趙青云，韓 飛，石向星，葉斌華，焦永剛，鐘凱強(qiáng)

（石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050043）

碳達(dá)峰和碳中和是國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)碳減排的重要途徑之一是生物固碳。微藻作為最具潛力的第三代生物質(zhì)能源，具有生長(zhǎng)迅速、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、固碳效率高的優(yōu)勢(shì)，已得到學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。微藻培養(yǎng)與廢水處理相耦合，將廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分吸收轉(zhuǎn)化為自身生命活動(dòng)所需的物質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)城市廢水處理的有效方法〔1-3〕。此外，在自養(yǎng)培養(yǎng)條件下微藻能夠?qū)U氣中的二氧化碳進(jìn)行吸收固定，可作為處理工業(yè)煙氣的一種方法，降低CO2排放量〔4〕。以廢物作為微藻生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)積累，用于微藻生物柴油、營(yíng)養(yǎng)品、藥品及其他高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)，提高微藻生物質(zhì)能源的經(jīng)濟(jì)性〔5〕。此外，將微藻與廢氣、廢水結(jié)合能夠推動(dòng)能源和廢物資源化領(lǐng)域的固碳減排〔6-8〕。

目前對(duì)于微藻處理廢水、廢氣的研究多集中于廢物資源化利用。V. BHOLA 等〔9〕的研究表明，微藻在二氧化碳捕獲中發(fā)揮著重要作用，J. SINGH 等〔10〕的研究表明，微藻可較好地實(shí)現(xiàn)碳捕捉，有效處理廢氣，鐘雪晴等〔11〕的研究表明微藻可以較好地對(duì)含抗生素廢水進(jìn)行處理。目前，研究人員對(duì)微藻-細(xì)菌共生體系在廢水處理中的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)展了廣泛研究，但對(duì)于微藻在實(shí)現(xiàn)廢物利用的整個(gè)生命周期中的固碳、減排效果研究較少。M. NEVIANI 等〔12〕研究發(fā)現(xiàn)微藻可用于生產(chǎn)生物燃料并從煙氣中捕獲二氧化碳，姚麗麗等〔13〕利用混合廢水耦合微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，探究了小球藻對(duì)廢水的凈化能力，但未對(duì)微藻凈化廢水的固碳減排效果進(jìn)行分析。

本研究對(duì)微藻利用廢物實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料生產(chǎn)的分階段全生命周期的固碳和減排效果開(kāi)展研究，核算了微藻處理工業(yè)煙氣和混合廢水的成本及效益，分析了基于全流程的固碳量、經(jīng)濟(jì)效益、減排效果，并對(duì)不同采收周期下生物柴油生產(chǎn)情況、不同電力情景下生物柴油的開(kāi)發(fā)潛力、微藻培養(yǎng)對(duì)不同混合廢水的處理效果進(jìn)行了分析。

1 材料與方法

1.1 微藻生物柴油生產(chǎn)工藝

本研究基于工業(yè)化的微藻生物柴油生產(chǎn)過(guò)程〔14-15〕，為降低微藻生物柴油的成本和生產(chǎn)能耗，從微藻生物柴油生產(chǎn)全環(huán)節(jié)中選取一個(gè)完整單元，對(duì)微藻規(guī)模化培養(yǎng)到微藻生物柴油生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行研究。本研究所建立的生物柴油煉廠微藻生物柴油生產(chǎn)的具體工藝見(jiàn)圖1〔16〕。

圖1 微藻生物柴油生產(chǎn)工藝Fig. 1 Process of microalgae biodiesel production

本研究中，微藻生長(zhǎng)周期為12 d，采用的規(guī)?；⒃迮囵B(yǎng)裝置為開(kāi)放式跑道池，藻液體積共8 090 m3，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 微藻培養(yǎng)裝置示意Fig.2 Schematic diagram of microalgae culture facility

