微藻固碳:生物减排技术新选择

2021-06-28 21:50 绿创碳和
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引领绿色发展,打造产业综合服务生态

藻细胞内主要含有蛋白质、油脂、碳水化合物等生化组分,藻种不同,其形态结构及各组分含量也不同。微藻光合自养利用太阳能固定CO2的效率及生长速率可达陆生植物的5~10倍,不与粮食作物争地,可在淡水、海洋、盐碱湖及生活和工农业废水等多种水环境下生长。


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微藻光合作用可将无机碳转化为有机碳,是生物固碳的典型代表,每生产100t微藻生物质可以固定183tCO2,其光能转化效率是陆地植物的10~50倍。微藻具有生长速率快、油脂产量高、占地面积少、不与粮食作物争耕地等优势。另外,微藻对氮、磷有较高的利用效率,能够有效去除污水中NH4+、NO3-、PO43-等污染成分,从而降低污水排放受纳水体的富营养化风险。微藻培养的能源化与资源化潜力主要表现在微藻生物质富含蛋白质、脂肪酸、多糖、维生素等高附加值营养物质,且部分藻种油脂超过干重含量的80%,微藻油脂可替代粮食作为生物能源制备的第三代原料,以微藻固定CO2为代表的温室气体生物减排技术必将展现出巨大的市场发展潜力与社会环境效应。


01

微藻培养系统


微藻培养系统是为微藻生长提供必备条件,并进行CO2固定、污染物处理及生化产品制备的反应装置。根据装置是否密闭可分为开放式培养系统和密闭式培养系统。开放式跑道池是最典型的开放式培养系统,而密闭式培养系统主要指密闭式光生物反应器(PBR)。


开放式跑道池


20世纪40年代,开放式跑道池培养微藻在德国兴起,旨在收获微藻作为食品添加剂。开放式跑道池的优点是结构简单、运行简便、投资成本低廉及操作自动化程度高,其培养技术经过深入广泛的试验,已普遍应用于微藻的大规模培养,开放式跑道池多设计为回转廊道式,由多组跑道池单体组成,通过搅拌轮或搅拌桨进行混合,藻液深度一般在20~30cm,在保证光照透射深度的同时满足藻液混合循环、曝气以及平衡水分蒸发对深度的要求。开放式跑道池培养面积迥异,**单池面积达2km2。开放式跑道池理论生物质产量可达40g/(m2·d),即每年14600t/km2,但实际生产中开放式跑道池的微藻产量远低于该值。螺旋藻和小球藻对盐度、温度、菌藻污染等极端条件表现出极强的适应性,尤其适于开放式跑道池中的培养,微藻产率达到13.2g/(m2·d)。


开放式跑道池


由于培养体积和面积大,开放式跑道池容纳的CO2和微藻生物量大于封闭式光生物反应器,但微藻培养过程受日照、气候、地理位置等自然环境条件影响较大,导致跑道池选址成为影响其运行成本和微藻产量的重要因素。开放式跑道池运行过程中易受杂菌污染,真菌、病毒、原生动物和其他优势藻种在一定条件下很容易破坏开放池目标藻种的平衡体系,降低微藻生长速率和油脂积累。水分蒸发、温度波动、降雨等培养条件不稳定均会导致藻细胞培养密度偏低、采收成本较高。虽然跑道池中藻液培养体积大,溶解CO2能力高于密闭式光生物反应器,但其开放式表面使得溶解性CO2易解析,导致微藻生长体系的CO2供给不足。


密闭式光生物反应器


密闭式PBR是能够调节光照、温度、pH等培养参数的控制系统,培养条件稳定,易于实现无菌操作与高密度纯种培养,是微藻培养系统的发展方向。


平板式PBR


密闭式光生物反应器具有以下特点:

1.比表面积大(表面积与体积比),光传质效果好,光能利用率高;

2.微藻产率较高,CO2利用率高;

3.无菌操作,实现纯种培养,适用藻种范围广,应用性强;

