微藻固定燃烧烟气中CO2的研究现状与挑战

雷晓霞

(广西桂贵环保咨询有限公司，广西 贵港　537100)



微藻固定燃烧烟气中CO2的研究现状与挑战

雷晓霞

(广西桂贵环保咨询有限公司，广西 贵港537100)

摘要：微藻生物固定CO2是实现碳减排和碳循环最有前途的方法，因为不仅能减少CO2的排放，还能利用微藻生物质开发附加产物。对藻株筛选、烟气中有毒物质的影响、开发微藻光生物反应器以及与市政污水处理相结合等方面的研究进展进行了综述，为实现该技术的实用化、经济化提供了理论参考。

关键词：微藻； 烟气；CO2的固定；光生物反应器

CO2是大气温室气体的主要来源，其中化石燃料燃烧排放的高浓度CO2对全球变暖的影响最大[1-2]。因此，为了有效减少燃烧后CO2的排放，有必要寻找一种稳定、安全、可持续保护环境的CO2捕获技术。根据捕获机制，燃烧后CO2的捕获技术大致分为化学吸收、物理吸收以及生物固定[2]。CO2的生物固定通过生物的自养方式将烟气中的CO2转换成为生物质。比起普通的陆生植物，微藻在CO2生物固定中具有光合效率较高、能净化水质、生物质产生率快以及不与农作物和土地竞争的优点[3]。目前，利用微藻固定烟气中CO2的研究较多，但在实用性与经济性方面仍然存在不足。这与微藻培养方式以及烟气成分复杂有关。影响微藻培养的因素包括藻种、营养条件、培养方式、微藻反应器及培养环境[4]。此外，烟气中除了含有10%～20%的CO2外还包含大约142种不同的化合物[5]。当前，微藻固定烟气中CO2、微藻生物柴油的生产与微藻污水处理是短期内最有可能实现商业化应用的技术，因此如何优化上述因素，通过工艺创新形成光合效率、固碳率、细胞产率高及能耗低的微藻生产光生物反应器，利用污水营养物质及烟道气中的CO2实现微藻快速生长及高密度培养，降低微藻生产费用及微藻下游处理成本是当前研究工作的重点。本文对藻株筛选、烟道气有毒成分对微藻的影响以及开发高效光反应器培养微藻等方面的研究进展以及面临的挑战进行了综述，为今后深入研究微藻固定燃烧烟气中CO2，实现微藻固碳与污水净化等相关领域的技术耦合和大规模生产提供相关参考。

1高效固碳微藻菌株的筛选

除了培养条件外藻株是最重要的影响因素，因为它们直接影响固碳和生物质的生产。筛选合适的微藻藻种对于CO2生物减排效率及成本竞争力具有显著的影响。表1是典型藻株的的生物质产率和CO2固定参数[2]。通过比较发现：CO2的固定和生物质产生的性能随着藻株的不同而变化。和其他藻株相比(例如CyanophytesandChrysophyte)，小球藻的性能较好，生物质产率和CO2固定率分别能达到1.060 g/(L·d)和2.632 g/(L·d)。和大气中的CO2的培养不同，烟气中的CO2浓度高，高曝气负荷以及有毒污染物质对藻株的生长有消极影响。但是这些不良影响都可以通过藻株的适应去克服，从而使藻株能忍受严格的烟气条件而持续增长[6]。从表1中发现：只有较少的藻株能耐受体积分数为70%～100%的CO2浓度[7]，以及烟气的高流速、低pH值和有毒成分。此外，营养条件、光强培养温度也会对藻株的生长率产生影响。因此，很有必要开发在恶劣环境条件下仍然具有高性能的藻株，实现最大的CO2固定效率和生物质产量。大部分藻株是从天然河流、湖泊或者海洋中分离出来的，一般都能成功固定大气中的CO2，但是和大气中低浓度的CO2(体积分数大约为0.038%)不同，实际的燃烧烟气具有高浓度的CO2(体积分数为10%～20%或者更高)，流速高，温度高(80～120 ℃)，且含有有毒成分(SOx、NOx和汞)，这就要求藻株具有更强的固定燃烧烟气中的CO2的能力[8]。为了增强和提高微藻的CO2固定率和生物质产量，有必要使用物理化学诱导、细胞融合、杂交繁育等选育方法[9]。但至今还没有基因工程法促使微藻大量生产从而固定CO2的报道，说明该领域的研究还处于起步阶段。要稳定地大规模培养生长快的且能固定烟气中CO2的藻株也一定要通过基因工程改造微藻来实现，而关于优势藻种的选育、培养工艺及微藻分离技术的创新研究则在短期内更容易取得成果。

