微藻处理废水同步回收能源

① 什么是微藻生物能源

2009 年3月底，发改委宣布将汽、柴油 源有很多优势——微藻几乎能适应各种生长 为，高成本是目前的主要障碍。因为利用高

价格每吨分别提高290元和180元。这是自 环境，不管是海水、淡水、室内、室外，还 等植物和微藻生产生物质能源，其能量都来

今年1月15日成品油定价机制改革以来，根 是一些荒芜的滩涂盐碱地、废弃的沼泽、鱼 自于太阳光。地球上单位面积、单位时间内

据“原油成本定价法”实施的首次油价调整。 塘、盐池等都可以实现种植；微藻产量非常 接受到的太阳光能是在限定范围内的，要生

对此，国家发改委给出的解释是：油价调整 高，一般陆地能源植物一年只能收获一到两 产大量的生物燃料，必须依赖于大规模的植

鉴于近期国际油价持续上涨。 季，而微藻几天就可收获一代，而且不因收 物或微藻生产面积。此外还要把这些微藻从

尽管金融危机爆发以后，全球原油价格 获而破坏生态系统，就单位面积产量来说 广大面积上收集起来，再进行工业加工。因

不断下跌，但是石化能源消耗的不可持续性 比玉米高几十倍；不占用可耕地，藻类可以 此，生产、收集和运输所耗费的能量与其可

是不可能改变的，人们早就把眼光投向了生 种植在海洋或露天的池塘，因而可利用不同 产出的能量之间的比例，是决定生物能源产

物质能源领域。生物质能源是地球上最普遍 类型的水土资源，具有不与传统农业争地 业发展的关键。也就是说，微藻只有在单位

的一种可再生能源，它是通过植物光合作用， 的优势；产油率极高，微藻含有很高的脂类 面积上高密度产出，才是相对于其他高等植

将太阳能以化学能的形式贮存在生物体内的 （20% ～70%）、可溶性多糖等，1公顷土地 物产油的优势关键所在。

一种能量形式，被称为绿色能源。但是如果 的年油脂产量是油菜籽的80 倍；微藻加工 但以目前的技术水平，微藻培养也存在

用玉米、高粱等粮食来制作乙醇等生物质能 工艺相对简单，微藻没有叶、茎、根，不产 单位面积生产能耗大、投入成本高的问题，

源，将威胁全球的粮食安全。因此，对于生 生无用生物量，易于被粉碎和干燥，预处理 因此，要使微藻生物柴油成为真正的替代能

物质能源的原料，人们的目光一直集中在传 成本比较低微；微藻热解所得生物质燃油热 源，降低微藻的生产能耗和成本至关重要。

统的陈化粮、木质素、动物油脂等领域，然 值高，平均高达 33MJ/kg（兆焦尔/千克）， 徐旭东说，微藻的大规模培养主要有开

而对于生物质能源的重要来源、开发前景同 是木材或农作物秸秆的1.6 倍；最后，有利 放池和密闭反应器两类方式。开放池培养成

样广阔、属水生植物的藻类却认识不足。 于环境保护，藻类植物能捕获空气中的二氧 本相对较低，但是藻类生长所达到的细胞密

作为一种重要的可再生资源，藻类具有 化碳，有助于控制温室气体排放。 度较低，某些情况下容易被当地其他微藻侵

分布广泛、生物量大、光合作用效率高、环 微藻种植可与二氧化碳这样的温室气体 染，水蒸发量大；密闭培养可达到较高的藻

境适应能力强、生长周期短、产量高等突出 地处理和减排相结合，据统计，占地1平方 细胞密度，不易被杂藻侵染，水蒸发量小，

特点。而藻类中的微藻，更是遍布全球的浮 公里的养藻场可年处理5万吨二氧化碳，而 但反应器造价和运转成本较高。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，燃烧时不排放有毒有害气体， 是需要发展出集二者优点，而回避各自缺点

湿的土壤、树干处，在任何有光照且潮湿的 整个产油过程非常清洁。 的新型培养方式。此外，微藻培养液中细胞

地方都能生存。而每年由微藻光合作用固定 据估算，我国盐碱地面积达1.5 亿亩， 只占很小一部分，绝大部分是水，还需要发

的二氧化碳，竟达全球二氧化碳固定量的 假如用14% 的盐碱地培养种植微藻，在技 展出低能耗的收集细胞，并循环使用培养液

40%以上。微型藻生物技术的开发，将为我 术成熟的条件下，生产的柴油量可满足全国 的技术。

国提供新的能源途径。 50%的用油需求。 尽管利用微藻生产生物质能源困难重

② 阅读《微藻可循环的绿色油田》答案

5．第②段除了指出微藻是古老的低等植物外，还介绍了微藻哪四个特点?(4分)6．第③段主要运用了哪两种说明方法?有什么好处?(4分)7．我国“微藻能源规模化制备的科学基础”研究项目，要解决哪些问题?(3分)8．从全文看，为什么说微藻能源是“可循环”的、“绿色”的?(4分)

