利用污水资源生产微藻生物柴油的关键技术及潜力分析(3)

表1 藻细胞分离收获方式 Table 1 Harvest methods of microalgae

方法

分离效果

参考文献

自然沉淀可去除50%~80%的藻细胞 [29]

絮凝沉淀

随着pH 升高和无机磷酸盐沉淀，藻细胞自絮

凝；化学絮凝剂成本高，使出水盐度偏高，通过细菌产生生物絮凝剂，是目前研究热点之一；不适于体积小、生长快的藻类

[30-32] 气浮 加明矾20~30 mg·L -1，可去除99%的细胞 [29] 固定化

固定化小球易分离；成本高，藻细胞易泄露 [33] 电解絮凝

小电流使藻细胞悬浮（0.3 kWh·L -1），可达到95%的分离率

[34]

过滤/离心分离效果好，但成本高 [7] 膜分离

分离效果好，技术较成熟

生物柴油研究

742 生态环境学报 第19卷第3期（2010年3月）

培养模式相结合，生产1 MJ 能量的生物柴油所需

总能耗为1.66 MJ ，而获得的总能量为2.23 MJ ，是4种生产模式中（普通培养+干法萃取，普通培养+湿法萃取，低氮培养+干法萃取，低氮培养+湿法萃取）唯一总能量收益为正的生产模式。

同时，该文章的分析结果还表明，油脂提取的能耗在生物柴油生产总能耗中占有很大比例（干法萃取和湿法萃取的能耗分别占总能耗的90%和70%），因此油脂提取技术的改进对耦合系统的经济性和可持续性具有直接影响[37]。 3.4 油渣利用

藻细胞提取油脂后，油渣的处置和利用也是一个关键问题。一方面，油渣中含有蛋白质和碳水化合物等有机物形式，存储着大量能量，甚至可超过利用油脂生产的生物柴油能量[37]。因此，充分回收油渣中的能量，对于保证耦合系统的整体能量净收益具有极大作用。另一方面，根据藻细胞的经验分

子式C 106H 263O 110N 16P ，

培养藻细胞需要的氮元素为8~16 t·hm -2·a -1，

是芦苇生长需氮量的55~111倍。因此，在提取油脂之后，合理处置残余藻细胞至关重要，否则油渣中的大量氮磷会对生态环境带来很大负面影响[23]。

厌氧发酵是油渣的处理方式之一。通过对油渣中的蛋白质和碳水化合物进行厌氧发酵，可以获得甲烷、氢气和乙醇等能量，对耦合系统的整体能量收益有很大贡献[37]。Bruno [23]甚至认为，当单位藻细胞的油脂含量低于40%时，为了获得最大的能量收益，所有藻细胞生物质应该全部用于厌氧发酵。

同时，厌氧发酵可将油渣中的有机氮磷矿化为铵和磷酸盐，可再次用于藻细胞培养，或作为肥料返回农田。

4 耦合系统的生物柴油生产潜力

假设全国范围内的生活污水全部采用本文所设计的耦合系统进行处理与生产生物柴油，则生活污水中所含有的氮磷除去供给活性污泥微生物的生长后，剩余部分所培养的藻细胞每年生产生物柴油的潜力可由表进行估算。

2008年全国生活污水排放量为330亿t ，假设BOD 5、TN 和TP 浓度分别为200、40和8 mg·L -1。普通活性污泥法对BOD 5的去除率为90%，则去除

的BOD 5浓度为180 mg·L -1。

由于不采用A 2O 工艺，因此普通活性污泥法对氮和磷的去除来自于活性污泥微生物生长对污水中氮和磷的消耗（消耗比例

BOD 5∶N ∶P=100∶5∶1）

。据此可估算普通活性污泥法去除的氮和磷分别为9 mg·L -1和1.8 mg·L -1，

二级出水中的氮和磷分别为31 mg·L -1和6.2 mg·L -1。进一步根据藻细胞经验分子式、单位藻细胞油脂含量、单位油脂中TAG 含量及酯交换反应式，可估算得到该耦合系统每年的生物柴油生产潜力约为397万t 。

5 结语

污水深度处理与生物柴油生产耦合系统不仅可以克服微藻制备生物柴油或微藻深度脱氮除磷单一系统的局限性，而且可以以污水为资源，在处理污水的同时生产生物柴油。虽然该耦合工艺目前仅处于概念提出的起步阶段，尚有一些关键技术环节需要研究，但是在目前能源与水资源紧缺的严峻形势下，该耦合工艺具有良好的发展前景。

参考文献：

[1] V ASUDEV AN P T, BRIGGS M. Biodiesel production-current state of

the art and challenges[J]. Journal of Industrial Microbiology & Bio-technology, 2008, 35: 421-430.

表2 正己烷湿法萃取与低氮培养模式生产1 MJ 能量的

生物柴油的能量收支分析

Table 2 Analysis of energy balance for producing 1 MJ of biodiesel by the production mode of wet extraction by hexane and low-N cultivation 收支项

能量/MJ （生产1 MJ 的

生物柴油）

备注

总能耗能量 1.66

包括热能、电能、肥料、藻类塘建造等 总收益 2.23

包括生物柴油能量1 MJ

和油渣所含能量1.23 MJ 能量净收益 0.57 能量净收益为正

表3 污水深度处理与生物柴油生产耦合系统的

生物柴油生产潜力估算参数取值

Table 3 Parameters for estimating the productivity potential of coupling system of advanced treatment of wastewater and biodiesel production

项目

数值

2008年全国生活污水排放量 330亿t

生活污水中BOD 5浓度 200 mg·L -1

生活污水中TN 浓度 40 mg·L -1

生活污水中有机氮浓度 15 mg·L -1

生活污水中TP 浓度 8 mg·L -1生活污水中有机磷浓度 3 mg·L -1

活性污泥微生物对污水中BOD 5、N 、P 的消耗比例（BOD 5∶N ∶P ）

100∶5∶1

活性污泥微生物去除的BOD 5 180 mg·L -1

活性污泥微生物去除的N 9 mg·L -1

活性污泥微生物去除的P 1.8 mg·L -1

二级出水中TN 浓度 31 mg·L -1二级出水中TP 浓度 6.2 mg·L -1

可收获的微藻生物量（藻细胞经验分子式C 106H 263O 110N 16P ）

1621万t

可提取的油脂量（假设单位藻细胞油脂含量为35%） 567万t TAG 产量（假设单位油脂中的TAG 含量为70%） 397万t 生物柴油产量（酯交换反应中，TAG 和生物柴油的质量比约为1∶1）

约397万t

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 743

[2] GROOM M J, GRAY E M, TOWNSEND P A. Biofuels and biodiver-

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