2烟气中有毒物质对微藻的影响

研究发现:ChlorellaKR-1能成功固定没有通过任何处理的烟气中的CO[10]。这是因为Chlorellasp.对高温和低pH值有较强的适应性[11]。但是工厂实际排放的烟气中经常包含有毒污染物质SOx和NOx，其中SO2的浓度能达到100 mg/L，NO2的体积分数能达到5%～10%，NO的体积分数能达到90%～95%，这些物质能影响大部分微藻的生长[2]。除了污染物质的浓度，不同的燃烧烟气排放的SOx也不同，从而对微藻的抑制效果也不同。总的来说，抑制影响取决于藻株的特征、生长条件以及有毒污染物质的浓度。表2概括了含有SOx和NOx物质的烟气对微藻的抑制影响。由表2中可以看出：Chlorellasp. andScenedesmussp.是表现最突出的藻株，其在CO2、SOx和 NOx条件下只受到轻微的抑制[12]。然而也有藻株特别是分离的藻株很难忍受SO2的抑制作用。为了解决这个问题，可以安装脱硫装置去除SO2后再将烟气通入微藻培养系统中。目前有湿法和干法脱硫过程，分别用CaO吸附剂和石灰石-石膏脱硫。NOx的主要成分是NO和SO2有所不同，很难直接对藻株的生长产生直接的影响。当NOx的浓度高于300 mg/L时才会对Chlorellasp.的理化特征有稍许的影响[13]。实际上，溶解的NOx可以作为藻类培养基的氮源以供藻类吸收。

表1　微藻在不同培养条件下的生物质产率和CO2固定参数

表2　含有SOx和NOx的烟气对微藻培养的抑制效应

3高效光生物反应器的开发

目前虽然在藻株的选育方面取得了一定的研究成果，但是要使得选育出来的优良藻种在实际应用过程中具有高效的CO2固定效率，合理设计光生物反应器是十分必要的。高效光生物反应器是实现微藻高效固定CO2的必要手段，因此高效光生物反应器的研究和开发一直是微藻培养和微藻固定CO2的研究热点之一[14]。高效光生物反应器主要围绕提高光合利用效率和提高CO2在培养液中的气液传质效率两方面进行研究。微藻在开放式和密闭式光生物反应器中都能生长，图1为大部分生物反应器的构型[15]。开放池中由于缺乏控制使得微藻的产量取决于当地气候。此外，捕食者带来的污染也是这类培养系统的主要缺点之一。因此，只有几种藻株在开放池中能实现生长，例如Dunaliella,Spirulina和Chlorellaspp.。此外，技术简单的开放系统因为下游加工成本昂贵使得经济可行性较小。密闭光生物反应器更能引起研究者的关注，因为密闭光生物反应器能避免污染，也比开放系统能更好地控制培养条件，从而获得更高的生物质产量[16]。此外，光生物反应器需要的空间较少，并且因蒸发丢失的水分也较少。光生物反应器有不同的构型，如垂直反应器(鼓泡或者气升式)、管式反应器、平板反应器。管式光生物反应器有以下缺点：气体交换困难、溶氧(DO)水平易超过200%、抑制光合作用、在高光强下高DO会破坏细胞的光氧化作用[17]。与管式反应器一样，板式反应器也存在光路太窄的问题，因此对于工业应用最具潜力的是气升式反应器。气升式光反应器是在反应器罐体的内部加装气体提升管，提升管底部设有圆形气体分布器，空气和CO2混合后由气体分布器进入反应器，形成均匀、细小的气泡，具有较高的汽液接触面积，可有效提高CO2与藻液、汽液的传质效率[18]，从而提高微藻生物质产量。