5.放大培养受限制。


管道式PBR


目前,密闭式PBR在微藻培养方面的主要应用方式为小型培养装置中的微藻生理特性、细胞生长动力学、代谢产物积累与代谢途径试验研究;而中型装置则进行高价值微藻及其附属产品的生产。随着对PBR研究的进一步深入以及原材料成本的进一步降低,其商业化规模应用前景广阔。为降低PBR投资和运行成本,提高微藻产量和CO2去除效率,需从反应器结构设计、气液传质和光传递等方面考虑。常见的密闭式微藻光合自养培养PBR有垂直柱式PBR、平板式PBR和管式PBR。


02

燃煤烟气微藻固碳


在工厂燃煤烟气处理模式中,微藻固碳减排技术提供了一种新的思路,相关的技术人员通过运用固碳减排技术能够有效对燃煤烟气当中的二氧化碳、氮氧化物等物质进行全面的处理,通过微藻的再生,提高燃煤烟气处理工程整体的质量,为工业领域绿色环保发展提供技术支撑。


微藻光合固碳


微藻生物中最多的就是碳元素,一个微藻生物能够有效控制一部分的碳元素。在燃煤工业企业中,微藻固碳减排技术可以将燃煤烟气中产生的二氧化碳溶解到微藻溶液中。在燃煤烟气处理过程中,相关的技术人员通过相应的仪器设备将燃煤烟气收集并输送至微藻溶液内,运用微藻固碳减排技术能够将燃煤烟气中的二氧化碳通过微藻细胞进行固定,从而减少燃煤烟气中二氧化碳的含量,达成固碳的目标。由于微藻固碳的机理是源于微藻的光合作用,通过改善外界条件,刺激微藻光合作用的速率,可以有效增强微藻溶液对二氧化碳的溶解和吸收,提升微藻固碳的综合效率。微藻生物能通过光合作来对自身的二氧化碳进行机能转换工作,从而保证微藻的繁殖及发展。进一步提升微藻光合固碳的速度,从而能够处理更大流量的燃煤烟气,循环往复,形成良性循环。


微藻减排氮氧化物


燃煤烟气中除了存在大量二氧化碳,还有一部分氮氧化物,现有的氮氧化物脱除技术需要特定的仪器设备,在脱除氮氧化物的同时,也增加了一定的能源消耗,如果利用微藻减排技术,能够通过微小的投入取得更好的效果。氮氧化物包括多种化合物,如一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮、四氧化二氮和五氧化二氮等。除二氧化氮以外,其他氮氧化物均极不稳定,遇光、湿或热变成二氧化氮及一氧化氮,其中一氧化氮又变为二氧化氮。燃煤烟气中主要为一氧化氮和二氧化氮,并以二氧化氮为主。氮氧化物都具有不同程度的毒性。氮氧化物中氮元素属于一种比较常见的物质,在自然界中广泛存在,在生物体内亦有极大作用,是组成氨基酸的基本元素之一,氨基酸是构成生物营养所需蛋白质的基本物质。


微藻减排技术中脱除燃煤烟气中氮氧化物的方式主要有两种:**,燃煤烟气直接与微藻接触吸收;第二,将氮氧化物投入相关的溶液中进行溶解,然后让微藻在溶液中进行吸收。但是,在微藻吸收氮氧化物的过程中,不同的吸收方式会存在着一定的差距。微藻在吸收氮氧化物时,自身的形态会发生一定的改变,为保证微藻传递吸收氮氧化物整体的质量,技术人员需要把控氮氧化物传递的速度、微藻溶液中氮氧化物的溶解度数等。最后,为保证微藻吸收氮氧化物的质量,相关技术人员需要把控氮氧化物溶解的时间,扩大烟气与微藻溶液的接触面积,尽可能在吸收过程中使微藻吸收更多的氮氧化物,从而产生更多的相对应的化合物。但是,由于在溶解吸收过程当中微藻所产生的化合物的稳定性不能够得到保证,后续仍需要进一步的研究工作,从而保证微藻减排氮氧化物技术的成熟和发展。


