率为藻类在污水处理领域的实际应用提供了可能。 3.5、微藻收集方便     悬浮培养装置中藻细胞密度非常低,RWP中藻类细胞浓度仅为0.5 g/L(藻类干重0.05%或含水量99.95%)。  PBRs中约为2-6 g/L(藻类干重0.2- 0.6%或含水量99.4%一99.8%)。此外藻细胞密度与水相近,尺寸仅微米大小(2-30 μ m) 。这导致从悬浮培养系统中收获藻类是一件非常困难的事情。目前常用的絮凝沉降-离心工艺需消耗大量的能量和时间才能收获藻类’。最近一项关于微藻生产生物燃料的技术经济研究报告表明,从悬浮培养基中收获藻细胞的花费占总成本的20%。除此之外,有研究表明化学絮凝剂的大量使用还会对藻细胞和环境造成破坏。     为了降低成本,研究者又开发了基于藻类一细菌、藻类一真菌或藻类一藻类相互作用的生物絮凝技术。这种方法可以高效且节能的捕获悬浮藻细胞,而且一般不会造成二次污染。但生物絮凝同样存在不足之处,如果使用细菌或真菌促进藻类絮凝,在收获的藻类中往往会含有一定数量的细菌或真菌,目前的技术水平无法将细菌或真菌和藻类有效分离,收获的藻类仅能用来生产生物燃料,无法用来生产各种高附加值的生物产品。藻类一藻类生物絮凝不需要对收获的藻细胞进行分离处理,但具有自絮凝能力的微藻种类和数量并不是很多,往往需要对非絮凝藻株进行基因工程改造,这又对生态安全造成了潜在威胁。     在微藻生物膜培养装置中,微藻附着在材料表面以生物膜的形式生长,天然地与培养基分离,可以通过机械刮取的方式收获,不需要离心等高能耗过程。研究表明刮取收获的生物质中藻细胞含量约为10%-20%,与悬浮培养絮凝一离心步骤处理后的藻液浓度相近,完全可以满足下游处理的需要4、微藻生物膜培养装置在水处理领域的应用     Pittman等人回顾了藻类生物燃料生产的潜力,认为基于目前的技术,不使用废水的藻类养殖不具有经济可行性。   Lundquist等人分析了藻类废水处理与生物燃料生产的几种不同案例,认为只有使用废水作为培养基才能生产具有成本竞争力的生物燃料。因此微藻生物膜技术在水处理领域的应用前景受到人们的广泛关注,相关研究结果表明在水处理领域微藻生物膜技术比悬浮培养更具潜力,具体表现在以下几方面。    1)微藻生物膜培养装置避免了悬浮培养中普遍存在的冲刷问题。微藻基于同化作用吸收废水中的营养物质,因此反应器中微藻生物量是影响废水处理效率的关键因素。废水中氮磷的浓度远低于BG11等培养基中氮磷的浓度,因此需要高供给流量才能维持微藻的生长,但这也会导致严重的冲刷问题,不利于维持反应器中高生物量和出水水质。在微藻生物膜培养装置中,微藻附着在载体上生长,可以有效地避免冲刷问题,藻类生物量生产力和养分去除效率显著提高     2)微藻生物膜培养装置对污染物的去除效果更强。微藻胞外聚合物为微藻类提供了大量官能团和结合位点,这些官能团及结合位点可以通过静电作用或络合作用与污染物相结合,提高了微藻对污染物具有良好的去除效果。研究表明微藻胞外聚合物含量越高,微藻对污染物的去除效果越强。微藻生物膜系统胞外聚合物的含量远远高于悬浮体系,因此对污染物的去除效果远远超过悬浮藻类。王爱丽等研究了不同生长模式下铜绿微囊藻球对合成污水中污染物的去除,经过5天的处理,生物膜中铜绿微囊藻对合成污水中P的去除率为69.19% ;  N的去除率达到了92.92%,而悬浮生长的铜绿微囊藻的去除效果相对差很多,P和N的去除率分别只达到了26.77%和36.54% 。     微藻生物膜培养装置在处理工业废水时更具优势。