图1　培养微藻的反应器构型

4利用污水培养微藻

文献[19]使用化肥培养微藻,严重影响了综合能量平衡，因为仅化肥生成过程所需要的能量就要占整个微藻培养过程的50%[19]。可见迫切需要寻找低成本的营养来源，以确保微藻长期可持续性生长。在这种情况下，使用市政污水培养微藻成为一个有吸引力的选择。通常情况下，二、三级废水含有大量的硝酸盐和磷酸盐，这些物质正好是微藻生长和代谢所必须的营养物质，同时微藻又能净化废水[20]。因此，该方案不仅提供了一种廉价的替代传统的污水处理方式，还大大降低了化学化肥的使用量[19]。将市政污水处理与微藻培养相结合，在固定CO2的同时可以减少市政污水处理过程中60%～80%的能量消耗。但是，在使用市政污水培养微藻之前，有几个问题必须解决：① 细菌和真菌的重污染可能会抑制微藻的繁殖；② 废水营养成分的不一致可能会影响微藻的生长；③ 培养微藻后的出水水质应严格控制，以避免微藻在河流和海洋中大量繁殖[21]。因此，尽管用废水培养微藻有很多显著的优点，然而只有大约30%的研究使用废水培养微藻，其余70%的研究工作使用化肥。

5结束语

通过以下策略可以提高微藻对烟气中CO2的固定效率：第一，筛选出生长较快的藻株；第二，设计一个能提高气液传质效率的、实现CO2较高固定率的光生物反应器；第三，必须对烟气进行预处理，如在烟气进入培养系统前使用热交换器来降低烟气温度和使用脱硫单元去除有害气体(SOx)；第四，使用市政污水代替化学营养物作为培养微藻的营养源，从而减少其生命周期的负担。利用污水进行微藻的生产可实现CO2减排、污水净化以及能源生产的高度耦合，不仅能实现污水低能耗资源化处理，还可获得生物能源以及其他高附加值产品，具有重要的环境、社会、经济意义。但该生产过程影响因素多、技术的综合难度大，要真正实现实用化、工业化、产业化还需要做大量的研究工作。

参考文献：

[1]PACHAURI R K,REISINGER A.Contribution of working groups I,II and III to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[C]// IPCC.Geneva,Switzerland:[s.n.],2007.

[2]ZHAO B T,SU Y X.Process effect of microalgal-carbon dioxide fixation and biomass production:A review[J].Renew Sust Energ Rev,2014,31:121-132.

[3]ZENG X,DANQUAH M K,CHEN X D,et al.Microalgae bioengineering:From CO2fixation to biofuel production[J].Renew Sust Energ Rev,2011(15):3252-3260.

[4]苏鸿洋，周雪飞，夏雪芬，等.二氧化碳减排产柴油微藻培养体系研究进展[J].生物工程学报,2011,27(9):1268-1280.

[5]SIMONEIT B,ROGGE W,LANG Q.Molecular characterization of smoke from campfire burning of pine wood (Pinus elliottii)[J].Chemosphere-Global Change Science,2000,1(2):107-22.

[6]DOUCHA J,STRAKA F,LIVANSKY K.Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella sp.) in an outdoor open thin-layer photobioreactor[J].J Appl Phycol,2005,17:403-412.

[7]YUE L H,CHEN W G.Isolation and determination of cultural characteristics of a new highly CO2tolerant fresh water microalgae[J].Energ Convers Manage,2005,46:1868-1876.

