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生物柴油开发新技术——利用污水培育浮萍

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浮萍这种水生漂浮植物,体内以含有淀粉和糖类为主,因此在生物质能源生产上具有潜力。目前对浮萍的研究涉及污水治理、药物提取及燃料乙醇生产等几个方面,但对于利用污水培育浮萍进行氮磷处理与生物质生产、利用浮萍生物质培育高油含量工程微藻的研究还不深入。事实上,从系统工程角度来讲,建立污水一浮萍一微藻一生物质能源开发利用有机结合的生产体系,可对生产生物柴油及减轻对传统化石能源的依赖起到巨大的推动作用。

 

  浮萍的生理特性

 

  浮萍是单子叶水生漂浮植物,常在静水沟、水田、池塘等水体表面生长;生长速度快,适应性强,可以较好地去除污水中的氮磷元素。

 

  浮萍在长期的进化中,衍生出一系列适应环境、快速生长的特征。主要包括以下几个方面:一、结构简单,光合效率高,培育周期短。二、分布极其广泛,种类繁多,以此为原料生产燃料乙醇和生物柴油受季节、地域的限制较小,富营养化的淡水或咸水湖泊、海洋中都有其“身影”。三、具有可塑性,可通过改变环境条件等因素提高其体内生物质含量。四、能吸收和消耗污水中的氮磷等营养元素及吸附重金属,对污水治理有显著效果。五、浮萍的光合作用需要消耗大量二氧化碳,对环境保护有很大的贡献。六、制成的燃料乙醇和生物柴油属清洁能源,灰分少,无有害物质产生。因此,浮萍作为生物质能源来源潜力巨大,可作为生物质能源原料发展的新方向。

 

  利用污水培育浮萍

 

  随着我国工业化的发展,水体污染越发严重,水体中生物群落的正常结构遭到破坏,对养殖业和人类生活的健康造成巨大的影响。物理、化学治理工艺非常复杂,而且容易带来二次污染,生物治污已成为热门研究方向。浮萍对引起水体水质恶化的这些藻类有一定的抑制作用。研究表明,浮萍能减少水体中藻细胞数量,促进藻细胞内叶绿素a的破坏与脂质过氧化产物丙二醛含量的升高,抑制超氧化物歧化酶的活性。初步分析表明浮萍等水生植物能分泌酚酸和长链脂肪酸等与克藻效应有关的物质,促进生物污水中的有机质降解,从而净化水质。

 

  浮萍直接吸收的污染物包括两大类,即丰富的氮磷营养物质和某些有毒害的污染物。从水层和底泥中吸收的氮磷将同化为自身的结构物质,同化速率与生长速度、水体营养物水平呈正比关系,在合适的环境中,浮萍往往以营养繁殖快速积累生物量,而氮磷正是浮萍大量需要的营养物质,所以对这些物质的固定能力也就非常高。

 

  与其他的生物处理系统一样,在以浮萍等水生植物为核心的污水处理系统中,环境中有机物的降解还需要通过某些微生物协助才能完成。浮萍具有发达的根系浮于上层水中,与废水接触面积较大,能大量吸附水体中的悬浮固体和各种有机物,从而为微生物和微型动物提供所需的生存环境。这些微型动物以细菌和有机碎屑为食,随着它们种类及生物量的增加,其摄食与矿化有机质的量也相应增多,矿化后氮磷等无机营养盐又为浮萍吸收利用,从而形成相互依存、互利共生的微生态环境。可见大面积的浮萍根系在水下即形成一个高效率的“污水处理厂”,将污水中的氮磷及污染物等有效去除。

 

  系统中的污染物去除,大部分皆由浮萍起到直接或间接的作用。因此要提高处理效率,还需要对处理系统中浮萍自身的功能发挥及它与微生物的关系进行深入研究。利用污水采取开放式户外大池培育方式培育浮萍,可以实现浮萍对二氧化碳的固定,从而实现温室气体减排及污水净化,同时可获得富含有机碳、氦和特殊生物质的产品。

 

  利用浮萍提取生物柴油

 

  通过藻类育种工程培育高性能的高油工程微藻,有望高效利用浮萍细胞降解物进行快速繁殖,当氮源被大量消耗并成为限制因素时,异养微藻能继续吸收培育基中的合成碳源和富集油脂。这将从根本上解决生物柴油的原料来源问题,在实现污水治理的同时,也能够带来巨大的生态效益和经济效益。

 

  目前工业上生产生物柴油常用的方法是酯交换法,即油脂在催化剂作用下与短链醇作用形成长链脂肪酸单酯,同时副产甘油。按照催化剂的种类,可以划分出三种生物柴油的制备方法。一是化学法,即在液体强酸、碱催化剂的催化下,动植物油脂与甲醇进行的酯化反应。此法反应速度快、时间短、转化率高、成本较低等,但液体催化剂难以分离,很难再回收循环利用,同时存在乳化现象,副产物难以精制,排放物容易造成环境污染。二是酶催化法,即利用脂肪酶催化油脂与短链醇进行酯交换,该法对原料品质要求低、副产物甘油易分离、耗能低,但反应时间长、酶容易失活。三是超临界法,即可以在无催化剂的情况下与油脂反应生成脂肪酸甲酯,但需要相当高的温度和压力条件。利用共溶剂可以改善超临界的工艺条件,但不能将温度降到临界点附近。少量碱性催化剂可以减少甲醇的用量,也能降低反应温度和压力,从而大大降低该方法的成本。

 

  对于生物柴油的提取,要选择一种既高效又经济的方案。对上述方法进行比较后发现,先从微藻体中抽提出油脂,再令其与甲醇反应,获得生物柴油的方式最为经济、有效。

 

  以浮萍为基础构建生物柴油生产体系的设想

 

  浮萍是水体生态系统的初级生产者,适用于多种研究与应用的新型生物系统。浮萍超强的适应性和变异性使浮萍生物质能源生产和环境污染治理的结合成为可能。越来越多的事实表明,人类最终解决液态燃料日益短缺问题的希望在于浮萍等生物质原料的规模化以及低成本开发。利用现代生物技术加以集成,有望构建“污水-浮萍-高油工程微藻-生物柴油”的可持续型浮萍-微藻-生物质能源生产体系,实现温室气体减排、污水治理、浮萍生物质原料的合理开发及生物柴油生产的有机结合。

 

  具体的构建步骤是,首先需要在户外建三个太池,采用水泥加挡板结构,以太阳光为能源利用空气中的二氧化碳进行自养生长,操作比较简单,成本低廉。其次,将经污水处理厂等处流出的污水放入第一个池(沉淀池)中,让某些污染物沉淀,稀释污水并控制氢离子浓度指数数值(pH值),使污水的pH值适合浮萍的生长。然后,将沉淀池中的污水,放入第二个池(浮萍生长池)中,在这个池中进行浮萍的培育。最后,将浮萍生长池中的水放入第三个池(微藻生长池)中,以浮萍的破碎体作为培育基的主要有机成分培育工程微藻(如图所示)。