如圖2 所示，培養(yǎng)池頂部有曲形聚酯板，跑道池內(nèi)部設(shè)定有一定梯度，其左右為半圓形，左半圓與直跑道以斜坡連接。直跑道長(zhǎng)度為500 m，左、右半圓直徑為50 m，培養(yǎng)池深度為0.5 m，池中培養(yǎng)液高度為0.3 m〔17〕。在培養(yǎng)池兩端均安裝有攪動(dòng)循環(huán)裝置，攪動(dòng)裝置在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)，促使藻液有效流動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)CO2和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的充分吸收利用，藻液流動(dòng)速度設(shè)計(jì)為0.3 m/s。在跑道池底部均勻安放曝氣裝置。

當(dāng)微藻生長(zhǎng)達(dá)到合適濃度時(shí)，按照一定比例對(duì)藻液進(jìn)行采收，剩余微藻繼續(xù)培養(yǎng)并再次采收。兩次采收微藻細(xì)胞轉(zhuǎn)入絮凝池和沉淀池，進(jìn)行絮凝沉淀。本設(shè)計(jì)中沉淀池選取圓臺(tái)型，設(shè)計(jì)體積為10 000 m3，絮凝池選用長(zhǎng)方形，長(zhǎng)78 m，寬28 m，高4 m。為促進(jìn)流體流動(dòng)，在絮凝池與沉淀池連接處增設(shè)擋板形成多處導(dǎo)向流動(dòng)，絮凝沉淀過(guò)程中用離心泵輸送各類(lèi)液體。絮凝沉淀過(guò)程中，微藻的收獲損失率約為5%。絮凝沉淀后的藻液進(jìn)行離心處理，離心損失率設(shè)定為5%。離心后的藻液在自然狀態(tài)下利用風(fēng)干技術(shù)將含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至60%，再通過(guò)流化床干燥進(jìn)一步將藻液含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至80%。采用高壓均質(zhì)化對(duì)微藻進(jìn)行預(yù)處理，破裂之后的微藻細(xì)胞在有機(jī)溶劑作用下實(shí)現(xiàn)油脂提取，再通過(guò)酯化反應(yīng)獲取生物柴油。

1.2 微藻參數(shù)

由于微藻生物質(zhì)濃度和油脂含量對(duì)微藻生物柴油制取、固碳減排效益具有重要作用，因此需對(duì)不同濃度及油脂含量的微藻進(jìn)行研究。基于目前微藻培養(yǎng)可實(shí)現(xiàn)的濃度區(qū)間，本研究所設(shè)置的微藻濃度與油脂含量見(jiàn)表1，即經(jīng)12 d 培養(yǎng)后獲取質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、1.5 kg/m3的3 種微藻。選取30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%采收比下兩次采收的微藻進(jìn)行生物柴油制取。

表1 微藻濃度與油脂含量Table 1 Concentration and oil centent of microalgae

1.3 微藻培養(yǎng)制取生物柴油的評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1 生物柴油產(chǎn)量

微藻增殖總量與油脂含量決定了其生物質(zhì)開(kāi)發(fā)潛力，采收比決定了實(shí)際操作中生物柴油產(chǎn)量，微藻生物柴油產(chǎn)量計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中：B——生物柴油產(chǎn)量，kg；

H——采收比；

M——微藻增殖總量，kg；

O——微藻中油脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

η——生物柴油制取效率。

1.3.2 經(jīng)濟(jì)效益

微藻生物柴油經(jīng)濟(jì)效益核算涉及到碳稅補(bǔ)貼、廢水處理減少費(fèi)用、生物柴油生產(chǎn)用電等組成，不同采收比下生物柴油產(chǎn)量不同，經(jīng)濟(jì)效益也存在較大差異。本研究中，依據(jù)式（2）計(jì)算生物柴油經(jīng)濟(jì)效益。

式中： EC——生物柴油生產(chǎn)全程經(jīng)濟(jì)效益，元；

Ca——二氧化碳吸收量，t；

Ct——碳稅補(bǔ)貼，設(shè)定減排單位質(zhì)量CO2碳稅補(bǔ)貼為80 元/t；

Wtc——單位體積廢水處理耗資，設(shè)定為1.227 2元/m3；

Wwc——廢水處理量，m3；

Pc——生物柴油生產(chǎn)用電，kW·h；

El——電價(jià)，元/（kW·h）。

式（2）中，生物柴油生產(chǎn)用電環(huán)節(jié)主要涉及微藻培養(yǎng)、采收以及生物柴油制取〔18〕，本研究對(duì)工藝過(guò)程含電力設(shè)備運(yùn)行在內(nèi)的相關(guān)能耗進(jìn)行分析計(jì)算。