[8]KAO C Y,CHEN T Y,CHANG Y B,et al.Utilization of carbon dioxide in industrial flue gases for the cultivation of microalga Chlorella sp[J].Bioresour Technol,2014,166:485-493.

[9]YANG Z,YANG G,LI F,et al.Recent progress in fixation of CO2with microalgae for carbon emission reduction[J].Chin J Bioprocess Eng,2011(9):66-75.

[10]SINGH S P,SINGH P.Effect of CO2concentration on algal growth:a review[J].Renew Sustain Energy Rev,2014,38:172-179.

[11]RAZZAK S A,HOSSAIN M M,LUCKY R A,et al.Integrated CO2capture,wastewater treatment and biofuel production by microalgae culturing-a review[J].Renew Sustain Energy Rev,2013,27:622-653.

[12]CHEAH W Y,SHOW P L,CHANG J S,et al.Biosequestration of atmospheric CO2and flue gas-containing CO2by microalgae[J].Bioresour Technol,2015,184:190-201.

[13]LEE J N,LEE J S,SHIN C S,et al.Methods to Enhance tolerances of Chlorella KR-1 to toxic compounds in flue gas[C]//Twenty-First Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals.[S.l.]:Springer,2000:329-342.

[14]LIU J N,HU P,YAO L.Advance of photobioteactor on microalgal cultivation[J].Food Sci,2006,27(12):772-777.

[15]PIRES J C M,ALVIM-FERRAZ M C M,MARTINS F G,et al.Carbon dioxide capture from flue gases using microalgae:Engineering aspects and biorefinery concept[J].Renew Sust Energ Rev,2012,16:3043-3053.

[16]HARUN R,SING M,FORDE G M,et al.Bioprocess engineering of microalgae to produce a variety of consumer products[J].Renew Sustain Energy Rev,2010,14:1037-1047.

[17]CHISTI Y.Biodiesel from microalgae[J].Biotechnol Adv,2007,25(3):294-306.

[18]KANG R J,CAI Z L,SHI D J.An airlift photobioreactor for microalgae cultivation[J].Chem React Eng Technol,2001,17(1):153-58.

[19]CLARENS A F,RESURRECCION E P,WHITE M A,et al.Environmental life cycle comparison of algae to other bioenergy feedstocks[J].Environ Sci Technol,2010,44:1813-1819.

[20]LAM M K,LEE K T.Microalgae biofuels:A critical review of issues,problems and the way forward[J].Biotechnol Adv,2012,30:673-90.

[21]LAM M K,LEE K T,MOHAMED A R.Current status and challenges on microalgae-based carbon capture[J].Int J Greenh Gas Con,2012,10:456-469.

(责任编辑何杰玲)

Research Status and Challenges of Micro Algae Fixed Combustion CO2in Flue Gas

LEI Xiao-xia

(Guangxi Guigui Environmental Protection Consulting Co., Ltd., Guigang 537100, China)

Abstract:Microalgae immobilization of CO2 is the most promising method in the realization of carbon emissions and carbon cycle, because it not only can reduce CO2emissions, but also can develop addition product with micro algae biomass. The research progress on algae strains screening, the effect of toxic substances in the smoke, light bioreactors development of micro algae and its combination with municipal sewage treatment were summarized in order to provide theoretical reference for the realization of the practical application and economization of this technology.

Key words:micro algae; flue gas; CO2 fixation; light bioreactor

收稿日期：2016-03-07

作者简介：雷晓霞(1985—)，女，广西横县人，硕士研究生，主要从事环境工程研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.013

中图分类号：TQ517.2

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)05-0070-05

引用格式：雷晓霞.微藻固定燃烧烟气中CO2的研究现状与挑战[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(5):70-74.

Citation format：LEI Xiao-xia.Research Status and Challenges of Micro Algae Fixed Combustion CO2in Flue Gas[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):70-74.