用于生产生物燃料的污水处理率很高的藻类池塘

用于生产生物燃料的污水处理率很高的藻类池塘期刊：BioresourceTechnology作者：J.B.K.Park日期：2010年摘要：尽管藻类生物燃料的研究与开发目前备受关注和资助，但他们在今天的化石燃料的市场下仍然没有商业上可行性。然而，作为高效污水处理的副产品它为此提供了机会。除了有更好的经济性，在废水处理HRAPs藻类生物的比商业藻类生产的藻类燃料有更小的环境影响，因为商业生产消耗淡水和肥料。在本文中，对限制藻类栽培，生产和收获的关键参数进行了综述，同时对可以从污水处理HRAPs提高净收获能力（CO2除外)的实际方法包括物种的控制，食草动物的控制，寄生虫和生物絮凝控制进行了讨论。1.介绍藻类在受控条件下生长每公顷是陆地油籽作物的产油量20倍以，如大豆和油菜籽。但是，藻类生物燃料生产的资本和系统运营成本目前是高昂的。例如，Chisti计算出，与原油的每桶100美元的价格相比，藻类生物柴油的生产成本必须下降近10倍才有竞争性。但现在有这样一个机会，藻类生长作为高效藻类塘（HRAPs）废水处理的一个副产品。通常HRAPs很浅，具有开放的滚道池塘，并已用于处理市政，工业和农业废水。OswaldandGolueke率先大规模应用了这项技术。从废水处理的得到的藻类生物质生可以通过各种途径转化为生物燃料，例如厌氧消化沼气，酯交换油脂制备生物柴油，碳水化合物发酵成乙醇和高温转化为生物原油。在过去的几十年中，学者已经研究了不同环境条件下藻类生长和光合活性。而且，许多重要的环境（光线和温度），操作条件（PH值，二氧化碳和养分）和生物条件（浮游动物食草动物和藻类的病原体）影响HRAP废水处理参数也已经研究了。然而，使用的污水处理HRAPs生产藻类和生物燃料转化却很少受到关注。在保持高出水水质的条件下，基本和油田规模扩大后的研究是需要的，来达到优化藻类生产和收获的最佳条件。本文综述了关于高效藻类塘的在废水处理中的应用和用于生产生物燃料的藻类生产的效益的有关文献。并对限制藻类生产和收获的关键参数进行了讨论，同时得出了能提高污水处理HRAPs过程中收获藻类的指标。2.高效藻类池塘如该图所示，HRAPs是滚道式池塘，深度为0.2-1米。通常是由一个叶轮机保持约0.15-0.3米/秒的水流速度提供混合。轨道结构可以是作为一个单一的环或围绕中央分隔壁的多个环路。池塘底部可以是衬里或无衬里，这根据土壤条件和地方性法规，逆流气体喷射槽喷射二氧化碳（≥1.5米深）创造池塘内湍流。2.1污水处理HRAPs藻类生长在污水处理HRAPs中，并从中吸收营养物质。因此藻类生物量的收获需要废水里有营养物质。污水处理HRAPs通常是一个高级塘系统通常包括先进的兼性塘，高效藻类塘，藻类沉淀池，一系列成熟池塘。根据BOD去除率设计，高级池系统需要的土地面积是活性污泥系统（最常见的污水处理技术之一）的50倍以上，虽然这并不包括处置废弃活性污泥所需要的土地面积。然而，建设高级塘系统的资本成本不到建设活性污泥的一半，运营成本不到活性污泥系统的五分之一。最简单和最具成本效益的来转换藻类生物质为生物燃料的方法是：在厌氧处理的环境温度下盖沼气池，产生富含甲烷的沼气，但更昂贵的加热和混合厌氧处理也可以使用。沼气生产速率从实验室规模的环境温度覆盖沼气池池已被证明是类似于加热的混合沼气池（0.21-0.28立方米CH4/kg藻挥发性固体（VS）所加）。利用藻类沼气用于发电可以产生约1度点/公斤藻VS。2.2从污水处理HRAP生产生物燃料的经济和环境优势商业藻类生产的HRAP和废水处理的HRAP之间的比较总结于表1中。利用污水处理HRAP藻类生产收获的费用，基本上涵盖了污水处理厂的投资和运行成本，而且他们在水足迹，能源和化肥的使用时，从废生长培养基之前残留营养物去除方面显著减少对环境的影响，以避免水体的富营养化。商业藻场需要的水源，养分和二氧化碳占总生产成本的10-30％。因此，为了最大限度地降低运营成本，商业农场经常循环利用生长介质。