1）微藻培養(yǎng)能耗。

混合煙氣通過(guò)曝氣裝置進(jìn)入培養(yǎng)池，目前部分電廠鍋爐煙氣組成見(jiàn)表2。本研究中，將表2 中3 種煙氣分別與空氣按一定比例混合（空氣與合川電廠煙氣的體積比為1∶5，空氣與玉環(huán)電廠煙氣的體積比為1∶3，空氣與貴溪電廠煙氣的體積比為1∶6），使實(shí)驗(yàn)煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為10%。

表2 我國(guó)部分電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)出口煙氣成分與參數(shù)Table 2 Components and parameters of flue gas from boiler induced draught fans in some power plants

微藻培養(yǎng)通氣時(shí)間為上午8 時(shí)至下午6 時(shí)，通氣方式為間歇式，時(shí)間間隔為0.5 h，通氣速率為32.36 m3/min〔19〕。廢水中總氮、總磷含量不同，為提高廢水處理效果，促進(jìn)微藻生長(zhǎng)，將生活中各類(lèi)廢水混合后引入微藻培養(yǎng)系統(tǒng)并將其作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源以滿足微藻生長(zhǎng)需要〔20-24〕。

本研究不考慮配制微藻培養(yǎng)液的能耗。為實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分利用，保持藻液以0.3 m/s 的速度連續(xù)循環(huán)促進(jìn)微藻生長(zhǎng)，并對(duì)培養(yǎng)池結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算確定動(dòng)力系統(tǒng)能耗。微藻培養(yǎng)期間耗能主要包括曝氣能耗和動(dòng)力系統(tǒng)能耗，根據(jù)藻液流動(dòng)速度結(jié)合曼寧公式可計(jì)算藻液流動(dòng)過(guò)程水力損失，利用槳輪克服流動(dòng)過(guò)程水力損失。綜上，考慮曝氣速度和水力損失，結(jié)合槳輪功率和曝氣裝置功率可計(jì)算得出微藻細(xì)胞生長(zhǎng)1 d 的能耗。

2）微藻采收能耗。

微藻采收能耗主要包括對(duì)藻液的泵吸能耗、絮凝過(guò)程藻液的流動(dòng)能耗、離心能耗、干燥能耗。

藻液密度達(dá)到設(shè)定值時(shí)按照設(shè)定比例進(jìn)行微藻采收。絮凝沉淀過(guò)程采用離心泵進(jìn)行藻液輸送，輸送1 L 液體能耗約0.000 05 kW·h。絮凝池與沉淀池的連接處設(shè)有擋板形成多處導(dǎo)向流動(dòng)，共設(shè)置渠72個(gè)，沉淀池正常運(yùn)行能耗分析選用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算，為克服沿程阻力、彎頭阻力，需外界提供動(dòng)力，外界動(dòng)力能耗采用式（3）進(jìn)行核算。

式中：E——外界動(dòng)力能耗，kW·h；

η1、η2——電機(jī)、設(shè)備的效率；

P——外界動(dòng)力參數(shù)，kW。

t——運(yùn)行時(shí)間，h。

由圖1 可知，絮凝沉淀后的藻液進(jìn)行離心濃縮，經(jīng)離心分離后的藻液進(jìn)入干燥脫水階段，在自然狀態(tài)下風(fēng)干使其固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至60%，再利用流化床干燥將藻液固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至80%。實(shí)驗(yàn)可根據(jù)所用離心機(jī)功率及生產(chǎn)能力，所采用干燥方式的熱轉(zhuǎn)化效率、干燥機(jī)功率及其水分蒸發(fā)能力核算該過(guò)程的離心能耗和干燥能耗。

