分批补加NH4HCO3对化学吸收-微藻转化耦合系统的影响

2022-09-13李鹏程李美狄尹庆蓉毛炜炜宋春风

洁净煤技术 2022年9期

李鹏程，李美狄，尹庆蓉，毛炜炜，宋春风

(天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

0 引言

据统计，我国每年排放到大气中CO2约33.4亿t，其中40%的CO2由燃煤电厂产生[1-2]。工业CO2排放带来一系列环境问题，如气候变暖、冰川融化等[3-4]。如何高效进行CO2捕集和资源化利用成为关注重点。

对燃煤电厂烟气中CO2捕集与封存能大幅减少排放到大气中的CO2[5]。与燃烧前捕集相比，燃烧后捕集技术更加成熟，包括化学吸收、物理吸附、膜分离和微藻生物固碳等技术[6-8]。化学吸收法具有吸收速率快、效率高等优点，但CO2解吸过程存在高能耗问题[9]。近年来，微藻生物固碳由于其绿色、经济，无二次污染备受关注。微藻经光合作用将CO2转化为化学能，生成色素、食品和油脂等高价值产品。每产生1 t生物质干重消耗CO21.83 t[10]。微藻固碳技术得到广泛研究，WANG等[11]研究表明通过微藻驯化，可提高微藻对高浓度CO2毒性的耐受程度。张响东[12]利用亚精胺增强了小球藻对燃煤电厂烟气中体积分数15%的CO2和高光强(30 000 LX)的抗逆性，显著提高了固碳效率。微藻固碳大规模应用前仍有问题需要解决，如CO2在基质中的传质效率低，存在CO2逃逸问题，导致微藻固碳率较低。

1 试验

1.1 藻种和材料

图1 化学吸收耦合微藻固碳的BECCS系统Fig.1 Chemical absorption-microalgae hybrid BECCS system

对照组的总氮量为Zarrouk培养基中的总氮量，参照LI等[20]研究结果，NH4HCO3和NaNO3质量浓度比设置为1∶4。对照组不涉及任何补料，所有试验组初始接种量OD560(波长560 nm下的紫外分光光度值)=0.2。试验周期为15 d，每3 d取样测定OD560、总氮、氨氮、无机碳等指标，试验结束后测定产物中油脂、碳水化合物、蛋白质等含量。批次试验设计方法见表1。

表1 批次试验氮源添加量Table 1 Amount of nitrogen source added in batch experiment

1.2 培养条件

首先用Zarrouk培养基对诱变螺旋藻进行预培养，并以0.1 cm3/min流速通入5%的CO2(5% CO2+95% N2)，将处于对数生长期的诱变钝顶螺旋藻作为接种藻株。试验过程中，在250 mL锥形瓶中装入200 mL上述不同NH4HCO3与NaNO3比例的培养液，初始接种OD560为0.2，培养温度为(30±1)℃，全天光照，光照强度4 000 LX，每组3个平行试验，每天固定时间摇瓶震荡。

1.3 分析方法

1.3.1 螺旋藻生物量的测定

螺旋藻生物量与OD560存在一定线性关系，可将藻液OD560转化成生物质干重。标准曲线表示为

X=0.404OD560-0.001 6，R2=0.998，

(1)

式中，X为生物质干重质量浓度，g/L。

每3 d取样一次，测定OD560，计算生物质干重。生物质生产率计算公式为

P=ΔX/Δt，

(2)

式中，P为生物质产率，mg/(L·d)；ΔX为Δt时间内的生物质质量浓度变化量，g/L；Δt为培养周期，d。

1.3.2 溶液中氮含量及固氮率

NF=XN/TN，

(3)

式中，NF为固碳率，%；TN为系统中添加的氨态氮和硝态氮总和，mg/L；N为通过元素分析仪测定的生物质中氮元素含量，%。

1.3.3 固碳能力

参考SONG等[22]研究方法计算固碳量A，具体表示方式为

A=44PC/12，

(4)

式中，C为螺旋藻碳元素含量，%。

1.3.4 油脂、多糖、碳水化合物和蛋白质

油脂含量采用尼罗红染色法测定[23]，多糖和碳水化合物采用改良的苯酚硫酸法测定[24]。根据氮含量和蛋白质产量的关系乘以系数6.25，计算蛋白质质量浓度[25]。

D=6.25XN，

(5)

式中，D为蛋白质质量浓度，mg/L。

1.3.5 数据分析

采用单因素方差分析(ANOVA)进行统计分析。试验结果以均数±标准误差表示。平均值基于平行试验得到，且在95%置信区间。所有试验组设置3个平行试验。

2 结果与讨论

2.1 分批补料对微藻生长的影响

图2 不同分批补料模式下微藻生物质干重变化Fig.2 Dry weight variation of microalgae biomass under different feding-batch modes

2.2 耦合系统中的氮分布

分批补料模式下氮的去向有3种：被螺旋藻吸收利用、由于氨的挥发损失、残留在培养基中。不同组别下氮分布情况如图3所示。由图3可以看出，第1～4组培养期间的总氮量分别为540、440、470和526 mg/L，表明分批补料可以降低培养过程中总氮量，且第2组分批补料模式下所需总氮量最少，但生物质干重却与对照组相近(图2)。第2组螺旋藻的固氮率为32.33%，与对照组相比，提高了51.00%。这与SONG等[23]研究结果一致，即分批补料可提高微藻的固氮效率。

2.3 分批补料对微藻固碳能力的影响

图4 不同分批补料模式下的固碳量Fig.4 Carbon sequestration under different feding-batch modes

2.4 分批补料对螺旋藻后期产物的影响

2.4.1 油脂和蛋白质质量浓度变化

图5 不同分批补料模式下油脂和蛋白质含量Fig.5 Lipid and protein yield under different feding-batch cultivation modes

2.4.2 多糖和碳水化合物质量浓度变化

分批补料对螺旋藻多糖和碳水化合物的影响如图6所示。由图6可以看出，对照组的多糖质量浓度为112.30 g/L，第1～4组中多糖质量浓度分别为22.93、33.49、157.02和27.15 mg/L。与蛋白质不同，多糖质量浓度最高的为第3组。碳水化合物是碳分子大骨架，对照组的碳水化合物质量浓度为1 298.73 mg/L，第3组获得最大碳水化合物质量浓度为1 632.86 mg/L。综上可知，补料方式影响油脂、蛋白质、多糖和碳水化合物等后期产物的合成，可根据实际目标产物选择理想的分批补料形式。