微藻處理廢水同步回收能源

① 什麼是微藻生物能源

2009 年3月底，發改委宣布將汽、柴油 源有很多優勢——微藻幾乎能適應各種生長 為，高成本是目前的主要障礙。因為利用高

價格每噸分別提高290元和180元。這是自 環境，不管是海水、淡水、室內、室外，還 等植物和微藻生產生物質能源，其能量都來

今年1月15日成品油定價機制改革以來，根 是一些荒蕪的灘塗鹽鹼地、廢棄的沼澤、魚 自於太陽光。地球上單位面積、單位時間內

據「原油成本定價法」實施的首次油價調整。 塘、鹽池等都可以實現種植；微藻產量非常 接受到的太陽光能是在限定范圍內的，要生

對此，國家發改委給出的解釋是：油價調整 高，一般陸地能源植物一年只能收獲一到兩 產大量的生物燃料，必須依賴於大規模的植

鑒於近期國際油價持續上漲。 季，而微藻幾天就可收獲一代，而且不因收 物或微藻生產面積。此外還要把這些微藻從

盡管金融危機爆發以後，全球原油價格 獲而破壞生態系統，就單位面積產量來說 廣大面積上收集起來，再進行工業加工。因

不斷下跌，但是石化能源消耗的不可持續性 比玉米高幾十倍；不佔用可耕地，藻類可以 此，生產、收集和運輸所耗費的能量與其可

是不可能改變的，人們早就把眼光投向了生 種植在海洋或露天的池塘，因而可利用不同 產出的能量之間的比例，是決定生物能源產

物質能源領域。生物質能源是地球上最普遍 類型的水土資源，具有不與傳統農業爭地 業發展的關鍵。也就是說，微藻只有在單位

的一種可再生能源，它是通過植物光合作用， 的優勢；產油率極高，微藻含有很高的脂類 面積上高密度產出，才是相對於其他高等植

將太陽能以化學能的形式貯存在生物體內的 （20% ～70%）、可溶性多糖等，1公頃土地 物產油的優勢關鍵所在。

一種能量形式，被稱為綠色能源。但是如果 的年油脂產量是油菜籽的80 倍；微藻加工 但以目前的技術水平，微藻培養也存在

用玉米、高粱等糧食來製作乙醇等生物質能 工藝相對簡單，微藻沒有葉、莖、根，不產 單位面積生產能耗大、投入成本高的問題，

源，將威脅全球的糧食安全。因此，對於生 生無用生物量，易於被粉碎和乾燥，預處理 因此，要使微藻生物柴油成為真正的替代能

物質能源的原料，人們的目光一直集中在傳 成本比較低微；微藻熱解所得生物質燃油熱 源，降低微藻的生產能耗和成本至關重要。

統的陳化糧、木質素、動物油脂等領域，然 值高，平均高達 33MJ/kg（兆焦爾/千克）， 徐旭東說，微藻的大規模培養主要有開

而對於生物質能源的重要來源、開發前景同 是木材或農作物秸稈的1.6 倍；最後，有利 放池和密閉反應器兩類方式。開放池培養成

樣廣闊、屬水生植物的藻類卻認識不足。 於環境保護，藻類植物能捕獲空氣中的二氧 本相對較低，但是藻類生長所達到的細胞密

作為一種重要的可再生資源，藻類具有 化碳，有助於控制溫室氣體排放。 度較低，某些情況下容易被當地其他微藻侵

分布廣泛、生物量大、光合作用效率高、環 微藻種植可與二氧化碳這樣的溫室氣體 染，水蒸發量大；密閉培養可達到較高的藻

境適應能力強、生長周期短、產量高等突出 地處理和減排相結合，據統計，佔地1平方 細胞密度，不易被雜藻侵染，水蒸發量小，

特點。而藻類中的微藻，更是遍布全球的浮 公里的養藻場可年處理5萬噸二氧化碳，而 但反應器造價和運轉成本較高。因此，前途

游植物，它在海洋、淡水湖泊等水域或是潮 且微藻不含硫，燃燒時不排放有毒有害氣體， 是需要發展出集二者優點，而迴避各自缺點

濕的土壤、樹干處，在任何有光照且潮濕的 整個產油過程非常清潔。 的新型培養方式。此外，微藻培養液中細胞

地方都能生存。而每年由微藻光合作用固定 據估算，我國鹽鹼地面積達1.5 億畝， 只佔很小一部分，絕大部分是水，還需要發

的二氧化碳，竟達全球二氧化碳固定量的 假如用14% 的鹽鹼地培養種植微藻，在技 展出低能耗的收集細胞，並循環使用培養液

40%以上。微型藻生物技術的開發，將為我 術成熟的條件下，生產的柴油量可滿足全國 的技術。

國提供新的能源途徑。 50%的用油需求。 盡管利用微藻生產生物質能源困難重

② 閱讀《微藻可循環的綠色油田》答案

5．第②段除了指出微藻是古老的低等植物外，還介紹了微藻哪四個特點?(4分)6．第③段主要運用了哪兩種說明方法?有什麼好處?(4分)7．我國「微藻能源規模化制備的科學基礎」研究項目，要解決哪些問題?(3分)8．從全文看，為什麼說微藻能源是「可循環」的、「綠色」的?(4分)