3）生物柴油制取能耗。

生物柴油制取時(shí)消耗的能量主要考慮電能和生產(chǎn)過(guò)程因甲醇使用所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤。以固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的藻液為原料制取生物柴油。采用高壓均質(zhì)化對(duì)微藻進(jìn)行預(yù)處理，微藻破裂之后，采用體積比為1∶5 的正己烷/甲醇混合溶劑對(duì)微藻油脂進(jìn)行提取，總提取率約為89.1%〔25〕。油脂提取過(guò)程包含溶劑與微藻的混合、提取后的沉淀、溶劑回收3 個(gè)階段。藻漿混合過(guò)程電耗19.8 kW·h/m3，沉淀過(guò)程所需電耗為7.06 kW·h/m3，溶劑回收過(guò)程中設(shè)定正己烷回收率為99.5%〔25〕，則獲取單位質(zhì)量微藻油脂時(shí)回收設(shè)備的熱需求為1.61 kJ/kg。經(jīng)酯化反應(yīng)后，微藻油可進(jìn)一步得到生物柴油和甘油〔26〕。

1.3.3 碳減排

微藻增殖期間通入的混合煙氣包含多種工業(yè)煙氣〔27〕，處理單位體積污水實(shí)現(xiàn)CO2減排約0.29 kg/m3〔28〕，研究表明微藻對(duì)碳物質(zhì)的吸收利用率保持在90%左右〔29-31〕，因此將城市廢水作為微藻生長(zhǎng)的培養(yǎng)基，客觀上實(shí)現(xiàn)了廢水處理中CO2的間接減排〔32〕。但是微藻生物柴油生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)消耗電能，又會(huì)間接引起CO2排放，因此削弱了微藻固碳減排效果。綜合以上因素對(duì)微藻生物柴油全過(guò)程碳足跡進(jìn)行計(jì)算，以獲取生物柴油生產(chǎn)中減排CO2的量，具體見(jiàn)式（4）。

式中：C——減排CO2質(zhì)量，kg；

η1——微藻對(duì)混合煙氣中CO2的吸收率；

α1——煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)；

V——微藻生長(zhǎng)日處理煙氣量，kg/d；

d1——一次培養(yǎng)時(shí)間，d；

d2——二次培養(yǎng)時(shí)間，d；

λ1——微藻采收比；

η2——微藻對(duì)廢水的處理率；

Q——需處理的廢水總量，m3；

C0——處理單位體積廢水CO2減排量，kg/m3；

P——生物柴油制取耗能，kW·h；

C1——生產(chǎn)單位電量消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤所相當(dāng)?shù)腃O2排放量，kg/（kW·h）。

1.3.4 廢水處理效果

不同廢水組合條件下微藻生長(zhǎng)情況不同，對(duì)廢水處理效果也不同，TP、TN、COD 的去除存在差異。結(jié)合各廢水組合下水中的m（N）/m（P）對(duì)微藻生長(zhǎng)進(jìn)行分析，探究微藻對(duì)不同組合條件下廢水的處理效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 微藻對(duì)生物柴油生產(chǎn)效果的影響

本研究探究了模式藻種和采收周期對(duì)生物柴油生產(chǎn)效果的影響，所采用廢水為混合生活廢水，其COD、TN、TP 分別為10 114.5、494.1、137.5 mg/L。

2.1.1 微藻濃度的影響

在采收比為70%的條件下，對(duì)微藻生物柴油生產(chǎn)不同過(guò)程的能耗進(jìn)行了計(jì)算，分析了不同微藻濃度下的生物柴油產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、固碳減排效果以及廢水處理總量，考察了微藻濃度對(duì)生物柴油生產(chǎn)效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 70%采收比下微藻濃度對(duì)生物柴油生產(chǎn)效果的影響Fig. 3 Effect of microalgae concentration on biodiesel production under 70% harvest ratio

由圖3 可知，當(dāng)采收比為70%時(shí)隨微藻濃度增加，生物柴油生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益、廢水處理總量以及固碳減排效果均呈現(xiàn)相同的增勢(shì)，當(dāng)微藻質(zhì)量濃度為1.5 kg/m3時(shí)表現(xiàn)最好；但由于相同生長(zhǎng)周期內(nèi)不同濃度微藻增殖總量不同，受油脂含量影響其生物柴油生產(chǎn)總量存在差異，在微藻濃度與油脂含量綜合作用下油脂含量為35%、質(zhì)量濃度為1.0 kg/m3微藻生物柴油產(chǎn)量達(dá)到最大。