黄国兰等研究了蛋白核小球藻对染料深棕NM的去除效果,两天内小球藻生物膜对染料的去除率可达80.5 %,而悬浮小球藻仅为18.5% 。     3)微藻生物膜培养装置耐冲击负荷强。微藻生物膜培养装置中的微藻及其他微生物聚集成群以生物膜的形式生长,在局部构成了稳定的微环境,对pH,温度、浊度、毒性冲击等的抵抗力远远超过悬浮培养装置。即使在极端胁迫下部分微生物消失,其余的微生物仍然能够存活,从而保证了微藻生物膜在极端环境下的生长。此外,微藻生物膜丰富的胞外聚合物也能够缓解极端环境对微藻细胞的破坏。Orandi等研究发现即使在重金属浓度极高的矿山废水中,以蓝细菌和绿藻为主要物种的生物膜依旧能够存活,并且可以有效吸附废水中的重金属     由于设计原理不同,各种微藻生物膜培养装置适用于不同种类的污水,表1详细介绍了微藻生物膜培养装置在水处理领域的表现。 image.png 5、结论与展望     具有良好性能的微藻生物膜培养装置是微藻工业化生产的必备条件,截止到目前为止已经有很多学者进行了相关研究且取得了颇多的成果,但关于微藻生物膜培养装置的研究还存在一定的局限性,有待进一步的研究。 1)在已报道的微藻附着培养装置中,绝大多数仍处于实验室规模,中试规模的系统到目前为止也非常有限,只有ATS系统得到了商业化应用,到目前为止还无法进行可靠的成本分析。在今后的研究中应着眼于将微藻生物膜培养装置应用于工业化规模的生产环境。   2)目前研究中涉及的各种微藻生物膜培养装置在接种和采收时大量使用人工,仅少部分研究对附着培养的机械自动化操作进行了讨论。在未来更大规模的微藻生物膜培养装置中,自动化机械的引入是必然趋势,关于这方面的研究亟待加强。 3)微藻生物膜培养装置中,载体材料的性能对微藻生物膜的微藻的产量和成本决定性作用。具有高表面能的材料(纸、棉制品等)由于良好的附着性能被广泛地应用在各类附着培养装置上,但这些材料耐久性很差,需要进行频繁的更换,不利于藻类商业化生产。未来规模化的附着培养体系中急需一种兼具良好附着性和耐久性的载体材料。
  • 快讯 未来市政污水处理技术路在何方?以微藻-菌颗粒污泥工艺为例

    来源专题:微藻光驱固碳合成生物燃料产品的关键技术研究
    编译者:王阳
    发布时间:2021-01-10
    传统活性污泥(CAS)工艺作为市政污水处理的核心技术已有100多年的历史。然而,随着未来污水处理技术对能源消耗、碳排放和排放水质要求的不断提高,CAS工艺已略显乏力。例如,CAS工艺通常需要消耗大量电能曝气用于氧化污水中的有机物和氨,同时释放温室气体(GHG)。据报道,2017年市政污水处理所消耗的电能已达到全球电量消耗的0.3-0.5%,而在某些发达国家该占比可达到3-5%,而污水处理过程中所释放的温室气体可占全球全年(2010年)排放量的1.6%。 另一方面,随着环境与生态保护要求的不断提高,市政污水处理的排放标准亦不断提高,如部分省份/地区已出台政策将排放标准提高至地表水IV类标准。显然,传统的CAS工艺难以满足升级后的水质排放要求。因此,近年来越来越多的研究致力于探索污水处理的升级技术。其中,在已有CAS工艺基础上叠加深度处理工艺单元是目前主要的研究方向之一。然而,该升级策略的污水处理工艺虽然可以实现较高的出水水质,但却使整个处理系统的复杂性和处理成本提高,同时增加了能源消耗和温室气体排放。显然,这种由上而下驱动的升级策略只能提供短期解决方案,而不能为未来市政污水处理技术的革新带来曙光。 