微藻技术:治霾脱硝新路径

在对灰霾天气的治理中,我们面临一个困难:脱硝。对我国华北地区雾霾成因的机理研究揭示,硫氧化物和氮氧化物是主要元凶。其中,二氧化氮将二氧化硫氧化生成硫酸盐,对PM2.5颗粒的形成有显著贡献,而这一氧化反应的速率又随pH值上升而大幅提高。目前,工业生产中的脱硝技术主要是利用氨与氮氧化物进行反应生成氮气。但是,氨由氮气和氢气合成,本身要消耗能量、产生污染,与氮氧化物反应重新生成氮气,又使投入的能耗化为乌有。不仅如此,在用氨水进行脱硝反应时,过量的氨进入大气,增加碱性成分、提高pH值,反而会加速雾霾的形成。这就是我们面临的治霾脱硝之困。

有没有新的技术路径可以解决这一问题呢?生物脱硝或可提供答案。其中,利用微藻发酵脱除氮氧化物的方法大有可为。不仅能够避免过量氨对大气的污染,反应生成的生物质还能作为动物饲料添加剂,带来经济效益。

微藻是一类单细胞或多细胞的微小光合生物,一般利用太阳光能进行光合作用、生长繁殖,但也有一些种类能够利用葡萄糖等有机碳源进行高密度发酵生长,也就是异养生长。工业尾气中的氮氧化物可以在适当条件下与水反应生成硝酸根、亚硝酸根,作为微藻生长所需要的氮营养。依靠太阳光能生产微藻要占用大量土地,因此难以用于工厂的尾气处理,但利用微藻发酵技术则使单位面积生物量产率提高上千倍,从而有可能在厂区有限的面积进行生物脱硝。

为实现微藻脱硝技术,有三个关键问题需要解决。其一,需要把工业尾气氮氧化物固定与微藻发酵过程相分离,以保证尾气处理的高效率和可靠度。其二,需要建立微藻利用硝酸根、亚硝酸根规模化发酵生产的技术。其三,需要找到微藻产品的产业出口。

中国科学院水生生物研究所与中国石化石科院合作,逐步解决了以上问题。针对第一个问题,中石化的科研人员建立了氧化条件,将尾气中的氮氧化物高效固定、转化为稀硝酸供微藻培养之用。为了解决第二问题,科研人员筛选获得可以完全不用光照进行异养发酵的藻种,建立以硝酸盐为氮源的发酵模式,实现了十吨规模发酵的成功。为了验证第三个问题,中科院科研人员以微藻作为鱼类饲料添加剂,证明可提高鱼类生长、体色等指标,具有良好应用前景。

据估算,我国每年排放的氮氧化物约为两千万吨,利用微藻发酵技术即可获得解决。理论上说,只要对其中的一千万吨进行固定、利用,可产出约五千万吨微藻,不仅能大大缓解氮氧化物排放问题,还可满足水产行业对饲料添加剂的需求,因而具有切实的应用前景。

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