不同濃度微藻的增殖情況不同，因而對(duì)廢水利用、廢氣吸收效果不同。高濃度藻種增殖量大，對(duì)廢氣、廢水處理效果好，因此廢水處理量與微藻濃度保持正相關(guān)。

微藻生物柴油生產(chǎn)全程會(huì)向外界排放CO2，不同濃度微藻生物柴油生產(chǎn)耗能會(huì)減弱微藻生長(zhǎng)過(guò)程的碳減排效應(yīng)。與微藻增殖過(guò)程的減排效果相比，生物柴油制取引起的碳排放較低，因而微藻生物柴油的生產(chǎn)過(guò)程始終保持負(fù)碳排放。圖3 結(jié)果顯示，隨著微藻濃度增加，這種負(fù)碳排放即減排效應(yīng)越來(lái)越好。

經(jīng)濟(jì)效益是廢氣、廢水資源化利用與生物柴油生產(chǎn)用電綜合分析的結(jié)果，從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，保證相同產(chǎn)量的條件下，質(zhì)量濃度為1.5 kg/m3的微藻具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。因此，后續(xù)采用微藻質(zhì)量濃度為1.5 kg/m3做為實(shí)驗(yàn)條件。

2.1.2 不同采收周期的影響

微藻生物柴油的制取過(guò)程會(huì)受到采收周期的影響。對(duì)微藻質(zhì)量濃度為1.5 kg/m3、不同采收比條件下的生物柴油產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、固碳減排效果、廢水處理量進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同采收比下微藻生物柴油的生產(chǎn)效果Fig. 4 The production effects of microalgae biodiesel at different harvest ratios

由圖4 可知，微藻生物柴油產(chǎn)量、廢水處理量與微藻采收比成正相關(guān)，采收比越大，微藻生物柴油產(chǎn)量越高，廢水處理總量也越多。此外，隨著采收比增加，微藻對(duì)廢氣、廢水的吸收利用也在增加，同時(shí)設(shè)備用電產(chǎn)生費(fèi)用也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，綜合來(lái)看，經(jīng)濟(jì)效益隨采收比增加先增加后減少，在采收比為80%時(shí)達(dá)到最大。微藻生物柴油減排效果是廢物處理碳吸收、碳減排與生物柴油生產(chǎn)用電碳排放綜合計(jì)算的結(jié)果，隨著采收比增加，設(shè)備用電碳排放、廢物處理碳吸收、碳減排都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但綜合來(lái)看采收比為30%時(shí)減排效果最佳。

生物柴油的經(jīng)濟(jì)效益以及固碳減排效果是評(píng)估其有效生產(chǎn)的重要因素。若生產(chǎn)相同生物柴油保證最大減排效果則應(yīng)在采收比為30%時(shí)對(duì)微藻進(jìn)行采收處理，此時(shí)相比于其他能源生產(chǎn)生物柴油的成本較小，但其與其他采收比下相比經(jīng)濟(jì)效益較差。80%采收比時(shí)微藻生物柴油經(jīng)濟(jì)效益更好，不僅有更高的生物柴油產(chǎn)量還具有負(fù)碳排放的減排效果。生物柴油生產(chǎn)的最佳采收比與生物柴油產(chǎn)量、固碳減排效果以及經(jīng)濟(jì)效益有著緊密的關(guān)聯(lián)，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)保持相同生物柴油產(chǎn)量對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和固碳減排效果進(jìn)行分析，根據(jù)二者的增長(zhǎng)趨勢(shì)選取最佳采收比。由圖4 可知，本研究中80%采收比下單位生物柴油的生產(chǎn)成本比70%時(shí)低，當(dāng)采收比變?yōu)?0%時(shí)微藻生物柴油經(jīng)濟(jì)效益呈下降趨勢(shì)，因此，微藻采收比為80%時(shí)更適合生物柴油的生產(chǎn)。

2.1.3 模式藻種生產(chǎn)生物柴油的效果

實(shí)際生產(chǎn)中，一般采用油脂含量對(duì)模式藻種進(jìn)行表述。在最佳采收比80%條件下對(duì)不同油脂含量的微藻生產(chǎn)生物柴油的經(jīng)濟(jì)效益、減排效果等進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同油脂含量下微藻生物柴油綜合評(píng)價(jià)Table 3 Comprehensive evaluation of microalgae biodiesel under different oil contents