然而，生长培养基再利用有降低藻类的生产风险，这是由于受藻类病原体和/或受次生代谢产物的积累抑制。用HPRSs生产生物燃料的需求部分是由环境因素驱动，但毫无疑问的是建设和运营HRAPs专门致力于生产藻类生物燃料有其自身的环境影响。例如，新鲜水资源是通过蒸发从而创造一个水足迹。确实ndeed，克拉伦斯等指出使用淡水和肥料生产藻类将消耗更多的能量，具有较高的温室气体排放量，并比使用陆基作物如柳枝稷，油菜和玉米生物燃料生产消耗更多的水。从环保的观点看，从废水中HRAPs藻类生产提供了一个更具吸引力的命题。HRAP建设和运营是废水处理必须的，因此，随后的藻类产量代表废水处理这一过程的附加值。此外，水和营养物质是利用在该这些系统的，否则它们浪费掉了。提取的能量和残余藻类的后续利用代表土地可持续利用，从而提供净环境效益。而且使用HRAPs的污水处理比其他形式的废水处理提供环境收益。例如，希尔顿给出一个案例：在英国乡下的地方使用一个池塘的处理方案来代替一个机电废水处理系统，它可以在30年的设计寿命里节电35万千瓦时。他们注意到，对于英国，在那里生产每度电平均排放0.43公斤的二氧化碳，这相当于每年排放500吨二氧化碳，这就需要面积超过200公顷松林来吸收。池塘系统一般是用于世界各地的小量废水处理的技术，但迄今HRAP并没有因为这几十年来提供简单，性能可靠兼性和成熟的池塘而得到广泛应用。然而，随着监管压力升级：去除营养物和随后的藻类收获，以及潜在的改进温室气体的管理。HRAPs提供可再生能源的生产，他们很可能会越来越广泛的被应用。3.藻类生产许多来确定最大光合太阳能转换效率理论方法在文献中已有描述，这些总结在表2中。例如沃克（2002，2009）所描述的''Zscheme：在光系统需要四个光子将水分解成氧气和四哥质子，然后需要光系统II来合成的四个质子（H+）和二氧化碳转化为藻类生物量（CH2O）。藻类是容易受到光饱和和抑制。而光饱和度（LSAT）是依赖于藻菌株和培养密度，多数藻类的生长受到抑制的光照水平200lmol/m2/s，只有约10-17％的最大夏季和冬季太阳能PAR辐射（2000年和1200lmol/m2/s分别）。因此，最大藻光合转换效率（GMAX）是总太阳辐射的1.3-2.4％。由于藻类生物量的比重将因维持细胞（如暗呼吸）和衰减丢失，需要将这方面的损失生产力进行核算，并已估计为10％。因此，在新西兰哈密尔顿我们的实验中HRAP的生产力约是24g/m2/d。此计算出的夏季藻类生产率非常相似与测量值（25g/m2/d，在表3中给出）。然而，在延长的期间（1年）需要更详细的研究，以确认藻生产率和太阳辐射之间是否有关系。在商业生产和废水处理HRAPs测量藻类生产力从12-40g/m2/d，这取决于藻种，气候和操作。4.影响藻类生产的参数4.1光照和温度在没有营养限制的条件下，光合作用随着光照强度增大而增大，直到达到最大藻类生长速率达到光饱和点。增加光的强度超过该点可导致光氧化（也称为光抑制），破坏藻类的光受体和降低光合速率和生产率。随着藻类浓度的增加也是如此遮光效果这时也出现了。例如，将300gTSS/m3藻类浓度的HRAP的前15CM中几乎所有可用的光（PAR）的吸收，使池塘深度的休息，在黑暗中。然而，通常情况下HRAPs的设计与约30厘米深，湍流涡旋，来自各地的池塘水流量产生，并通过池塘深度黑臭混合提供一定程度的垂直混合从而确保藻类生物量间歇地暴露于光。藻类生产率随着温度升高而升高，随着池塘温度达到最佳温度高于其增加藻类呼吸和光呼吸降低整体生产藻类生产力的提高。藻类生长测定的最适温度随藻类物种之间有所不同，但通常是28和35℃。然而，最佳的温度随养分或光条件限制而不同，并且生长往往下降时藻类经受一个突然的温度变化，例如，高温适于藻菌株对10的曝光4℃导致叶绿素减少50％在短短的15小时。4.2池塘水的pH值和CO2池塘水的pH值影响到藻类的生长和代谢的许多方面，包括进行光合作用的二氧化碳的吸收和养分离子的吸收等生化过程。