減碳養(yǎng)藻產(chǎn)雪糕？污水廠碳中和轉(zhuǎn)型新出路!
【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】氣候變化帶來的干旱問題給美國許多地區(qū)的未來發(fā)展蒙上陰影。亞利桑那州是出了名的干旱地，該州38%的水資源供應來自科羅拉多河，它的供水依賴與美國其他州達成的水資源共享協(xié)議。去年夏天，美國聯(lián)邦政府宣布該河的主要水庫之一米德湖(Lake Mead)出現(xiàn)水資源短缺。這意味著美國多個依賴該河作為水源的州將面臨缺水危機。這對于亞利桑那州的人來說絕對是雪上加霜的消息。
水資源如此短缺，以至于當?shù)氐目茖W家們連污水資源也不放過——亞利桑那州立大學環(huán)境工程系的科研團隊提出用養(yǎng)殖微藻的方法減少二氧化碳的排放，同時還能生產(chǎn)各種高附加值的產(chǎn)品。
最近該項目又有了新進展——其微藻反應器要搬到在梅薩城(Mesa)的一座污水廠進行測試。
污水廠養(yǎng)藻減碳
亞利桑那州立大學(ASU)有位水圈大牛，叫Bruce Rittmann教授。話說Bruce Rittmann教授是MBfR (基于膜傳導的生物膜反應器)的發(fā)明者，也是最早提出微生物燃料電池 (Microbial Fuel Cell) 的學者之一。他在氣體傳遞膜方面的研究已有約20年的時間，將這膜技術(shù)和微藻養(yǎng)殖相結(jié)合也有10年多的時間。他正是這個養(yǎng)藻項目的負責人。
這個項目的全稱是AtmosphericCO2Capture and MembraneDelivery，簡稱ACED。顧名思義，就是捕獲空氣中的二氧化碳，然后通過膜技術(shù)傳遞收集。這個項目由美國能源部撥款資助，為期三年。
下圖是Rittmann教授在2019年3月給美國能源部生物能源技術(shù)辦公室(DOE-BETO)做匯報的PPT截圖。如圖所示，這個項目的目標是利用污水處理廠產(chǎn)生的溫室氣體來生產(chǎn)電能、生物燃料，甚至是用來做冰淇淋。這些都需要通過微藻這種中間產(chǎn)物來實現(xiàn)。
2021年11月，這個項目進入了實地中試的階段，地點位于梅薩城的西北再生水廠(NWWRP)。小編搜了一下谷歌地圖，發(fā)現(xiàn)該廠就建于一個棒球場旁邊。亞利桑那州立大學的Tempe校區(qū)就在其西邊幾公里外。
“梅薩城的污水廠有厭氧消化器，他們一直樂于嘗試新的技術(shù)。又因為(污水廠)就在ASU附近，我們過去多年和他們建立了良好的研發(fā)合作關系。” Rittmann教授說。
厭氧消化的副產(chǎn)品
世界各地的污水處理廠都開始進行碳中和的升級，厭氧消化器是重要組成，目的是回收污水中的有機質(zhì)，并轉(zhuǎn)化成生物沼氣。生物沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳。這些沼氣處理得當可以通過熱電聯(lián)產(chǎn)實現(xiàn)電能和熱能的回收，但對于不那么財大氣粗的污水廠，更常見的操作是把沼氣燒掉，目的是把甲烷轉(zhuǎn)化成二氧化碳，減少甲烷的直接排放，畢竟甲烷的溫室效應強度遠高于二氧化碳。
ASU有一個叫負碳排放中心的部門，Justin Flory是該中心的副主管，也是微藻測試項目的項目經(jīng)理。他表示污水廠現(xiàn)在就這樣把CO2排放掉了，“但現(xiàn)在人們也都知道CO2是個問題”。言下之意，這樣白白把CO2排掉，污水廠不僅不能實現(xiàn)碳中和，甚至還加劇了氣候變化。
那該如何處理這些CO2呢？
ASU的團隊說現(xiàn)在不需要燒沼氣了，而且可以把CO2拿去種微藻。
以綠治綠
若給這技術(shù)一個花哨的噱頭，小編會說這是種“以綠治綠”的黑科技——第一個綠指綠色的微藻，第二個綠指溫室氣體(Greenhouse Gas)。
西北再生水廠過去將厭氧消化器生成的生物沼氣壓縮并存貯到罐里，然后燃燒成為CO2后排放，F(xiàn)在ASU的團隊在消化器旁邊建了3個25㎡的微藻池中，部分沼氣會輸送到這些水池里。
沼氣會直接輸進池中的中空纖維膜，其中CO2可以穿過纖維膜的孔徑進入水中，成為水中微藻的底物進行光合作用。
這套工藝幾乎可以將所有CO2傳遞給微藻，也就是說沼氣中的CO2都不會排放到大氣中。
反過來，這些CO2可促進微藻的生長，降低其養(yǎng)殖成本。這里說的成本降低，是與該套系統(tǒng)1.0版本相比的結(jié)果。因為這個項目的最初設想是對空氣中的CO2進行濃縮后再傳輸?shù)轿⒃宄亍?ldquo;大氣的CO2含量太低了，無法支撐高產(chǎn)率。”該團隊的核心成員Everett Eustance博士在接受ASU校方采訪時如此說道。