2011-6-1820:27最佳答案

5.（4分）分布广泛种类繁多生长快速能合成大量油脂

各占1分，顺序颠倒不扣分，意思对即可

6.（4分）列数字，做比较，突出微藻制油的明显优势，使说明内容具体而有说服力

说明方法好处各占2分，意思对即可

7.（3分）（1）开发出微藻资源库，提供备选的微藻品种

(2)提高微藻产油效率，降低生产成本

（3）建立一套中试系统，全面评估微藻产油指标

每点1分，意思对即可

8.（4分）可再生不与农作物争地争水能大量减少二氧化碳排放能用于净化工厂排放的废水和城市污水

每点1分，意思对即可

③ 微藻是什么

微藻是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰富、光合利用度高的自养植物，属于低等水生植物，每个微藻平均大约只有5微米。微藻种类繁多，通常是指含有叶绿素A并能进行光合作用的微生物的总称。截至21世纪初已发现的藻类有三万余种，其中微小类群就占了70%，即两万余种。但是，限于不同藻类对生存环境的需求，并不是所有的微藻都能用于人工培养，目前(2012年)有大量培养或生产的微藻分属于4个藻门：蓝藻门、绿藻门、金藻门和红藻门。微藻 - 生物学特性与其他生物相比，微藻具有如下特点：1、最低等的、自养的放氧植物;2、单细胞结构，呈群体或丝状的，大多数是浮游藻类;3、种类繁多、分布极其广泛的一个类群;4、在海洋、淡水湖泊等水域，或是潮湿的土壤、树干等处，在有光及潮湿的任何地方都能生存;5、生长周期短(几天);6、微藻可直接利用阳光、二氧化碳和含氮、磷等元素的简单营养物质快速生长，并在细胞内合成大量油脂，含量可达细胞干重的30%~70%，其中生长快的微藻藻种通常含油量为10%～20%，含油量大于60%的藻种则生长速度较慢;7、微藻细胞小、细胞壁大多坚硬，因此用于制造生物柴油需要具有较好的藻体收获和细胞破壁技术;8、对水有净化作用。微藻 - 成分微藻细胞中含有：蛋白质、脂类、藻多糖、β-胡萝卜素、多种无机元素，如Cu、Fe、Se、Mn、Zn等高价值的营养成分和化工原料。1、蛋白质微藻的蛋白质含量很高，粗蛋白含量超过60%，生物学产量高于任何作物，是单细胞蛋白(SCP)的一个重要来源。2、多种维生素微藻所含的维生素A、维生素E、硫胺素、核黄素、吡多醇、维生素B12、维生素C、生物素、肌醇、叶酸、泛酸钙和烟酸等增加了其作为SCP的价值。3、胡萝卜素微藻中类胡萝卜素含量较高，藻粉中β-胡萝卜素含量高达14%，具有着色和营养的作用。4、甘油藻细胞中甘油含量较高，是优质的化妆品原料，也是化工、轻工和医药工业中用途极广的有机中间体。5、藻多糖藻多糖复合物可作为免疫佐剂增强抗原性和机体免疫功能，明显抑制实体瘤S180起到抗肿瘤的作用。微藻 - 用途医药工业截至2012年，已开发出的产品有天然胡萝卜素口服液、冲剂、口含片、水分散型干粉等产品。21世纪初对不饱和脂肪酸(DHA、RHA)在婴儿食品和保健品中的使用都深受人们的欢迎。微藻胶体(ECP)有较强的抗肿瘤活性引起国内外专家的关注。食品工业藻类蛋白的生产正在迅速发展，小球藻、栅列藻、新月藻、螺旋藻己被用作蛋白质来源，小球藻、螺旋藻、杜氏盐藻还以粉剂、丸剂、提取物等形式投放保健品市场或用作食品添加剂。动物饲料人工培养用作浮游动物的饵料，成功地用在饲养鱼类或作动物性浮游生物(如红虫、牡蛎等)。环境检测微藻的生长状况能直接反映水质情况，判断空气中的毒性气体，打破常规气体样品的分析和检测，Naessens. M等人将小球藻固定在疏水膜上和膜电极相连制成生物反应器，反映空气甲醇蒸气和四氯乙烯含量。Podola B等人改用调制荧光仪检测(PAM -2000)莱茵衣藻以监测气体中的甲醇、甲醛 。环境净化Chung P.废将水处理和单细胞蛋白(SCP)的生产结合，对沼气厌养发酵的猪粪废水进行处理，螺旋藻产量为5g /m2 /d。利用反应器挂膜技术可解决藻类和水的后续分离的问题。微藻生长脱氮除磷、难降解有机物、及Co、Mn、Hg等重金属离子。微藻还能吸收一定浓度NOx, SOx, H2S，在挪威、日本早已开始研究培养微藻进行环境保护。生物技术微藻生长周期短、耐受性的基因是生物技术关注的热点，开发新型的微藻-生物反应器，利用藻类蛋白生产口服疫苗等，用活性物质制成干粉，口服。王义琴等人将防御素基因转入椭圆小球藻细胞内，生产昂贵的防御素已取得一定的成果，但仍有一个巨大的未知藻类待人们去开发。可再生能源制造微藻是制备液体燃料的良好原料。微藻热解制备的生物质燃油热值高，是木材或农作物秸秆的1.4～2倍。与其他生物材料相比，微藻的产油效率相当高，在一年的生长期内，一公顷玉米能产172升生物质燃油，一公顷大豆能产446升，一公顷油菜籽能产1190升，一公顷棕榈树能产5950升，而一公顷的微藻能产生物质燃油95000升。而且不和食物争夺农田，它们可生长在田边地角，甚至是农业和生活废水中。微藻制油的原理其实就是利用光合作用，将二氧化碳转化为微藻自身的生物质从而固定了碳元素，再通过诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂，然后利用物理或化学方法把微藻细胞内的油脂转化到细胞外，进行提炼加工从而生产出生物柴油。