2011-6-1820:27最佳答案

5.（4分）分布廣泛種類繁多生長快速能合成大量油脂

各佔1分，順序顛倒不扣分，意思對即可

6.（4分）列數字，做比較，突出微藻制油的明顯優勢，使說明內容具體而有說服力

說明方法好處各佔2分，意思對即可

7.（3分）（1）開發出微藻資源庫，提供備選的微藻品種

(2)提高微藻產油效率，降低生產成本

（3）建立一套中試系統，全面評估微藻產油指標

每點1分，意思對即可

8.（4分）可再生不與農作物爭地爭水能大量減少二氧化碳排放能用於凈化工廠排放的廢水和城市污水

每點1分，意思對即可

③ 微藻是什麼

微藻是一類在陸地、海洋分布廣泛，營養豐富、光合利用度高的自養植物，屬於低等水生植物，每個微藻平均大約只有5微米。微藻種類繁多，通常是指含有葉綠素A並能進行光合作用的微生物的總稱。截至21世紀初已發現的藻類有三萬余種，其中微小類群就佔了70%，即兩萬余種。但是，限於不同藻類對生存環境的需求，並不是所有的微藻都能用於人工培養，目前(2012年)有大量培養或生產的微藻分屬於4個藻門：藍藻門、綠藻門、金藻門和紅藻門。微藻 - 生物學特性與其他生物相比，微藻具有如下特點：1、最低等的、自養的放氧植物;2、單細胞結構，呈群體或絲狀的，大多數是浮游藻類;3、種類繁多、分布極其廣泛的一個類群;4、在海洋、淡水湖泊等水域，或是潮濕的土壤、樹乾等處，在有光及潮濕的任何地方都能生存;5、生長周期短(幾天);6、微藻可直接利用陽光、二氧化碳和含氮、磷等元素的簡單營養物質快速生長，並在細胞內合成大量油脂，含量可達細胞乾重的30%~70%，其中生長快的微藻藻種通常含油量為10%～20%，含油量大於60%的藻種則生長速度較慢;7、微藻細胞小、細胞壁大多堅硬，因此用於製造生物柴油需要具有較好的藻體收獲和細胞破壁技術;8、對水有凈化作用。微藻 - 成分微藻細胞中含有：蛋白質、脂類、藻多糖、β-胡蘿卜素、多種無機元素，如Cu、Fe、Se、Mn、Zn等高價值的營養成分和化工原料。1、蛋白質微藻的蛋白質含量很高，粗蛋白含量超過60%，生物學產量高於任何作物，是單細胞蛋白(SCP)的一個重要來源。2、多種維生素微藻所含的維生素A、維生素E、硫胺素、核黃素、吡多醇、維生素B12、維生素C、生物素、肌醇、葉酸、泛酸鈣和煙酸等增加了其作為SCP的價值。3、胡蘿卜素微藻中類胡蘿卜素含量較高，藻粉中β-胡蘿卜素含量高達14%，具有著色和營養的作用。4、甘油藻細胞中甘油含量較高，是優質的化妝品原料，也是化工、輕工和醫葯工業中用途極廣的有機中間體。5、藻多糖藻多糖復合物可作為免疫佐劑增強抗原性和機體免疫功能，明顯抑制實體瘤S180起到抗腫瘤的作用。微藻 - 用途醫葯工業截至2012年，已開發出的產品有天然胡蘿卜素口服液、沖劑、口含片、水分散型乾粉等產品。21世紀初對不飽和脂肪酸(DHA、RHA)在嬰兒食品和保健品中的使用都深受人們的歡迎。微藻膠體(ECP)有較強的抗腫瘤活性引起國內外專家的關注。食品工業藻類蛋白的生產正在迅速發展，小球藻、柵列藻、新月藻、螺旋藻己被用作蛋白質來源，小球藻、螺旋藻、杜氏鹽藻還以粉劑、丸劑、提取物等形式投放保健品市場或用作食品添加劑。動物飼料人工培養用作浮游動物的餌料，成功地用在飼養魚類或作動物性浮游生物(如紅蟲、牡蠣等)。環境檢測微藻的生長狀況能直接反映水質情況，判斷空氣中的毒性氣體，打破常規氣體樣品的分析和檢測，Naessens. M等人將小球藻固定在疏水膜上和膜電極相連製成生物反應器，反映空氣甲醇蒸氣和四氯乙烯含量。Podola B等人改用調制熒光儀檢測(PAM -2000)萊茵衣藻以監測氣體中的甲醇、甲醛 。環境凈化Chung P.廢將水處理和單細胞蛋白(SCP)的生產結合，對沼氣厭養發酵的豬糞廢水進行處理，螺旋藻產量為5g /m2 /d。利用反應器掛膜技術可解決藻類和水的後續分離的問題。微藻生長脫氮除磷、難降解有機物、及Co、Mn、Hg等重金屬離子。微藻還能吸收一定濃度NOx, SOx, H2S，在挪威、日本早已開始研究培養微藻進行環境保護。生物技術微藻生長周期短、耐受性的基因是生物技術關注的熱點，開發新型的微藻-生物反應器，利用藻類蛋白生產口服疫苗等，用活性物質製成乾粉，口服。王義琴等人將防禦素基因轉入橢圓小球藻細胞內，生產昂貴的防禦素已取得一定的成果，但仍有一個巨大的未知藻類待人們去開發。可再生能源製造微藻是制備液體燃料的良好原料。微藻熱解制備的生物質燃油熱值高，是木材或農作物秸稈的1.4～2倍。與其他生物材料相比，微藻的產油效率相當高，在一年的生長期內，一公頃玉米能產172升生物質燃油，一公頃大豆能產446升，一公頃油菜籽能產1190升，一公頃棕櫚樹能產5950升，而一公頃的微藻能產生物質燃油95000升。而且不和食物爭奪農田，它們可生長在田邊地角，甚至是農業和生活廢水中。微藻制油的原理其實就是利用光合作用，將二氧化碳轉化為微藻自身的生物質從而固定了碳元素，再通過誘導反應使微藻自身的碳物質轉化為油脂，然後利用物理或化學方法把微藻細胞內的油脂轉化到細胞外，進行提煉加工從而生產出生物柴油。

