微藻在污水处理中的二氧化碳减排作用与机制_徐彤彤.pdf
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1、第12期徐彤彤,刘伟,葛庆燕,等.微藻在污水处理中的二氧化碳减排作用与机制J.环境科学与技术,2022,45(12):133-144.Xu Tongtong,Liu Wei,GeQingyan,et al.Effect and mechanism of microalgae on carbon dioxide emission reduction in wastewater treatmentJ.Environmental Science&Technology,2022,45(12):133-144.Environmental Science&Technology第45卷 第12期2022年1
2、2月Vol.45 No.12Dec.2022环境科学与技术 编辑部:(网址)http:/(电话)027-87643502(电子信箱)收稿日期:2022-06-20;修回2022-09-19基金项目:山东省重大科技创新工程项目(2019JZZY010723);国家自然科学基金(22176104);山东省自然科学基金(ZR2022MC204,ZR2019MB073);山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目(2022TSGC2199)作者简介:徐彤彤(1999-),女,硕士研究生,从事水污染控制工程方向的研究,(电子信箱);*通讯作者,(电子信箱)。微藻在污水处理中的二氧化碳减排作用与机制徐彤彤1
3、,刘伟1*,葛庆燕2,王振华1,刘绪振1,段会杰1,董海文1,周丽秀1(1.齐鲁工业大学(山东省科学院),山东省分析测试中心,山东济南250014;2.山东齐发药业有限公司,山东济南250400)摘要:微藻因光和效率高、固碳性能好等特点,被认为是最具有潜力的固碳生物。该文在对现有碳固定方法优缺点分析的基础上,探讨了微藻碳固定的机理、影响微藻固碳效率的环境因素和微藻固碳的强化方法,总结归纳了微藻在近年来污水处理中的应用,对基于微藻固碳协同废水处理的经济性展开分析,提出了微藻固碳及其在污水处理碳减排研究中应重点关注的问题。基于微藻的固碳技术可降低固碳成本,与废水处理相结合可取得碳固定与污染物去除的
4、双重效益。藻-菌联用处理污水是极具经济潜力价值的污水处理工艺,不但污染物去除效率高,而且能够减少碳排放,节省能源、碳源,并产出高附加值微藻生物质。下步可向微藻固碳机制的深入研究及高性能微藻和菌株的筛选、微藻与细菌联合工艺的深入研究和新型固碳生物反应器的开发等多方面开展。关键词:微藻;碳减排;生物固碳;污水处理;生物质中图分类号:X703文献标志码:Adoi:10.19672/ki.1003-6504.1453.22.338文章编号:1003-6504(2022)12-0133-12Effect and Mechanism of Microalgae on Carbon Dioxide Emis
5、sion Reductionin Wastewater TreatmentXU Tongtong1,LIU Wei1*,GE Qingyan2,WANG Zhenhua1,LIU Xuzhen1,DUAN Huijie1,DONG Haiwen1,ZHOU Lixiu1(1.Shandong Analysis and Test Center,Qilu University of Technology,Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014,China;2.Shandong Qilu King-Phar Pharmaceutical Co.,Ltd.,
6、Jinan 250400,China)Abstract:Microalgae are considered as the most potential carbon sequestration organisms due to their high photosyntheticefficiency and high carbon sequestration performance.Based on the analysis of the advantages and disadvantages of existingcarbon fixation methods,this paper disc
7、usses the mechanism of microalgae carbon fixation,environmental factors thataffect the efficiency of microalgae carbon fixation,and strengthening methods of microalgae carbon fixation,summarizes the application of microalgae in wastewater treatment in recent years,and analyzes the economics of micro
8、algaecarbon fixation combined with wastewater treatment.The key problems of microalgae carbon sequestration and carbonreduction in wastewater treatment were put forward.Carbon sequestration based on microalgae can reduce carbon sequestration costs and achieve dual benefits of carbon fixation and pol