④ 利用微藻处理废水时，微藻会发生水华吗

如果废水里面富含氮、磷元素的话，微藻会大量繁殖，产生水华，因为氮、磷是微藻生长代谢的必要物质，氮磷含量丰富的话有利于微藻的生长繁殖

⑤ 微藻柴油的发展前景

如果在我国广阔的沿海和内地水域大规模种植工程高油藻类，生物柴油的生产规模可以达到数千万吨。这并非遥不可及。在科研人员的积极探索下，国内在海洋微藻制取生物柴油方面已取得可喜成果，更宏大的项目正在酝酿之中。
中国工程院院士闵恩泽日前在华中科技大学演讲时透露，我国将有部分城市销售含5%微藻生物柴油的“绿色石油”。但受成本和生产条件制约，这种“绿色石油”大力推广还需时日。
闵恩泽院士算了一笔账：如果推广含5%生物柴油的清洁燃油，以我国石油的使用量计算，生物柴油的需求量是600万吨。这项技术的经济和生态效益都非常可观。 “在显微镜下，海藻就像一个油葫芦，比油菜籽、花生的含油量高7～8倍，比玉米高十几倍。”山东海洋工程研究院院长李乃胜介绍，海洋微藻制取生物柴油是国际新能源领域的新方向。
专家指出，我国盐碱地面积达1.5亿亩。如果用14%的盐碱地培养微藻，在技术成熟的条件下，生产的柴油量就可满足全国50%的用油需求。
中国海洋大学教授潘克厚说，微藻资源丰富，不会因收获而破坏生态系统，可大量培养而不占用耕地。另外，它的光合作用效率高，生长周期短，单位面积年产量是粮食的几十倍乃至上百倍。而且微藻脂类含量在20%至70%，是陆地植物远远达不到的，不仅可生产生物柴油或乙醇，还有望成为生产氢气的新原料。
闵恩泽院士表示，在使用秸秆生产乙醇汽油之后，利用微藻生产生物柴油是现在最新的“绿色”燃油技术，不过技术虽已成熟，但微藻燃油生产系统的投产还需要时间。他认为，要让普通交通工具都“喝”上微藻生物柴油，还必须跨越三道槛：首先是成本。微藻燃油项目的产业链很长，藻类的培养成本很高，制成品的价格是石油的好多倍；其次，微藻生物柴油项目要投产，规模要很大才能做，而各个研究机构的生产规模都很小；再次，难以找到合适的生产场地。在藻类培养中，藻类的密度只能到1%~2%，如果太密藻类就无法吸收阳光。微藻生长对阳光和水的高要求，决定了需要大型的场地。
微藻是潜力很大的生物能源，但规模和成本是开发微藻的两大瓶颈问题，因此要把微藻生物柴油技术作为一项长远事业，重视方案和路线选择。 由上海市科委立项的微藻制油项目已取得小试阶段性成果。科研人员正加紧研发既能产出柴油，又能减排二氧化碳的微藻制油新技术，并准备将成果率先应用于治理燃煤电厂废气。
主持藻类制油研究的上海交通大学副教授缪晓玲表示，课题组正在解决品种选择问题。全世界已知的藻类有近3万种，其中含油量高的未必长得快，长得快的又未必适应高浓度二氧化碳环境。科研人员希望从中找到最适宜的品种，让微藻能大量吸收二氧化碳，并通过叶绿素的光合作用制造生长所需的养分，从中提取出油脂，再制备出生物柴油。这种生物柴油与传统石化柴油的性质和成分相似，某些指标如发动机低温启动性能甚至更好。