④ 利用微藻處理廢水時，微藻會發生水華嗎

如果廢水裡面富含氮、磷元素的話，微藻會大量繁殖，產生水華，因為氮、磷是微藻生長代謝的必要物質，氮磷含量豐富的話有利於微藻的生長繁殖

⑤ 微藻柴油的發展前景

如果在我國廣闊的沿海和內地水域大規模種植工程高油藻類，生物柴油的生產規模可以達到數千萬噸。這並非遙不可及。在科研人員的積極探索下，國內在海洋微藻製取生物柴油方面已取得可喜成果，更宏大的項目正在醞釀之中。
中國工程院院士閔恩澤日前在華中科技大學演講時透露，我國將有部分城市銷售含5%微藻生物柴油的「綠色石油」。但受成本和生產條件制約，這種「綠色石油」大力推廣還需時日。
閔恩澤院士算了一筆賬：如果推廣含5%生物柴油的清潔燃油，以我國石油的使用量計算，生物柴油的需求量是600萬噸。這項技術的經濟和生態效益都非常可觀。 「在顯微鏡下，海藻就像一個油葫蘆，比油菜籽、花生的含油量高7～8倍，比玉米高十幾倍。」山東海洋工程研究院院長李乃勝介紹，海洋微藻製取生物柴油是國際新能源領域的新方向。
專家指出，我國鹽鹼地面積達1.5億畝。如果用14%的鹽鹼地培養微藻，在技術成熟的條件下，生產的柴油量就可滿足全國50%的用油需求。
中國海洋大學教授潘克厚說，微藻資源豐富，不會因收獲而破壞生態系統，可大量培養而不佔用耕地。另外，它的光合作用效率高，生長周期短，單位面積年產量是糧食的幾十倍乃至上百倍。而且微藻脂類含量在20%至70%，是陸地植物遠遠達不到的，不僅可生產生物柴油或乙醇，還有望成為生產氫氣的新原料。
閔恩澤院士表示，在使用秸稈生產乙醇汽油之後，利用微藻生產生物柴油是現在最新的「綠色」燃油技術，不過技術雖已成熟，但微藻燃油生產系統的投產還需要時間。他認為，要讓普通交通工具都「喝」上微藻生物柴油，還必須跨越三道檻：首先是成本。微藻燃油項目的產業鏈很長，藻類的培養成本很高，製成品的價格是石油的好多倍；其次，微藻生物柴油項目要投產，規模要很大才能做，而各個研究機構的生產規模都很小；再次，難以找到合適的生產場地。在藻類培養中，藻類的密度只能到1%~2%，如果太密藻類就無法吸收陽光。微藻生長對陽光和水的高要求，決定了需要大型的場地。
微藻是潛力很大的生物能源，但規模和成本是開發微藻的兩大瓶頸問題，因此要把微藻生物柴油技術作為一項長遠事業，重視方案和路線選擇。 由上海市科委立項的微藻制油項目已取得小試階段性成果。科研人員正加緊研發既能產出柴油，又能減排二氧化碳的微藻制油新技術，並准備將成果率先應用於治理燃煤電廠廢氣。
主持藻類制油研究的上海交通大學副教授繆曉玲表示，課題組正在解決品種選擇問題。全世界已知的藻類有近3萬種，其中含油量高的未必長得快，長得快的又未必適應高濃度二氧化碳環境。科研人員希望從中找到最適宜的品種，讓微藻能大量吸收二氧化碳，並通過葉綠素的光合作用製造生長所需的養分，從中提取出油脂，再制備出生物柴油。這種生物柴油與傳統石化柴油的性質和成分相似，某些指標如發動機低溫啟動性能甚至更好。