03

固碳微藻生物质采收集成系统

固碳减排积累的微藻细胞经采收、干燥处理后,可用于提取高附加值产物(如叶黄素、虾青素等)及转化制取生物质燃料(如柴油、甲烷、乙醇等)。由于微藻细胞直径小,在培养液中的浓度较低(0.5~2.0g/L),密度与水相近,且细胞表面带负电荷,在溶液中呈稳定的分散状态,导致采收难度较大。通常需要通过絮凝、离心、过滤或气浮等方法进行采收浓缩微藻细胞,过程能耗约占相关微藻生产总成本的20%~30%。而采收后获得的生物质还需要进行干燥处理,其后才能进行高附加值产品的后续生产,该过程消耗的热量可超过微藻含能量的50%。另外,随着室外环境温度的变化,为保证微藻适宜的生长条件,光生物反应器的温度控制也至关重要,而加热反应器需要消耗微藻含能量的36%~59%。


微藻烟气固碳减排及微藻生物质采收集成系统


所以,为了进一步提高微藻烟气固碳减排及微藻生物质采收集成系统的总体经济可行性,可将电厂烟气的余热、余压利用集成到系统中,微藻烟气固碳减排及微藻生物质采收集成系统。该系统中,烟气中的CO2、NOx、SOx、重金属等为微藻光合自养生长提供了碳源、氮源、微量元素等营养物质,微藻进行光合自养生长的同时实现了烟气污染物的固碳减排。利用烟气余压则可采用过滤法、气浮法等对微藻进行分离浮选。而烟气余热不仅可以用于藻体的干燥处理,为后续产品的生产过程提供前提,而且还能用于反应器内培养温度的控制。此外,为了减少系统中微藻培养的淡水需求,可将市政或农业污水集成到系统中,实现污水净化处理的同时获得微藻生长所需的丰富水源、氮源、磷源、微量元素等营养物质。燃煤电厂烟气余热、余压利用耦合微藻烟气固碳及微藻生物质采收的集成系统旨在降低微藻培养及生物质采收、干燥处理过程中的能耗及成本,实现系统的可持续性发展。


绿创碳和协助地方政府与园区,围绕如下几个方面开展工作:


一、系统性宣贯应对气候变化领域政策


二、积极落实能耗双控制度,提出控煤工作路径及方法,协助完成压煤目标,合理降低能耗总量和强度,减少碳排放;


三、协助制定“碳达峰及碳中和”实施路径及行动方案,提升碳减排和碳资产管理能力;


四、组织开展城市、工业园区、机构、企业、产品、等“碳中和”咨询、核查、认定服务


五、在碳交易过程中,为买卖双方提供咨询服务,确保交易过程中的有效合规;


六、推进低碳领域的标准化建设,制定、发布相关标准;


七、碳减排人才培训服务



发起双碳专委员会,并倡议内容包括:


一、树立“零碳”导向的新型生活理念。强化绿色低碳与节能环保意识,形成争做“零碳先锋”的良好社会氛围,以进一步推动降低能耗、提高能源使用效率和优先使用清洁能源。


二、研究“零碳”导向的产业新业态。发起“零碳园区”相关课题研究,开展经验借鉴、学术交流和示范应用,以促进形成符合我国国情的以“零碳”为导向的产业发展模式。


三、鼓励“零碳”导向的技术创新。积极推动绿色、低碳、环保、新能源等技术创新,为新技术发展提供资源支持,为新技术的推广应用开拓空间,以促进新技术进步与成本下降。


四、推动“零碳”导向的项目落地。前瞻2030年和2060年的国际碳减排大趋势,以“零碳能源”、“零碳交通”、“零碳建筑”为主要内容,在全国推动落地30个零碳科技园,打造100个零碳工业园、1000家零碳工厂、1000座零碳校园、1000家零碳医院及1000个零碳社区,助力加快推进绿色“新基建”进度。


五、促进“零碳”导向的绿色投融资。以“零碳中国,绿色投资”为主题,发起“零碳”绿色产业基金。鼓励社会民间资本积极参与“零碳能源”、“零碳交通”、“零碳建筑”等“零碳”示范项目的投资,并带动更多来源绿色的国内外资金投入。


六、开展“零碳”导向的国际合作。计划每年举办“零碳创新”系列活动,着力打造“科技创新与绿色投资大会”、“新基建 绿色投资大会”、“国际清洁能源投融资大会”等品牌国际会议,为国内外企业和机构搭建权威国际合作平台,积极引入国际先进理念、技术和资金渠道,加强相关产业与国外的技术交流与项目合作,全方位助力我国向“零碳”经济转型发展,为2060年全球实现净零碳排放目标做出积极贡献。



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