利用污水资源生产微藻生物柴油的关键技术及潜力分析

生物柴油研究

生态环境学报 2010, 19(3): 739-744 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@

基金项目：国家杰出青年科学基金项目（50825801）；国家“十一五”科技支撑计划（2007BAC22B02） 作者简介：胡洪营（1963年生），男，教授，博士，主要研究方向为环境生物技术。E-mail: hyhu@ *通讯联系人 收稿日期：2010-01-18

利用污水资源生产微藻生物柴油的关键技术及潜力分析

胡洪营*，李鑫

清华大学环境科学与工程系//环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100084

摘要：21世纪人类面临着能源与水资源的双重危机与挑战。微藻制备生物柴油和微藻深度脱氮除磷分别是开发新能源和污水深度处理方面的热点研究，但二者的单一系统均存在一定的局限性。基于微藻培养的污水深度处理与生物柴油生产耦合系统可以克服上述单一系统的局限性，在深度处理污水的同时，以污水为资源制备微藻生物柴油。藻种筛选是耦合系统的前提与重点，其筛选原则为在二级出水条件下生长快、氮磷去除效率高和单位藻细胞油脂含量高。合适的藻细胞分离收获及油脂提取技术能够降低能耗；而油渣厌氧发酵可充分回收其中的能量，同时减少油渣对环境造成的不利影响。根据耦合系统的工艺特点，每年全国利用该耦合工艺以生活污水为原料生产微藻生物柴油的潜力约397万t 。 关键词：微藻；生物柴油；脱氮除磷；污水深度处理

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-5906（2010）03-0739-06

21世纪人类面临着两大危机：能源危机与水资源危机。据估计，全球的原油储量和天然气储量将分别在40年和64年后用尽[1]，因此开发经济、高效的新型能源势在必行，其中生物新能源是主要研究热点之一[2]。与此同时，水资源短缺也是制约21世纪人类发展的主要瓶颈，污水再生利用是解决这一问题的重要途径[3]，而水华控制则是再生水回用于景观水体时需要解决的首要问题[4-5]。

近年来，微藻在制备生物柴油[6-10]和污水深度脱氮除磷[11-15]方面均得到了越来越多的重视，并逐步开展研究。而基于微藻培养的污水深度处理和生物柴油生产耦合系统则具有更加广阔的发展前景[16]。

胡洪营等人[16]概述了微藻深度脱氮除磷、微藻制备生物柴油的原理和优势，以及将二者耦合的理念。本文在此基础上进一步深入分析了微藻制备生物柴油及微藻深度脱氮除磷单一系统的局限性、污水深度处理和生物柴油生产耦合系统的工艺流程及优势，并重点分析了该耦合系统的关键技术和生产潜力。

1 单一系统的局限性

1.1 微藻制备生物柴油

微藻通过光合作用将CO 2固定为有机碳

（蛋白质、碳水化合物、油脂），藻细胞油脂中的三酰甘油酯（Triacylglycerols, TAG ）是制备生物柴油的主要原料[9]。微藻制备生物柴油的单一系统如

图1所示。通过给微藻提供必需生长元素，包括水、无机营养盐和CO 2等，培养高含油微藻并最终提取油脂、生产制备生物柴油。

目前，微藻制备生物柴油的高成本是制约该技术发展的主要限制因素[17]，而微藻培养成本则占到生物柴油生产总成本的70%以上[6]。因此，微藻制备生物柴油单一系统的局限性主要是培养过程的高成本，包括：

（1）培养微藻（淡水藻种）需消耗大量淡水资源，不但成本高，而且与当前水资源紧缺的大背景形成了鲜明矛盾。

（2）为了获得较高的藻细胞生物量，微藻培养过程中需投加氮磷等大量无机营养盐，无机营养盐大量消耗而导致的高培养成本是目前微藻培养领域的世界性难题。

（3）某些研究者通过向培养基中投加有机物异养培养微藻（如小球藻）[18-20]的方式来提高藻细胞生物量和单位藻细胞油脂含量，但投加有机物额外增加培养成本；异养培养使微藻失去了固定CO 2

（温室气体减排）的优势

[21-22]

；与目前已有的成熟技术相比（如有机物厌氧发酵产甲烷等），“有机物—藻细胞生物质—生物柴油”的能量转化效率较低。 1.2 微藻深度脱氮除磷

微藻主要通过光合作用吸收水中的氮和磷[11]，从而可作为三级处理单元对城市生活污水的二级出水进行深度脱氮除磷。微藻深度脱氮除磷的单一

水+无机营养盐（有机物）

油脂提取生物柴油

图1 微藻制备生物柴油的单一系统示意图

Fig. 1 Single system of biodiesel production based on microalgae

生物柴油研究

740 生态环境学报 第19卷第3期（2010年3月）

系统如图2所示。在生活污水二级出水后构建微藻培养单元，通过将藻细胞从培养系统中分离，从而获得低氮磷含量的三级出水。

微藻深度脱氮除磷单一系统的局限性主要存在于微藻培养系统。与专门的藻类培养基相比，二级出水中的氮磷含量相对较低，因此在微藻培养系统中难以保持藻细胞的高密度培养，同时该单一系统未充分考虑收获后藻细胞的利用，由此在系统运行中主要存在如下问题：

（1）微藻密度低导致氮磷去除速率低，因此需增大微藻培养系统的容积，从而增加了建设成本。

（2）较低的藻密度不利于分离收获后对藻细胞的综合利用。

（3）由于氮磷去除速率低、藻细胞难以回收利用，因此该单一系统的整体经济效益较低，不利于其在生活污水处理厂的建设和实际运行。

2 污水深度处理和生物柴油生产耦合系统

2.1 工艺流程

基于微藻培养的污水深度处理和生物柴油生产耦合系统如图3所示。在污水处理厂二沉池之后构建微藻光生物反应器，选择高含油的脱氮除磷优势藻种接种于微藻光生物反应器，以二级出水为培养基培养微藻。由于光合放氧作用，微藻光生物反

应器的出口气体含有浓度相对较高的O 2，

可用于二级生物处理中曝气池的曝气；由于活性污泥中微生物的呼吸作用，曝气池的出口气体含有浓度相对较高的CO 2，可用于微藻光生物反应器的曝气（如污水处理厂附近有热电厂，可向微藻光生物反应器中通入热电厂废气，其中的高浓度CO 2可作为微藻生长所需的无机碳源）。在微藻光生物反应器内部或

外部，通过膜分离截留和浓藻液回流的方式，实现反应器内部微藻的高密度培养，同时膜分离可得到低氮磷含量的清水。膜分离得到的高密度藻液通过进一步浓缩、提取油脂，最终可制备生物柴油。

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