基于微藻培养的污水再生处理与生物柴油生产耦合技术

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1、2009全国可再生能源一生物质能利用技术研讨会论文集基于微藻培养的污水再生处理与生物柴油生产耦合技术胡洪营、李鑫、杨佳清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点联合实验室北京100084，01o_62794005摘要：水资源和能源危机是2l世纪人类面临的重大挑战。开发高效的氮磷控制技术以及寻找可持续再生、环境友好的新犁能源是解决这些挑战的有效手段。微藻培养技术的出现，为水质深度净化、氮磷高效去除和生物能源生产提供了可能。本文总结了微藻培养技术在污水处理中作为三级处理单元深度净化水质、去除氮磷的应，Hj，并分析了大规模培养微藻以获得生物能源的研究现状。在此基础上，本文提出了将污

2、水处理．I：艺和生产jl：艺耦合的理念，以污水为资源，实现污水处理系统从“处理工艺”向“生产-T艺”的转化，在深度净化污水的同时，以污水为原料获取“新”资源和“新”能源，为缓解当前资源匮乏、能源紧缺的形势提供可能的解决途径。在朱来资源和能源愈加紧张的严峻形式下，基于微藻培养的污水再生处理与生物柴油生产耦合技术具有J．．阔的发展前景。关键词：水资源危机；能源危机；微藻；光生物反应器；污水再生利用；生物柴油水资源危机是2l世纪人类面临的最人挑战之一。随着人类经济活动的发展，氮磷等营养物质大量排入水体，引起水体富营养化，导致藻类异常繁殖和水质恶化。与此同时，全球40％的国家与地区面临着缺水

3、问题，水资源的可持续利川迫在眉睫。利J}}j再生水作为城市第二水源为解决城市水资源的紧缺问题提供了一条新途径IlJ，但再生水中较高含鼙的氮磷容易引起浅水型景观水体的富营养化，影响再生水的景观利用12JJ。因此，开发高效、低成本的水质深度净化技术，是解决当前水资源危机的重要手段之一．近年来世界范围内的人口增长与J：业发展，带来了资源与能源过度消耗、面临枯竭的困境。预计20lO年全球的能源缺口为403EJ·a～，2020年将达到488EJ·a～，而目前新能源的开发利用尚不剑缺口的lO％14J。另一方面，化石能源的燃烧加剧了温室气体的排放。自上世纪50年代起，C02浓度水平和全球温度都有了

4、明显的升高15l。因此，寻找可持续再生、环境友好的新犁能源势在必行。微藻具有生长速率快、收获时期短、光合利Hj效率高等特点，每年同定的C02人约I～全球净光合产餐的40％16J，是目前所知的唯一可能代替化石能源的原料【7l。同时，微藻生长过程中会吸收大量氮磷哺J，可作为污水厂三级处理单元深度净化污水。正是结合了上述优势，近年来微藻技术的应用引起了越米越多的关注。基于微藻培养的氮磷去除技术控制氮磷进入水体，是防J}：水体富营养化的根本措施。国内外人量研究表明，常规污水生物处理：I：艺虽然能够去除污水中大部分有机和无机污染物，但对氮磷营养物质的玄除效果较差19．Ⅻ。化学法的除磷效果良好，

5、但化学药剂成本高，产生的污泥难以处理lII】。自从oswald在1958年提出利用藻细胞去除氮磷的概念以来，基丁．藻细胞培养的污水处理技术有了快速发展112·13l，高效藻类塘(Higllratealgalpond，H凡廿)和藻细胞光生物反应器(AlgalPhotobior朗c％APBR)等微藻培养装置相继出现，并逐步走向应用。微藻去除氮磷的机理微藻在污水深度处理中去除氮磷的机理包括直接作用和间接作用(图1)。微藻细胞能利用水体352009全国可再生能源一生物质能利用技术研讨会论文集中多种无机氮和有机氮化合物作为氮i绣i'利用二氧化碳和碳酸盐作为碳源，进行光能白养生长。被藻细胞吸收的

6、硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐可以Hj于氨基酸和蛋白质等物质的合成；水中的磷可直接被藻细胞吸收，并通过多种磷酸化途径转化成ATP、磷脂等有机物。同时，微藻的光合作用造成水体pH值升高，导致正磷酸盐和NH3·H20分别通过形成沉淀和挥发的形式去除，从而间接去除氮磷㈧1¨引。此外，微藻光合作用形成的高pH值，也可起剑一定的消毒作用117l。，．直接作用l藻类J净化作用llL问接作用(升高pH，改变环境的物化特性){：：：：：二二二{箩溅图l藻类在污水深度处理中的净化作用机理Fjg．1Thc州ncipkofwa吼州砒玎删ficati伽bymi咖lgac因此，基丁光合作用，微藻细胞可以．}}J来去除

7、污水中的氮、磷等营养物质，并以有机物的形式将其储存在藻细胞中。微藻去除氮磷的优势目前污水氮磷处理方法主要有物理化学法和生物法。物理化学法处理费川较高，且易产生二次污染，越米越多的学者关注生物处理法14J。废水二二级处理出水的进一步脱氮除磷是国内外研究的难题和热点。传统的生化二级处理除磷I：艺使人量的磷从污水转移至剩余污泥中，从根本上看，仍然不能消除磷对生态环境的影响。藻类是自养型生物，其生长对废水中的营养要求较低。藻细胞以光能作为能源，利刚氮、磷等营养物质