由表3可知，在80%采收比下，油脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的微藻更具經(jīng)濟(jì)效益和減排效果。不同的油脂含量決定了微藻生物柴油的開(kāi)發(fā)潛力，研究認(rèn)為油脂含量較高的微藻生長(zhǎng)速率較慢，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用效果也較差。油脂含量較低時(shí)微藻的濃度往往更高，故高濃度低油脂含量的微藻能產(chǎn)生相對(duì)較好的經(jīng)濟(jì)效益，更適合利用廢物進(jìn)行生物柴油的開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)固碳減排，即本研究中質(zhì)量濃度為1.5 kg/m3、油脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的微藻具有更好的生物柴油開(kāi)發(fā)潛力。

2.2 電力結(jié)構(gòu)情景的影響

微藻生物柴油生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)消耗電能，從而間接引起CO2排放，削弱微藻固碳減排效果。根據(jù)電力行業(yè)2020 年報(bào)〔33〕可知，我國(guó)2020 年全口徑發(fā)電量為76 264 億kW·h，火電占有較大比重，約為67.88%，清潔能源發(fā)電占比32.1%，總體單位用電量產(chǎn)生的二氧化碳排放量為0.64 kg/（kW·h）。基于電力發(fā)展情景對(duì)清潔能源占比進(jìn)行預(yù)估，由此對(duì)未來(lái)電力行業(yè)碳足跡進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同情景電力行業(yè)碳足跡排放Table 4 Carbon footprint emission of power industry under different scenarios

基于表4，本研究預(yù)測(cè)了未來(lái)微藻生物柴油的固碳潛力，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同采收比、不同電力情景下微藻生物柴油的生產(chǎn)效果Fig. 5 The production effect of microalgae biodiesel under different recovery ratios and different power scenarios

由圖5 可知，不同情境下隨著采收比的變化微藻生物柴油的固碳減排效果呈現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象?，F(xiàn)行電力結(jié)構(gòu)下隨著采收比增加，生物柴油生產(chǎn)的減排效果起初逐漸降低，在70%采收比時(shí)到達(dá)最低值，之后采收比增加到80%，減排效果有所改善。十四五收關(guān)（2025 年）和碳達(dá)峰時(shí)期（2030 年）微藻生物柴油的減排效果趨勢(shì)與現(xiàn)行電力結(jié)構(gòu)保持一致，但減排總量有所增長(zhǎng)，其平均減排總量分別是目前的1.17 倍和1.36 倍。在2050 年和碳中和時(shí)期（2060年），電力結(jié)構(gòu)組成中新能源占比更高（接近90%），單位用電碳排放更低，微藻生物柴油的減排效果隨采收比增加進(jìn)一步增強(qiáng)，此時(shí)生物柴油產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益也同步得到有效提升。與2020 年減排效果相比，碳中和時(shí)期（2060 年）相同經(jīng)濟(jì)效益和生物柴油產(chǎn)量下，微藻生物柴油固碳減排效果最佳，所減排CO2增加了133.61%。

微藻生物柴油的生產(chǎn)消耗了大量電能，清潔能源占比越高微藻生物柴油的綜合減排效果越好?；趶U物處理的微藻在進(jìn)行生物柴油開(kāi)發(fā)的全過(guò)程中電能消耗主要為微藻的培養(yǎng)和生物柴油制取階段，不同采收比使得培養(yǎng)消耗的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、電能不同，因而微藻培養(yǎng)期間的固碳減排效果也不盡相同。由圖5 可知，降低火電占比可提高微藻生物柴油生產(chǎn)的綜合減排效果，因此隨著電力結(jié)構(gòu)的改善微藻固碳減排效果得到提升，在2050—2060 年時(shí)可較好地實(shí)現(xiàn)生物柴油開(kāi)發(fā)與固碳減排的協(xié)同效應(yīng)。