为实现微藻柴油产业化，课题组计划开发适合工业化生产的连续采收、能源消耗低的脱水干燥和微藻制油技术，建立规模化的微藻制油工厂，在大型容器中养殖微藻。按照设想，白天，阳光和工业二氧化碳废气将为微藻创造出适宜的生长条件；夜晚，光合作用停止，但依然可以给微藻“喂食”工业废水，让它们利用废水中的糖制造养分；“榨油”之后的微藻残渣，则可以作为新型生物质能锅炉的燃料。经过这一轮的绿色循环，微藻柴油能做到让汽车的碳排放降为零。
上海交大生物质能研究中心主任罗永浩教授认为，上海有很多大型燃煤电厂，其气体排放组成中有99%是二氧化碳，运用这项技术可使微藻制油在本地循环起来。
据了解，藻类含有大量生物油脂，部分品种含油量达70%。它们的光合作用效率高，生长迅速，最多两周就可以完成一个生长周期。研究表明，每公顷土地玉米年产油量只有120升，大豆为440升，而藻类可达1.5万至8万升。藻类将是非常有潜力的生物柴油来源。壳牌、雪佛龙等石油巨头以及正致力于新能源开发的微软董事长比尔·盖茨，近两年已投入巨资启动微藻制油研发。微藻制油需国家立项支持
鉴于微藻的重要能源价值以及世界各国对能源微藻研究不断深入，有专家建议，我国应立即启动微藻产乙醇、产油技术的研究，对微藻产氢也要注意动态跟踪，作好长远规划。
我国在能源微藻基础研究方面拥有很强的研发力量，众多高校和科研院所承担了多项国家及省部级微藻分类、育种和保存技术研究，拥有一大批淡水和海水微藻种质资源。目前我国在微藻大规模养殖方面已走在世界前列。
专家建议，利用微藻制取生物柴油，具有重要的政治、经济、科学意义，国家对此应加大科技支持力度，使之上升为国家项目。微藻制油需要国家立项支持，科技部、发改委、财政部、能源局等部委在科技立项时，要向微藻制油倾斜，鼓励相关企业开发微藻制油自动化设备，大力促进微藻制油产业化。 美国从1976年起就启动了微藻能源研究，攻关以化石燃料产生的废气生产高含脂微藻。这一计划虽然因经费精简、藻类制油成本过高于1996年终止，但美国科学家已经培育出了富油的工程小环藻。这种藻类在实验室条件下的脂质含量可达到60%以上(比自然状态下微藻的脂质含量提高了3～12倍)，户外生产也可增加到40%以上，为后来的研究提供了坚实基础。
2006年，美国两家企业建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相连接的商业化系统，成功地利用烟道气中的二氧化碳进行大规模光合成培养微藻，并将微藻转化为生物“原油”。2007年，美国宣布由国家能源局支持的微型曼哈顿计划，计划在2010年实现微藻制备生物柴油工业化，各项技术研发全面提速。
2007年，以色列一家公司对外展示了利用海藻吸收二氧化碳，将太阳能转化为生物质能的技术，每5千克藻类可生产1升燃料。
此外，在微藻制乙醇方面，美国已开发出利用微藻替代糖来发酵生产乙醇的专利；日本两家公司联合开发出了利用微藻将二氧化碳转换成燃料乙醇的新技术，计划在2010年研制出有关设备，并投入工业化生产。

⑥ 15分)微藻一一可循环的“绿色油田”①由于石油资源的逐渐减少乃至最终枯竭，全世界将面临严重的能源危机