池塘水的pH值是生产率，藻类/细菌呼吸作用，培养基碱度和离子组成的函数。自养和异养微生物活性和CO2添加系统的效率的离子组成。高效藻类塘中的藻类光合作用的CO2和HCO消耗可提高ph值，往往超过pH值11。升高的pH值可起到增强氨-N的去除从池塘液体通过氨挥发和除磷通过磷酸盐沉淀与未螯合的三价铁，钙和镁。平衡转变到更高的游离氨的浓度在高pH值可显著抑制藻类生长。例如，34和51g/m3，在pH9.5的淡水藻，斜生栅藻，50％和90％（20-25℃）降低藻类光合作用，分别游离氨的浓度。此外，该氧化有机物的废水处理高效藻类塘好氧异养细菌有8.3的最佳pH值，高于该细菌的活动正日益受到抑制。因此，pH值不仅可以影响藻类的生长，而且在废水处理HRAPs脱氮效率。许多淡水藻类的最佳pH大约为8。高于或低于8的pH降低生产力，例如魏斯曼和戈贝尔（1988）表明，角毛藻和小球藻的生产能力分别下降了22％，当pH值由原来的8升到9。然而，有些藻类是，能够远高于pH值为8，如安芙兰藻生长，生长并没有受到抑制，在pH9和10。在废水处理HRAP二氧化碳可用性主要依赖于由细菌有机物的异养氧化，然而，生活污水一般含有的碳不足以完全支持最佳藻类生产（3-7C：N比污水与6-15C：N藻生物量）。在实验规模的废水处理HRAPs，加入CO2已显示出提高藻类的生产能力，标准的商业藻类生产HRAP系统也添加。相比之下，只有少数水处理HRAPs和5公顷演示系统的污水处理厂没有添加。4.3溶解氧在HRAP强烈的光合作用可以增加池水的溶解氧水平200％饱和。超过正常空气饱和度的高溶解氧水平被认为是藻类生产力的影响。例如Molina等人指出，光合活可以通过测定稳定状态下藻类生物量浓度氧的生成速率，混合物在200〜300％的溶解氧饱和度分别降低了17-25％。需要更多的研究来证明高氧含量对藻类生产的影响。4.4营养素在商业化生产高效藻类塘系统中，肥料通常过量添加，以避免藻类生长的营养受到限制。假设藻类生物量具有典型的组合物，肥料与N：P为16，这是需要的。但是，这个比率从约4:1到40:1不用，它几乎取决于藻类和藻类培养养分有效性，因此，生产效率高也可以即使在相对底比率条件下实现。4.5浮游动物食草动物和病原体HRAPs是比较容易受到草食性原生动物和浮游动物的影响，它们可减少藻类浓度和生产水平在短短几天之内。例如，轮虫和枝角类在高密度（105/L），在两天之内减少了90％的藻类浓度。寄生真菌和病毒感染也可在几天之内显著减少池塘藻的数量以及改变藻细胞结构，多样性和繁殖。5.优化废水处理HRAPs中的藻类生产最大的藻类生产废水处理HRAPs可以通过减轻限制的条件，克服抑制参数，并通过藻类食草动物和病原体的控制来实现。本节讨论了一些切实可行的办法，以提高收获的藻类生产。5.1添加二氧化碳提高藻类产量添加CO2可以提高藻类产量，也可以调节水的ph。这可以通过HRAP最大的水pH值控制到8.0由二氧化碳增加简单地实现。而去除营养物（通常是一个重要的废水处理目标）通过物理-化学过程，如氨挥发和磷酸盐沉淀可以通过加入CO2到废水处理HRAP被减小，它已经表明，这种减少可以通过藻类产量的增加和相关营养素的吸收而得到补偿。许多研究人员提出，废物排放的气体，如来自矿物燃料燃烧，发电厂的烟道气，可以用来作为二氧化碳源，以尽量减少在全规模应用的运营成本。备选地在污水处理设施附近，如沼气厌氧处理池和热电厂，那么这废气可以用作CO2源为HRAPs。5.2废水处理HRAPs藻类物种控制藻类在废水处理HRAPs使用的理想的物种是：（1）较高的增长速度（高生产率），在废水营养素主要是氨，氮和磷-P的环境里（2）耐受季节和昼夜变化户外生长条件;（3）要能聚集，从而使简单的重力便可收获。高含量的有价值的藻细胞成分也可以是可取的。高效藻类塘中的藻类物种优势可以由许多环境（温度，光照），操作和生物参数来确定。