2.3 不同廢水配比的影響

微藻生長(zhǎng)情況還受到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的影響，本研究將典型廢水按照表5 中5 種組合方式進(jìn)行混合，探究適宜微藻生長(zhǎng)的混合配比，其中下水道污水主要為鄉(xiāng)村等缺乏集中廢水處理地區(qū)的廚房污水以及生活洗浴污水，垃圾滲濾液為垃圾堆填過(guò)程中滲濾出的污水，生活廢水主要源自城市污水管網(wǎng)等集中收集排放系統(tǒng)，包括廁所、廚房、浴室、洗衣房等處排出的廢水。

表5 混合廢水的基本組成及水質(zhì)參數(shù)Table 5 Basic composition and water quality parameters of mixed wastewater

氮磷比較高且總磷濃度較低時(shí)，微藻增殖效果更好〔22-24〕。不同廢水組合下微藻增殖效果不同，組合1 中m（N）/m（P）=16.82，此條件下微藻增殖效果更好，且磷質(zhì)量濃度更低，微藻生長(zhǎng)狀況較佳；組合2至組合5 中m（N）/m（P）不僅偏小且含磷較高，微藻的生長(zhǎng)效果較差。為保證微藻較好生長(zhǎng)，選擇組合1 作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源供微藻生長(zhǎng)繁殖。

在微藻質(zhì)量濃度為1.5 kg/m3、采收比為80%時(shí)，不同廢水組合下微藻培養(yǎng)對(duì)COD、氮、磷的去除效果見(jiàn)圖6。

圖6 微藻對(duì)混合廢水的處理效果Fig. 6 Treatment effects of mixed wastewater by microalgae

由圖6 可知，組合1 中微藻對(duì)N 的吸收效果最好，組合5 中微藻對(duì)P 的吸收和對(duì)COD 的降解效果最好。經(jīng)微藻處理后的廢水均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2020）二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，即廢水中COD<80 mg/L，總氮<25 mg/L，總磷<1 mg/L。組合1中，微藻實(shí)現(xiàn)降解COD 8 854.71 kg，是組合5的87.54%；吸收氮1 994.84 kg，是組合5 的4.04 倍；吸收磷125.20 kg，是組合5 的91.08%。將3 種物質(zhì)綜合吸收效果進(jìn)行分析可知，組合1下微藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的整體吸收情況較好，對(duì)廢水的處理效果也更好。此情境下生產(chǎn)2.88 t生物柴油可處理城市廢水13 140.0 m3，處理工業(yè)煙氣1 493 463.0 m3，實(shí)現(xiàn)CO2減排約6 331.5 kg。基于碳稅分析可知生物柴油生產(chǎn)的成本可降低35.6%，相對(duì)于國(guó)家總體碳排放量可實(shí)現(xiàn)0.27%的碳減排。

3 結(jié)論

本研究探究了基于廢物處理的微藻生物柴油生產(chǎn)的固碳減排效果及經(jīng)濟(jì)效益，分析了不同采收周期下生物柴油生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益、固碳減排潛力和廢水處理效果，探討了不同電力情景下微藻生物柴油生產(chǎn)的固碳減排效果。在8 090 m3藻液的開(kāi)放式培養(yǎng)池內(nèi)，質(zhì)量濃度為1.5 kg/m3、油脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的微藻在下水道污水、垃圾滲濾液、生活廢水體積比為8∶1∶1 時(shí)，以80%的采收比進(jìn)行生物柴油生產(chǎn)時(shí)具有更高的經(jīng)濟(jì)效益與廢物處理能力，此情境下可生產(chǎn)生物柴油2.88 t，處理城市廢水13 140.0 m3，處理工業(yè)煙氣1 493 463.0 m3，在經(jīng)濟(jì)效益最大化的前提下保持了較好的負(fù)碳排放，減排CO2約為6 331.5 kg，在對(duì)廢物進(jìn)行處理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了生物柴油生產(chǎn)和固碳減排。研究結(jié)果表明，在考慮碳稅基礎(chǔ)上，微藻生物柴油生產(chǎn)的成本比現(xiàn)有生物柴油生產(chǎn)成本低35.6%，基于國(guó)家總體碳排放量可實(shí)現(xiàn)0.27%的碳減排。研究結(jié)果可為廢物利用、生物柴油生產(chǎn)提供固碳減排思路，為廢物資源化提供理論和技術(shù)支撐，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。