顆粒在線訊：背景介紹

微生物技術(shù)的發(fā)展有利于將微藻生物質(zhì)視為第三代生物能源生產(chǎn)的生物質(zhì)原料。將廢水作為微藻的培養(yǎng)基具有顯著的優(yōu)勢，不僅能降低運營成本，還能進一步處理廢水。然而，廢水的營養(yǎng)成分具有較大的差異，微藻生長需要的關(guān)鍵營養(yǎng)元素可能完全不存在，因此需要調(diào)節(jié)廢水的營養(yǎng)成分，作為適宜微藻生長的培養(yǎng)基。在微藻生物質(zhì)利用的多種方法中，熱解方法被認為是一種最有效的方法用于微藻生物質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化。研究利用廢水進行微藻生物質(zhì)生長的最佳方法，以及適當?shù)臒峤鈼l件，可能有利于最終生物燃料的質(zhì)量。從微藻在調(diào)整后的廢水中生長到最終的熱解和產(chǎn)品精煉，整個過程中生命周期評估的利用對于探索和實現(xiàn)減少環(huán)境影響的新技術(shù)應用具有特別重要的意義。

基于此，英國克蘭菲爾德大學Tao Lyu教授等人設計了一種精確的廢水調(diào)節(jié)方法（根據(jù)特定水質(zhì)添加營養(yǎng)），以提高微藻生物燃料的生產(chǎn)。并研究了微藻熱解溫度與生命周期評價相結(jié)合，評估了整個過程的環(huán)境影響，確認所研究方法的可持續(xù)性。其模式流程圖如圖1。該結(jié)果對于進一步開發(fā)此類廢水改性和過程控制策略具有重要意義，對生產(chǎn)高質(zhì)量的微藻生物燃料具有指導作用。

圖1. 生命周期評價流程圖

圖文解讀

熱重法作為熱解過程研究中廣泛應用的參數(shù)，通常用來表征微藻生物質(zhì)熱解過程中的熱分解速率。藻類熱解的三個階段如圖2，包括水分散失階段（不高于150℃），碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的降解階段（不高于550℃）和碳化階段（高于550℃）。

圖2.熱解過程的熱重和衍生熱重分析

從微藻熱解中獲得的產(chǎn)品很大程度上取決于培養(yǎng)介質(zhì)的化學狀態(tài)和熱解溫度。在所有熱解產(chǎn)物中，脂肪烴、芳香烴、脂肪酸和一些痕量化合物，例如苯酚，被認為是具有經(jīng)濟價值的產(chǎn)物。如圖3a，調(diào)節(jié)廢水培養(yǎng)出的微藻熱解產(chǎn)品中，藻類脂肪烴的含量高于其他兩種培養(yǎng)基。在較低的溫度（300-400℃）下，高值化合物（例如脂肪烴和脂肪酸）的產(chǎn)量最高。而在較高的溫度（高達800℃），其高值品芳烴和脂肪酸的產(chǎn)量增加。然而，與在BG11(10.82%)和厭氧消化未調(diào)節(jié)廢水(8.33%)培養(yǎng)基中培養(yǎng)的樣品相比，調(diào)節(jié)廢水培養(yǎng)的微藻生物質(zhì)熱解產(chǎn)物中PAHs含量 (7.09%)較低，如圖3b。

圖3. BG11培養(yǎng)基、厭氧消化流出物和調(diào)整的厭氧消化流出物培養(yǎng)的微藻生物質(zhì)的熱解產(chǎn)物，a) 有價值的化合物，和 b) 有毒化合物（A：調(diào)節(jié)廢水的流出；O：原始的廢水；B：BG11）。

生命周期評估

作為研究的邊界，作者的生命周期評估考慮了微藻培養(yǎng)、收獲和生物質(zhì)熱解的過程。對于三種不同培養(yǎng)基培養(yǎng)的微藻，其收獲過程的能量消耗比例最大，如圖4。直接使用沼液作為培養(yǎng)基，比BG11培養(yǎng)基相比，可將總能源消耗從20331.5 MJ降低到17489.9 MJ。而使用調(diào)節(jié)后的廢水進行培養(yǎng)微藻，能進一步降低能耗，可將總能耗至12314.2 MJ。

圖4. 能源消耗分布

與此同時，還評估了對環(huán)境的影響，包括全球變暖潛能值、酸化、富營養(yǎng)化和光化學氧化合成。調(diào)節(jié)后的沼液廢水的1kg微藻生物質(zhì)的熱解產(chǎn)物在所有四個所選參數(shù)中產(chǎn)生的總體環(huán)境影響較低，因此導致總體環(huán)境影響顯著降低如圖5。兼顧產(chǎn)品和可持續(xù)性，調(diào)節(jié)后的沼液廢水培養(yǎng)微藻可以顯著減少對環(huán)境的影響，同時還實現(xiàn)更高價值產(chǎn)品以及減少最終材料中的有毒化合物的潛力。

圖4. 不同介質(zhì)的加權(quán)生命周期評估，a) 加權(quán) LCA 指數(shù)，和 b) 百分比分布。

總結(jié)與展望

通過添加少量的Mg、Fe和P，調(diào)節(jié)厭氧消化的沼液可以顯著促進微藻生物質(zhì)的生長并改善其組成，從而提高生物燃料的產(chǎn)量。與原始沼液和標準BG11培養(yǎng)基相比，生物質(zhì)中化合物的變化具有更高的耐熱性。高值產(chǎn)品脂肪烴和脂肪酸分別提高了23.98%和42.33%，同時調(diào)節(jié)后的沼液培養(yǎng)基的微藻熱解品中的有毒化合物（含氮化合物和PAH）也減少了。此外，如生命周期評估所示，這種方法還有助于減少廢水對環(huán)境的影響。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131768