李鵬程，李美狄，尹慶蓉，毛煒煒，宋春風(fēng)

(天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年排放到大氣中CO2約33.4億t，其中40%的CO2由燃煤電廠產(chǎn)生[1-2]。工業(yè)CO2排放帶來一系列環(huán)境問題，如氣候變暖、冰川融化等[3-4]。如何高效進(jìn)行CO2捕集和資源化利用成為關(guān)注重點(diǎn)。

對(duì)燃煤電廠煙氣中CO2捕集與封存能大幅減少排放到大氣中的CO2[5]。與燃燒前捕集相比，燃燒后捕集技術(shù)更加成熟，包括化學(xué)吸收、物理吸附、膜分離和微藻生物固碳等技術(shù)[6-8]。化學(xué)吸收法具有吸收速率快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但CO2解吸過程存在高能耗問題[9]。近年來，微藻生物固碳由于其綠色、經(jīng)濟(jì)，無二次污染備受關(guān)注。微藻經(jīng)光合作用將CO2轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，生成色素、食品和油脂等高價(jià)值產(chǎn)品。每產(chǎn)生1 t生物質(zhì)干重消耗CO21.83 t[10]。微藻固碳技術(shù)得到廣泛研究，WANG等[11]研究表明通過微藻馴化，可提高微藻對(duì)高濃度CO2毒性的耐受程度。張響東[12]利用亞精胺增強(qiáng)了小球藻對(duì)燃煤電廠煙氣中體積分?jǐn)?shù)15%的CO2和高光強(qiáng)(30 000 LX)的抗逆性，顯著提高了固碳效率。微藻固碳大規(guī)模應(yīng)用前仍有問題需要解決，如CO2在基質(zhì)中的傳質(zhì)效率低，存在CO2逃逸問題，導(dǎo)致微藻固碳率較低。

1 試 驗(yàn)

1.1 藻種和材料

圖1 化學(xué)吸收耦合微藻固碳的BECCS系統(tǒng)Fig.1 Chemical absorption-microalgae hybrid BECCS system

對(duì)照組的總氮量為Zarrouk培養(yǎng)基中的總氮量，參照LI等[20]研究結(jié)果，NH4HCO3和NaNO3質(zhì)量濃度比設(shè)置為1∶4。對(duì)照組不涉及任何補(bǔ)料，所有試驗(yàn)組初始接種量OD560(波長560 nm下的紫外分光光度值)=0.2。試驗(yàn)周期為15 d，每3 d取樣測(cè)定OD560、總氮、氨氮、無機(jī)碳等指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定產(chǎn)物中油脂、碳水化合物、蛋白質(zhì)等含量。批次試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法見表1。

表1 批次試驗(yàn)氮源添加量Table 1 Amount of nitrogen source added in batch experiment

1.2 培養(yǎng)條件

首先用Zarrouk培養(yǎng)基對(duì)誘變螺旋藻進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，并以0.1 cm3/min流速通入5%的CO2(5% CO2+95% N2)，將處于對(duì)數(shù)生長期的誘變鈍頂螺旋藻作為接種藻株。試驗(yàn)過程中，在250 mL錐形瓶中裝入200 mL上述不同NH4HCO3與NaNO3比例的培養(yǎng)液，初始接種OD560為0.2，培養(yǎng)溫度為(30±1)℃，全天光照，光照強(qiáng)度4 000 LX，每組3個(gè)平行試驗(yàn)，每天固定時(shí)間搖瓶震蕩。

1.3 分析方法

1.3.1 螺旋藻生物量的測(cè)定

螺旋藻生物量與OD560存在一定線性關(guān)系，可將藻液OD560轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)干重。標(biāo)準(zhǔn)曲線表示為

X=0.404OD560-0.001 6，R2=0.998，

(1)

式中，X為生物質(zhì)干重質(zhì)量濃度，g/L。

每3 d取樣一次，測(cè)定OD560，計(jì)算生物質(zhì)干重。生物質(zhì)生產(chǎn)率計(jì)算公式為

P=ΔX/Δt，

(2)

式中，P為生物質(zhì)產(chǎn)率，mg/(L·d)；ΔX為Δt時(shí)間內(nèi)的生物質(zhì)質(zhì)量濃度變化量，g/L；Δt為培養(yǎng)周期，d。

1.3.2 溶液中氮含量及固氮率

NF=XN/TN，

(3)

