藻类能高效处理污水同时制造能源?

藻类处理污水制造生物燃油
来源:科技日报

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环境污染和能源短缺是当今人类面临的两大难题,世界各地的科学家一直为此在进行着努力,但所取得的研究成果更多的都是非此即彼的单项突破,能将两者联系起来的少之又少。有没有一种方法能够在消除污染的同时制造能源?日前美国莱斯大学的一项研究让我们看到了些许曙光。

  神奇!吃进污水变出油

这项发表在学术期刊《藻类》上的成果基于对美国休斯敦市一座污水处理厂为期5个月的研究。莱斯大学的科学家们发现一种混合水藻能够以城市污水为原料生产生物燃料。

这些高价值水藻不但极易成活,还能有效去除城市废水中90%以上的硝酸盐和50%以上的磷。根据美国国家环保局的数据,城市水体中过量的氮和磷正是“美国最普遍和最富挑战性的环境问题之一”。加之目前的废水处理技术在去除硝酸盐和磷的低效益,废水养藻的意义更是不言而喻。而在完成净化污水的任务后,这些藻类还能变成汽车可用的生物燃油,满足交通运输业的用油需求。

此外,藻类还有一个最大优势是,与传统的玉米或糖制成乙醇燃料不同,它不与粮食争地,不与人口争粮。根据美国能源部(DOE)2010年的《国家藻类生物燃料技术路线图》,与传统生物质能源相比,藻类每公顷能多生产10倍的燃料。真是活脱脱的一个宝贝。

  难怪!被逼无奈出下策

不过此前对待水藻制油,美国人并没有这么乐观。

早在5年前,藻类制油就是可再生能源领域内的一个热门话题,各种探索性的技术层出不穷。但人们最终发现,通过藻类大规模生产生物燃料是不现实的,因为这需要耗费太多的水、能源和肥料。

美国国家科学院下属国家研究理事会(NRC)在2012年的一份研究报告中指出:如果在当时的技术条件下,用藻类每年生产390亿升的生物燃料——大约占美国运输燃料需求的5%,所需的投入将是 十分惊人的:需要3.15升到3.65升的水才能够生产相当于1升汽油的藻类生物燃料;此外,如果要生产390亿升的藻类生物燃料,种植者还必须添加600万到1500万吨的氮,以及100万到200万吨的磷。这相当于美国44%到107%的全部氮用量,以及20%到51%的全国农业磷用量。

被这一巴掌打醒后,美国的藻类工业的重心就逐渐转向了生产药物、营养品和化妆品,这些高价值、低容量的领域。人们对其生物燃料的属性的关注逐渐降温。

论文第一作者莱斯大学科学家米纳克什·巴塔查尔吉,已经在这一领域持续进行了28年的研究。她说,经过这些年的发展,作为高价值产品,藻类行业日渐稳固,但在生产上仍然严重依赖化肥。展望未来,如果要生产容量更高的产品就必须首先解决可持续发展问题。从长期来看,藻类行业对化肥的过度依赖对整个行业来说并不是一件好事情:首先这会降低行业整体利润空间;其次,对化肥日渐增长的需求,还会导致藻类行业与本来井水不犯河水的粮食产业形成竞争和摩擦。因此,废水养藻其实是一个迫于无奈的选择。

  原来!温度是个关键点

巴塔查尔吉说,类似的想法在论文和书本中被提出已经有相当长的一段时间了,只不过还有一些具体的细节问题没有解决,如能否在开放的环境中养殖,使用单一藻类还是混合养殖等。她说:“不知出于何种原因,在我们之前对此进行实践的人少之又少,我们感到十分惊讶。”

在新的研究中,巴塔查尔吉和她的研究小组得到了休斯敦市公共工程与工程部协助。在该部门的帮助下,莱斯大学的研究人员在休斯敦一家废水处理厂中修建了12个用于养殖水藻的开放水池,每个水池大约能存水600加仑(2.27立方米)。这些水池直接与污水处理厂用于去除污水中固体的过滤器相连。每个水池中都养殖了不同的藻类。有一些水池中则混合养殖了多种藻类,其中还包括来自休斯敦当地的藻类。一些水池中除了藻类还饲养有以浮游生物为食的鱼类。

论文共同作者莱斯大学生物科学教授埃文·西曼说:“此前的研究已经表明,对开放养殖而言藻种的不同组合可能效果更好。我们认为在其中饲养鱼类还可以消除对藻类有害的浮游生物。五个月下来的结果让人非常振奋鼓舞,因为此前的研究更偏向于没有鱼类的单一养殖,我们的研究找到了一种让藻类生产实现最佳效益、最优表现的方法。”

此外,研究人员还对废水养藻的适用环境以及能效比进行了评估。结果发现,在休斯敦当地所进行的实验对废水中磷的去除效果要比堪萨斯的实验高出4倍以上。巴塔查尔吉解释称,这可能是温度的原因。休斯敦的测试主要集中在夏季和秋季,温度比堪萨斯州要高的多。如果温度是关键,那么在美国东南和西南地区种植可能会更加经济。

目前,莱斯大学的团队正在测试不同的变量会对最终结果产生怎样的影响,并据此对该技术进行优化,以吸引更多的投资者。他们希望未来能够与更多的城市进行合作,来进一步确定这种藻类的潜力。

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