9、lutant removal when combined with wastewater treatment.Algae-bacteria combined treatment of wastewater is a wastewater treatment process with great economic potential value.It not only has high pollutant removal efficiency,but also can reduce carbon emissions,save energy and carbon source,and produc
10、e high value-added microalgae biomass.Future research should be carried out from the following aspects,including in-depth study on the mechanism of microalgae sequestration,screening of high-performance microalgae andbacterial strains,in-depth study on the combined process of microalgae and bacteria
11、,and development of new carbonsequestration bioreactor.Key words:microalgae;carbon emission reduction;bio-carbon sequestration;wastewater treatment;biomass第45卷目前,我国大部分能源需求是通过燃烧化石原料实现的,化石原料燃烧会排放大量的温室气体(greenhouse gas,GHG),进而造成一系列全球性环境问题1。温室气体主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O),其中CO2对温室效应的贡献率最大。中国化石燃料燃烧释放
12、的CO2在2020年排全球第一位,2010-2020年全球年度CO2排放各行业总体呈现出逐年增加的趋势2(图1)。CO2浓度的增加是导致全球变暖、海平面上升的主要原因,进而威胁海洋生物和人类的活动和生存。因此,减少CO2的产生,实现碳减排已经迫在眉睫。污水处理是一个高碳排放的行业,在废水处理过程中,氮(N)、磷(P)等污染物的去除会伴随着CO2、CH4、N2O等温室气体的直接释放。另外,废水处理设施运行过程中能源、药剂的消耗也会带来间接的碳排放,成为污水处理厂碳排放的另一重要来源。碳减排已成为我国污水处理厂亟待解决的问题,其碳排放量占全社会碳排放总量的1%2%3。随着污水处理行业排放标准的不断
13、提高,污水厂向大气中排放的温室气体也逐年增加4,在未来几十年内城市污水处理厂将成为GHG排放的主要来源之一,将面临能源大量消耗以及碳排放的挑战5,6。微藻技术是同时实现废水中CO2固定与N、P等营养物质去除最有效的办法,已逐渐应用到市政废水、农业废水、工业废水等不同类型废水处理过程7,8。微藻具有光和效率高、固碳性能好等特点,能够利用废水中的N、P等营养物质,将其转化为特定价值的微藻生物质,实现资源的可重复利用9。此外,藻类可以利用含氮(N)和硫(S)的污染物,具有减少NOx和SOx以及温室气体的潜力,在全球的氮、硫循环中起着重要作用。传统的处理污水工艺如A2O工艺、序批式反应器等碳排放量高、
14、步骤多、成本高10,而使用微藻处理污水不仅可生产附加值产品,而且可以实现温室气体的减排,符合碳中和理念。因此基于微藻的废水处理工艺日益成为国内外专家学者关注的焦点11。本文在探讨微藻固碳的基础上,对微藻固碳的影响因素、强化方法以及污水处理厂的微藻碳减排进行了总结分析,以期为微藻资源化发展及利用微藻技术实现污水处理厂碳减排提供参考。1二氧化碳减排和固定方法目前,我国的碳减排途径主要采用CO2捕获和封存技术(carbon capture and storage,CCS)12。而国外主要关注于CO2资源化利用方面,将CO2捕集、提纯后,转化为其他附加值产品13,如化工原料、农作物气态肥料等12。最常
15、见的CO2捕捉和封存技术包括物理、化学和生物固碳技术14,15,其优缺点对比如表1。物理和化学方法都面临着难以从低浓度或非点源高效捕获CO2的挑战,而生物技术特别是基于微藻的生物固碳方法,其在低浓度及非点源CO2资源化利用方面表现出良好的应用前景15。Yan等16发现微藻在喀斯特湿地水生生态系统中将无机碳转化为机碳的平均转化率可达到4 207.5 t/a(以C计),约有28.7%的碳酸盐通过微藻光合作用固定为有机碳。Yahya等17对马来西亚燃煤电厂周围的微藻进行了筛选、鉴定和测试,在实际燃煤烟气条件下,Isochrysis sp.的CO2固定率为0.35 g/(Ld),证明了该藻种可作为燃煤
16、电厂烟气的碳固定剂。Gayathri等18表明与其他微生物相比,藻类是利用CO2最有效的微生物,在生物燃料生产中被广泛应用。2微藻固碳2.1微藻固碳机理自养生物通过光合作用吸收无机碳(CO2)转化为有机物的过程称为光合作用固碳过程15,微藻、蓝细菌和厌氧光合细菌等是人们经常采用的高效固碳生物体19。大多数微藻是光自养的,可以进行光合作用,利用空气中的CO2作为自己的碳源。还有一部分134第12期微藻是化学异养的,它们从化学反应中获得能量,从有机物中获得营养24。研究显示微藻与普通高等植物相比,其对太阳光的利用率远远超过蓝细菌和厌氧光合细菌,光合效率比陆生植物高1050倍25。在微藻细胞的叶绿体
17、基质上进行的卡尔文循环(Calvin Benson Basshamcycle,CBB)即光合作用暗反应是微藻固定CO2的重要途径,以核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase,Rubisco)为核心。Rubisco是一种在CBB中催化CO2转化为无机碳生成有机物的酶26。CCB即CO2的羧化、还原与1,5-二磷酸盐-核酮糖(ribulose-1,5-bisphosphate,RuBP)的再生过程,CO2进入微藻细胞后会与RuBP结合转化成六碳化合物(C6),不稳定的C6被分解成两分子的3-磷酸甘油酸(3-phos