式中，NF為固碳率，%；TN為系統(tǒng)中添加的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮總和，mg/L；N為通過元素分析儀測(cè)定的生物質(zhì)中氮元素含量，%。

1.3.3 固碳能力

參考SONG等[22]研究方法計(jì)算固碳量A，具體表示方式為

A=44PC/12，

(4)

式中，C為螺旋藻碳元素含量，%。

1.3.4 油脂、多糖、碳水化合物和蛋白質(zhì)

油脂含量采用尼羅紅染色法測(cè)定[23]，多糖和碳水化合物采用改良的苯酚硫酸法測(cè)定[24]。根據(jù)氮含量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量的關(guān)系乘以系數(shù)6.25，計(jì)算蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度[25]。

D=6.25XN，

(5)

式中，D為蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析(ANOVA)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示。平均值基于平行試驗(yàn)得到，且在95%置信區(qū)間。所有試驗(yàn)組設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 分批補(bǔ)料對(duì)微藻生長的影響

圖2 不同分批補(bǔ)料模式下微藻生物質(zhì)干重變化Fig.2 Dry weight variation of microalgae biomass under different feding-batch modes

2.2 耦合系統(tǒng)中的氮分布

分批補(bǔ)料模式下氮的去向有3種：被螺旋藻吸收利用、由于氨的揮發(fā)損失、殘留在培養(yǎng)基中。不同組別下氮分布情況如圖3所示。由圖3可以看出，第1～4組培養(yǎng)期間的總氮量分別為540、440、470和526 mg/L，表明分批補(bǔ)料可以降低培養(yǎng)過程中總氮量，且第2組分批補(bǔ)料模式下所需總氮量最少，但生物質(zhì)干重卻與對(duì)照組相近(圖2)。第2組螺旋藻的固氮率為32.33%，與對(duì)照組相比，提高了51.00%。這與SONG等[23]研究結(jié)果一致，即分批補(bǔ)料可提高微藻的固氮效率。

2.3 分批補(bǔ)料對(duì)微藻固碳能力的影響

圖4 不同分批補(bǔ)料模式下的固碳量Fig.4 Carbon sequestration under different feding-batch modes

2.4 分批補(bǔ)料對(duì)螺旋藻后期產(chǎn)物的影響

2.4.1 油脂和蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度變化

圖5 不同分批補(bǔ)料模式下油脂和蛋白質(zhì)含量Fig.5 Lipid and protein yield under different feding-batch cultivation modes

2.4.2 多糖和碳水化合物質(zhì)量濃度變化

分批補(bǔ)料對(duì)螺旋藻多糖和碳水化合物的影響如圖6所示。由圖6可以看出，對(duì)照組的多糖質(zhì)量濃度為112.30 g/L，第1～4組中多糖質(zhì)量濃度分別為22.93、33.49、157.02和27.15 mg/L。與蛋白質(zhì)不同，多糖質(zhì)量濃度最高的為第3組。碳水化合物是碳分子大骨架，對(duì)照組的碳水化合物質(zhì)量濃度為1 298.73 mg/L，第3組獲得最大碳水化合物質(zhì)量濃度為1 632.86 mg/L。綜上可知，補(bǔ)料方式影響油脂、蛋白質(zhì)、多糖和碳水化合物等后期產(chǎn)物的合成，可根據(jù)實(shí)際目標(biāo)產(chǎn)物選擇理想的分批補(bǔ)料形式。

圖6 不同分批補(bǔ)料模式下多糖和碳水化合物含量Fig.6 Carbohydrate and polysaccharide yield under different feding-batch cultivation modes

3 結(jié) 論

2)批次補(bǔ)料條件下，第2組獲得了最高的蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度及固碳量，分別為889.17 mg/L和149.24 mg/(L·d)；第3組獲得了最高的油脂和碳水化合物質(zhì)量濃度，分別為169.32和1 632.86 mg/L。因此，可根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物來選擇理想的分批補(bǔ)料模式。

3)批次補(bǔ)料形式下的化學(xué)吸收-微藻轉(zhuǎn)化耦合體系具有替代傳統(tǒng)單一化學(xué)吸收或微藻固碳技術(shù)的潛力及應(yīng)用前景，在減排CO2的同時(shí)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為碳中和國家戰(zhàn)略提供可持續(xù)的技術(shù)選擇。