利用污水资源生产微藻生物柴油的关键技术及潜力分析(2)

提取油脂后残余的藻细胞称作油渣（oilcake ），其中含有蛋白质、碳水化合物及有机氮磷。油渣可进一步通过厌氧发酵的方式继续生产甲烷、氢气等

能源形式[23]，

也可以作为肥料直接返回农田。因此，该耦合系统可对收获后的藻细胞进行充分利用。

污水深度处理与生物柴油生产耦合系统以生活污水的二级出水为基质培养藻细胞，不需消耗大量的淡水资源和无机营养盐，可极大节省成本；同时，通过膜分离和浓藻液回流的方式可实现反应器内部微藻的高密度培养，也在工艺流程上考虑了收获后藻细胞的充分利用。因此，该耦合系统可以克服微藻制备生物柴油或微藻深度脱氮除磷任一单一系统的局限性。

2.2 耦合系统的全新理念

该耦合系统实现了三方面的全新理念：

（1）由于微藻生长需要利用氮磷元素，因此在污水厂的二级处理中不必考虑脱氮除磷（不需采用

A 2O 工艺）

，只需通过一般的活性污泥法将生活污水中的有机污染物去除即可，氮磷元素可在三级处理中通过微藻光生物反应器单元加以去除和利用。

（2）在污水厂的曝气池和微藻光生物反应器两个单元之间实现内部循环曝气，可同时提高二者的曝气效率。

（3）在未来的新型污水处理系统中，关注点不应仅局限于污染物的去除，而应将污水处理和以污水为“资源”的生产过程相耦合，在处理污水的同时，以污水为原料获取“新”资源和“新”能源，从而可实现污水处理系统从“处理工艺”向“生产工艺”的转化。这种新理念为缓解当前资源匮乏和能源紧缺的形势提供了新途径。

3 耦合系统的关键技术

目前，基于微藻的污水深度处理与生物柴油生产耦合系统仍处于概念提出阶段[24]，关于耦合系统的关键技术和工艺研究几乎为空白。综合考虑该耦合系统的工艺特点、耦合目的及总体能量收益，以下关键技术应得到充分重视并重点研究。 3.1 藻种筛选

在污水深度处理与生物柴油生产耦合系统中，藻种的筛选与驯化是实现该工艺的前提和重点。针对耦合目的，藻种筛选原则应为：在生活污水二级出水条件下生长速率快、氮磷去除效率高、生物质产量高及单位藻细胞生物量的油脂产量高[16, 25]。

与微藻制备生物柴油的单一系统相比，耦合系

清水

图2 微藻深度脱氮除磷的单一系统示意图 Fig. 2 Single system of nitrogen and phosphorus removal

based on microalgae

清水

热电厂废气

（高CO 浓度）

TAG ）

42

图3 污水深度处理与生物柴油生产耦合系统示意图 Fig. 3 Coupling system of advanced treatment of wastewater

and biodiesel production

生物柴油研究

胡洪营等：利用污水资源生产微藻生物柴油的关键技术及潜力分析 741

统对藻种提出了更高要求。许多文献都报道过单纯以制备生物柴油为目的的高含油藻种（使用特定培养基），如小球藻（Chlorella vuglaris ）、布朗葡萄藻（Botryococcus braunii ）等[26-27]。然而，这些高含油藻种并不一定能在生活污水二级出水条件下正常生长并大量积累油脂。Li 等人[25]从低营养环境中分离出了一株淡水栅藻LX1（Scenedesmus sp. LX1），并对比了该株栅藻与文献报道的11株高含油微藻在生活污水二级出水中的生长及产油能力，结果如图4所示。大多数文献报道的高含油微藻在实际二级出水中几乎不能生长，而栅藻LX1在二级出水中的生长情况最好（图4(a)），且单位藻细胞积累的油

可见，从实际水体中分离得到的藻种，可以更好地适应实际环境[28]，从而在耦合系统中具有更大的优势和竞争力。 3.2 藻细胞分离收获

在污水深度处理与生物柴油生产耦合系统中，藻细胞的分离收获是其生物质得以利用（制备生物柴油等）及保证污水处理厂三级出水水质的基础，因此分离收获技术的选择是耦合系统中的关键工

艺环节。

一般微藻培养过程中藻细胞的典型生物量范

围为0.3~0.5 g·L -1（干质量）

，在一些特殊情况下藻细胞生物量可以达到5 g·L -1

（干质量）。满足工业利用要求的藻细胞原料，其最佳生物量应达到

300~400 g·L -1（干质量）

，因此培养后的藻液需要浓缩100倍~1000倍之后才能在工业上得以利用。微藻的分离浓缩是高耗能过程，对生物柴油的生产成本有很大影响——藻细胞分离浓缩的能耗是仅次于微藻培养的第二大成本消耗[24]。因此藻细胞的分离浓缩方式成为很多研究者的关注热点，也是实际工程中必须面对和解决的问题。

一些常见的藻细胞分离收获方式如表所示。其中，絮凝沉淀/气浮、过滤离心和固定化是较常用的藻细胞分离方式，但成本均较高，同时藻细胞固定化也容易带来藻细胞外泄的问题。

综合考虑各种藻细胞分离收获方式，针对耦合系统对于出水水质及微藻光生物反应器中藻细胞高密度培养的要求，膜分离是一种有潜力的藻细胞分离收获方式，即：在反应器之后通过膜分离截留藻细胞以获得低氮磷含量的清水，同时通过浓藻液的回流实现反应器内藻细胞的高密度培养。 3.3 藻细胞油脂提取

有机溶剂萃取是常用的藻细胞油脂提取方法，主要包括甲醇/氯仿法[35]、乙醚/石油醚法[36]和正己烷法[37]等。按照萃取时藻细胞的状态不同，又可分为干法萃取和湿法萃取[37]。关于油脂萃取法目前有很多争议[36]，至今仍无法确定哪种萃取技术更加高效[37]。

Lardon 等人[37]通过生命周期评价（Life cycle assessment, LCA ）的方法对正己烷干法萃取和湿法萃取藻细胞油脂的效率及经济性进行了分析，结果如表所示。由于湿法萃取不需要对藻细胞进行干燥，因此可减少大量能耗。正己烷湿法萃取与低氮

5101520253035

40Scenedesmus sp. LX1Chlorella vuglaris Chlorella sorokiniana Schizochytrium sp.

L i p i d c o n t e n t (%, d r y w e i g h t )

Scenedesmus sp. LX1Chlorella vuglaris Chlorella sorokiniana Schizochytrium sp.

图4 栅藻LX1与其他11株高含油微藻在实际二级出水中的

生长及产油特性比较[25]

Fig. 4 Comparison of growth and lipid accumulation properties of Scenedesmus sp. LX1 and other 11 species of high-lipid-content

microalgae in secondary effluent [25]

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