為實現微藻柴油產業化，課題組計劃開發適合工業化生產的連續採收、能源消耗低的脫水乾燥和微藻制油技術，建立規模化的微藻制油工廠，在大型容器中養殖微藻。按照設想，白天，陽光和工業二氧化碳廢氣將為微藻創造出適宜的生長條件；夜晚，光合作用停止，但依然可以給微藻「餵食」工業廢水，讓它們利用廢水中的糖製造養分；「榨油」之後的微藻殘渣，則可以作為新型生物質能鍋爐的燃料。經過這一輪的綠色循環，微藻柴油能做到讓汽車的碳排放降為零。
上海交大生物質能研究中心主任羅永浩教授認為，上海有很多大型燃煤電廠，其氣體排放組成中有99%是二氧化碳，運用這項技術可使微藻制油在本地循環起來。
據了解，藻類含有大量生物油脂，部分品種含油量達70%。它們的光合作用效率高，生長迅速，最多兩周就可以完成一個生長周期。研究表明，每公頃土地玉米年產油量只有120升，大豆為440升，而藻類可達1.5萬至8萬升。藻類將是非常有潛力的生物柴油來源。殼牌、雪佛龍等石油巨頭以及正致力於新能源開發的微軟董事長比爾·蓋茨，近兩年已投入巨資啟動微藻制油研發。微藻制油需國家立項支持
鑒於微藻的重要能源價值以及世界各國對能源微藻研究不斷深入，有專家建議，我國應立即啟動微藻產乙醇、產油技術的研究，對微藻產氫也要注意動態跟蹤，作好長遠規劃。
我國在能源微藻基礎研究方面擁有很強的研發力量，眾多高校和科研院所承擔了多項國家及省部級微藻分類、育種和保存技術研究，擁有一大批淡水和海水微藻種質資源。目前我國在微藻大規模養殖方面已走在世界前列。
專家建議，利用微藻製取生物柴油，具有重要的政治、經濟、科學意義，國家對此應加大科技支持力度，使之上升為國家項目。微藻制油需要國家立項支持，科技部、發改委、財政部、能源局等部委在科技立項時，要向微藻制油傾斜，鼓勵相關企業開發微藻制油自動化設備，大力促進微藻制油產業化。 美國從1976年起就啟動了微藻能源研究，攻關以化石燃料產生的廢氣生產高含脂微藻。這一計劃雖然因經費精簡、藻類制油成本過高於1996年終止，但美國科學家已經培育出了富油的工程小環藻。這種藻類在實驗室條件下的脂質含量可達到60%以上(比自然狀態下微藻的脂質含量提高了3～12倍)，戶外生產也可增加到40%以上，為後來的研究提供了堅實基礎。
2006年，美國兩家企業建立了可與1040兆瓦電廠煙道氣相連接的商業化系統，成功地利用煙道氣中的二氧化碳進行大規模光合成培養微藻，並將微藻轉化為生物「原油」。2007年，美國宣布由國家能源局支持的微型曼哈頓計劃，計劃在2010年實現微藻制備生物柴油工業化，各項技術研發全面提速。
2007年，以色列一家公司對外展示了利用海藻吸收二氧化碳，將太陽能轉化為生物質能的技術，每5千克藻類可生產1升燃料。
此外，在微藻制乙醇方面，美國已開發出利用微藻替代糖來發酵生產乙醇的專利；日本兩家公司聯合開發出了利用微藻將二氧化碳轉換成燃料乙醇的新技術，計劃在2010年研製出有關設備，並投入工業化生產。

⑥ 15分)微藻一一可循環的「綠色油田」①由於石油資源的逐漸減少乃至最終枯竭，全世界將面臨嚴重的能源危機