ACED1.0系統(tǒng)的原理圖及設備 | 圖源：energy.gov
那剩下的甲烷去哪了呢？據(jù)介紹，大部分的甲烷會排出纖維管，有后續(xù)裝置對這些甲烷進行收集做進一步用途。這也相當于同時完成了甲烷的提純。
“梅薩城剛通過了一個氣候變化行動計劃，目標是在2050年使用100%的可再生能源，實現(xiàn)碳中和。”梅薩城環(huán)境管理和可持續(xù)發(fā)展部主任Scott Bouchie在接受采訪時說，“這個項目將幫助我們朝著這些目標邁進。”
神奇的微藻
完成甲烷和二氧化碳分離后，最終產(chǎn)物有何去向呢？
ASU負碳排放中心的副主任Justin Flory說：“富集后的甲烷可用來發(fā)電，或者用作你家煤氣爐的燃料，又或者為天然氣公交車提供燃料。”
當然，更重要的是微藻的使用潛力。
Flory先生補充道：“這些生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化成許多不同的物質(zhì)，例如某些微藻富含蛋白質(zhì)和Omega-3脂肪酸，可用于喂養(yǎng)動物或魚類。有些微藻中的化合物還可用于制造冰淇淋。”Flory先生指的是藻類中蘊含的瓊脂(agar)。
此外，微藻還可以轉(zhuǎn)化為生物燃料。
Flory先生說：“請大家想想化石燃料是如何產(chǎn)生的——它是植物等埋在地底的有機材料，在熱能和壓力作用下轉(zhuǎn)化為化石燃料。這過程需成千上萬年的時間，但現(xiàn)在的技術(shù)可以在幾分鐘內(nèi)完成(這個過程)。”
他指的技術(shù)就是將微藻搗碎成泥漿狀后，加壓煮熟，直到變成生物燃料。在ASU團隊看來，用微藻生產(chǎn)生物燃料是一個閉環(huán)循環(huán)——雖然生物燃料最終會變成二氧化碳，但這些二氧化碳可以被新的微藻吃掉，制造更多的生物燃料。
從實驗室到污水廠
藻類的潛力早已寫進大學的教科書，但在實際應用的效果如何呢？
相比美國其他地區(qū)，亞利桑那州的光照是相當充足的。但Flory先生說：“僅僅有充足穩(wěn)定的光照還不夠，該系統(tǒng)要想高效運行，需要太陽光到達池底，如果藻的密度太高，太陽光就無法穿透了。”因此這次實地測試的目標之一就是要確定每個池的微藻的最優(yōu)量。
水資源也是第二個要考慮的因素。用再生水廠的出水作為水源，就不用“浪費”自來水，還為中水回用找到了有效歸宿。
第三則是天氣的問題，氣溫的下降會降低微藻的生長速率，因此他們選擇在11月下旬開始測試，目的是篩選出能適應較低溫度的微藻種類。
前景展望
這次的測試為期6周。下一步他們希望能用厭氧消化器的出水進行測試，因為這些消化液富含氮磷等營養(yǎng)物，不僅能促進微藻的生長，還將進一步提高閉環(huán)循環(huán)的水平。
這次測試將起到良好的示范作用，它給其他城市展示了污水處理廠轉(zhuǎn)變成為資源回收工廠的新思路。
“我最終是想看到成千個微藻池同時運行。” 這是Eustance博士心中的期許。小編也祝愿他和他的團隊能早起實現(xiàn)這個小目標。
參考資料
1.https://tucson.com/news/local/tim-stellers-opinion-beyond-the-end-of-the-hose-drought-is-bringing-disaster/article_68f6ce47-fcab-5440-8a0b-e088f3f81000.html
2.https://news.asu.edu/20210713-regents-professor-bruce-rittmann-honored-wef-research-award
3.https://research.asu.edu/zero-waste-water
4./watch?v=HRkCHQArNQk&ab_channel=PrimeMinister%27sOfficeofJapan
5./watch?v=jkL5n7aDACk&ab_channel=UArizonaResearch
6.https://research.asu.edu/zero-waste-water
7./sites/prod/files/2019/03/f61/Atmospheric%20CO2%20Capture%20and%20Membrane%20Delivery%20%28ACED%29_EE0007093.pdf
8./eere/videos/energy-101-algae-fuel
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