18、phoglycerate),3-磷酸甘油酸会被光反应阶段生成的NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,还原型辅酶)还原成3-磷酸甘油醛(3-phosphoglyceraldehyde,PGAL),剩下的3-磷酸-甘油酸会经过复杂的生化反应重新合成RuBP固定CO2,形成一个循环过程27。几种微藻的固定CO2效果见表2。微藻Chlorella sp.Spirulina(Arthrospira)Spirulina(Arthrospira)Scenedesmus obliquus SA1(KC733762)Neochloris aquati
19、ca RDS01Chlorella vulgaris MBFJNU-1Tribonema sp.Cyanobacteria、diatoms、Scenedesmus sp.、Chlorella sp.混合CO2/(V/V)15%NaHCO399.99%15%100%3%2%20%通气量0.2 L/min-5 L/min0.43 L/h100 mL/min2 L/min0.18 L/min1 L/min培养条件f/2培养基;小型鼓泡塔PBR改良Zarrouk培养基中;BG-11培养基;PBRBBM培养基;制革废水柱状PBR;养猪废水(OSW)BG11培养基;垂直管式PBR;模拟丙烯腈-丁二烯-苯乙
20、烯(ABS)废水BBM培养基;200 L室外跑道池;城市污水生物量产率/(gL-1d-1)0.1920.0760.0030.0610.0023.320.0220.0390.0020.0360.0010.4720.03328.3 gd-1m-2CO2固定率/(gL-1d-1)0.3530.140.0060.100.0041.0350.05270.65%0.0680.0020.2360.041参考文献2829293031323334表2几种微藻的固定CO2效果Table 2Comparison of common CO2fixation techniques名称物理封存固碳技术化学固碳技术生物固碳
21、技术原理主要是碳捕捉和封存技术,是指将高体积分数的CO2经过压缩后注入到海洋、地下暂时封埋起来直接利用吸附材料、复合溶液等吸收CO2,或化学试剂以碳酸盐或碳酸氢盐的形式固定CO2通过生物体的光合作吸收CO2,高等植物、光合细菌、微藻等优点可用于工业项目,能够实现CO2的无害化处理相对安全,具有永久性环境友好、可持续发展,有较大潜力,微藻的光合效率较高,可以吸收大量CO2;能够提取生物柴油,缓解能源危机缺点高体积分数CO2收集和浓缩成本高;封存空间、场地的选择存在安全隐患;泄露后易引起“二次污染”试剂用量大和固碳成本高植物对CO2吸收缓慢,受土地面积的限制参考文献19,2014,1521,22表
22、1常见CO2固定技术的比较Table 1Comparison of common CO2fixation techniques2.2影响微藻固碳的环境因素微藻固碳已被许多国家确定为一项有前景的固碳技术。但是固碳效率无法达到理想状态限制了其大规模发展。为了获得微藻的最大产量,实现微藻的最优固碳率,要考虑微藻培养的环境条件,主要包括光照(光照强度、光照周期)、温度、碳源、pH以及优良藻种的选择35,36,选择最优实验条件不仅可以提高微藻的固碳效率,同时对微藻去除N、P有重要作用。2.2.1光照微藻通过光合作用进行固碳的首要条件是光照,包括光照强度和光照周期,因为光能参与光合作用的第一步反应37,3
23、8,微藻的生长速率与光照强度成正比,随光照强度的提高而加快14,15,直到达到光饱和为止。但是,当微藻所需光照达到极限时,会出现抑制现象,降低藻类的生产力39。这是因为过量的光照会损害微藻的光受体,进一步降低光合作用速率和微藻生物量。因此,在微藻固定CO2的实验中必须合理控制光照,但实际工程易受气象因素影响,无法为微藻提供稳定的光照,因此,可以使用辅助光源培养微藻,如封闭式光生物反应器35。光周期通过影响代谢活性显著影响微藻的生长40,选择合适的光周期对微藻固碳效率的影响也极为重要,短期和长期光周期都可能限制微藻生长。杨忠华等41发现,合理的光周期可以使微藻达到最优固徐彤彤,等微藻在污水处理中
24、的二氧化碳减排作用与机制135第45卷碳效果,过长或过短的光周期都会抑制藻细胞的生长,微藻的一些指标、性能也会下降,如蛋白质含量、细胞密度等。2.2.2温度温度变化影响微藻内酶的活性导致微藻的生物反应发生变化。温度是影响微藻生长代谢的因素之一,直接影响微藻的固碳效率14。在适宜温度范围内,微藻生长速率会随着温度的升高而增加11。但高温会导致微藻新陈代谢加快42,生物质累积速率降低,低温则会导致微藻生长速率过慢14,22。一般来说,大多数微藻最适生长温度为1530,2530 有利于小球藻固定CO235。若不在这个温度范围内微藻的生长将受到抑制,进而降低固定CO2和去除营养物质的效率43。当温度发
25、生变化,培养液或废水中的pH值以及CO2的溶解度等也会发生变化。研究显示,螺旋藻的培养温度由23.8 提高到33 时,其CO2固定率也由25.5 g/(m2d)提高到51.3 g/(m2d),但进一步提高到38 时又下降到39.0 g/(m2d)44。2.2.3碳源污水处理中碳源浓度是影响微藻藻株生长速率的主要因素之一45,废水中碳源的低可用性直接影响微藻吸收N、P的能力,限制微藻细胞的生长和脂类、糖类等物质的积累46。研究表明,充足的碳源有利于细胞储碳进行油脂积累。碳源浓度会调节培养基的pH值,高浓度的CO2会导致培养基呈酸性,阻碍藻胆蛋白和其他色素的积累,降低光合活性并减缓藻株的生长速度4
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