未来的市政污水处理技术应该具备哪些基本特质?研究作者认为,未来的处理技术应使市政污水处理厂(WWTP)在满足污水处理的基本属性外,应在更广阔的方面扮演重要角色。如图1所示,未来的市政污水处理厂应成为:1)生产高质回用水的水厂,2)具备能源自给甚至供给的电厂,3)实现碳中和甚至碳捕集的绿色工厂,4)能够回收高附加值产品(例如有机物和养分)的资源厂。 1.jpg 微藻-菌颗粒污泥工艺特质的探讨 微藻-菌颗粒污泥工艺是近年来发展迅速的新兴污水处理技术。该工艺由于无需曝气、碳转化以及固液分离好等优势,被认为极具潜力的绿色处理技术。研究作者根据已有研究报道,以及现实应用需求,构建了12h(昼,自然光源)-12h(夜,无需光源)运行模式的零曝气自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺,用于探讨其在去污、能耗、碳排放和资源回收等方面的性能。 去污能力 已有研究表明,微藻-菌颗粒污泥工艺在光照条件下,可实现有机物(COD)、氨氮和磷酸盐100%、99.6%和100%的去除;在黑暗条件下,工艺亦表现出较高的去污能力,COD、氨氮和磷酸盐去除率分别可达95.1%、96.5%和100%,即在没有光照的夜间微藻-菌颗粒污泥工艺也具有较强的去污能力。因此,基于12h(昼)-12h(夜)运行模式的微藻-菌颗粒污泥工艺,可在无需外部曝气和照明的情况下,为市政废水处理提供技术可行的方案。 能量消耗 在微藻-菌颗粒污泥工艺中,由于无需外源曝气以及颗粒污泥良好的沉降性能,其能量消耗显著降低。另一方面,工艺将更多的碳固定于生物质内,可产生较多的污泥用于厌氧消化产甲烷,提高了能量回收。经核算,微藻-菌颗粒污泥工艺污水处理单位能耗为-0.178 kWh/m3(表1),即该工艺可实现能量的净增益。从全球范围内来看,若该工艺应用于市政污水处理,每年有望产生641亿kWh能量净输出。 2.jpg 碳排放 随着全球气候变化形势的日趋严峻,温室气体排放对全球变暖的作用得到世界各国的普遍关注。据估算,若市政污水处理厂采用以活性污泥法为核心工艺,其每年可贡献全球碳排放2.672亿吨CO2e(表1)。若采用微藻-菌颗粒污泥工艺,市政污水处理过程的碳排放将会大大降低,减排效果可达77%左右。另外,随着碳交易在世界各国的普遍实施,碳排放将会成为未来污水处理厂不可忽视的潜在运行成本。 资源回收 相对于传统活性污泥法,在微藻-菌颗粒污泥工艺中,废水中的更多的营养物(N和P等)会通过微生物同化作用得到去除,并在菌藻生物质内积累。显然,这更有利于从生物质中提取生物油脂、生产生物肥料等,强化污泥的资源化利用过程。 小结与展望 市政污水处理技术的升级一直为环境领域研究和探讨的热点,其原本污染物去除的单一功能已不能满足环境和经济可持续发展对污水处理提出的更高要求。未来的市政污水处理技术更倾向于向“水回用-能源回收-碳中和-资源化”的复合型方向发展。经分析,微藻-菌颗粒污泥工艺基本满足未来市政污水处理技术对去污、能耗、碳排放和资源回收的要求,可提供一种潜在的技术方案。未来市政污水处理技术路在何方?研究和探索仍在路上。
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    来源专题:微藻光驱固碳合成生物燃料产品的关键技术研究
    编译类型:快报,简报类产品
    发布时间:2021-01-11
    《微藻燃料科技动态快报》是服务“微藻光驱固碳合成生物燃料产品的关键技术研究”课题而设立。