微藻生物柴油固碳减排和经济效益研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-1132

摘要/Abstract

摘要：

微藻具有生长周期短、油脂含量高等优势，以城市废水和工业废气作为微藻的培养基和无机碳来源，开展废物利用与微藻能源耦合研究具有重要意义。通过分阶段生命周期理论分析可知，随着微藻浓度增加，生物柴油的经济效益和减排效果逐渐增加，且质量浓度为1.5 kg/m³时效果更好；随采收周期变长，生物柴油的经济效益先增加后降低，减排效果先降低后增加，经综合考虑，采收比为80%时获得最佳效果；随污水配比变化，微藻对废水处理效果变化较大。基于此，本研究最终选用质量浓度为1.5 kg/m³、油脂含量为20%的微藻，在下水道污水、垃圾渗滤液、生活废水体积比为8∶1∶1条件下，以80%的采收比进行生物柴油生产。研究结果表明，在考虑碳税基础上，微藻生物柴油生产成本比现有生物柴油低35.6%，基于国家总体碳排放量可实现0.27%的碳减排，具有显著的经济和环境效益。

关键词: 微藻, 废物处理, 固碳减排, 经济效益, 生物柴油

Abstract:

Microalgae have the advantages of a short growth cycle and high oil content. In this paper，urban wastewater and industrial waste gas were used as the medium and inorganic carbon source of microalgae to research the coupling of waste utilization and microalgae energy，which was of great significance. Through the theoretical analysis of the staged life cycle，it could be seen that with the increase of the concentration of microalgae，the economic benefits and emission reduction effects of biodiesel gradually increased，and the effect was better when the mass concentration was 1.5 kg/m³. As the increase of the recovery period，the economic benefits increased first and then decreased，and emission reduction of biodiesel decreased first and then increased，leading to an optimal result at the recovery ratio of 80%. With the change in sewage ratio，the effect of microalgae on wastewater treatment varied greatly. Based on this，the microalgae with a mass concentration of 1.5 kg/m³and oil content of 20% was finally selected. Under the condition that the volume ratio of sewer sewage，landfill leachate and domestic wastewater was 8∶1∶1，80% of the microalgae were harvested for biodiesel production. The research results showed that，considering the carbon tax，the production cost of microalgae biodiesel was 35.6% lower than that of the existing biodiesel. Based on the country’s overall carbon emissions，it could achieve a carbon emission reduction of 0.27%，which had significant economic and environmental benefits.

Key words: microalgae, waste disposal, carbon sequestration and emission reduction, economic benefits, biodiesel

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I11/145

图/表 11

图1 微藻生物柴油生产工艺

Fig. 1 Process of microalgae biodiesel production

图2 微藻培养装置示意

Fig.2 Schematic diagram of microalgae culture facility

表1 微藻浓度与油脂含量

Table 1 Concentration and oil centent of microalgae

微藻类别	质量浓度/（kg·m^-3）	油脂质量分数/%
藻种1	0.5	45
藻种2	1.0	35
藻种3	1.5	20

表2 我国部分电厂锅炉引风机出口烟气成分与参数

Table 2 Components and parameters of flue gas from boiler induced draught fans in some power plants

参数	合川电厂	玉环电厂	贵溪电厂
机组负荷/MW	300	1 000	300
烟气量（标态，湿）/（m³·h^-1）	960 000	3 016 080	1 136 015
NO _x 质量浓度（标态，干）/（g·m^-3）	792	—	—
CO₂体积分数（干）/%	12	13.5	11.64

图3 70%采收比下微藻浓度对生物柴油生产效果的影响

Fig. 3 Effect of microalgae concentration on biodiesel production under 70% harvest ratio

图4 不同采收比下微藻生物柴油的生产效果

Fig. 4 The production effects of microalgae biodiesel at different harvest ratios

表3 不同油脂含量下微藻生物柴油综合评价

Table 3 Comprehensive evaluation of microalgae biodiesel under different oil contents

油脂质量分数/%	生物柴油产量/t	废水处理量/m³	经济效益/元	CO₂综合减排/kg
45	2.16	10 616.81	2 464.10	3 346.72
35	3.36	12 032.39	3 634.21	4 408.52
20	2.88	13 447.96	5 255.29	6 444.02

表4 不同情景电力行业碳足迹排放

Table 4 Carbon footprint emission of power industry under different scenarios

时间	清洁能源占比/%	CO₂排放量/〔g·（kW·h）^-1〕
2020年	32.1	640.87
2025年	41.9	551.34
2030年	52.5	454.49
2050年	90	111.88
2060年	95	66.20

图5 不同采收比、不同电力情景下微藻生物柴油的生产效果

Fig. 5 The production effect of microalgae biodiesel under different recovery ratios and different power scenarios

表5 混合废水的基本组成及水质参数

Table 5 Basic composition and water quality parameters of mixed wastewater

类型	组合1	组合2	组合3	组合4	组合5
下水道污水体积分数/%	80	60	40	20	0
垃圾渗滤液体积分数/%	10	10	10	10	10
生活废水体积分数/%	10	30	50	70	90
COD/（mg·L^-1）	8 854.7	9 169.6	9 484.6	9 799.5	10 114.5
总氮/（mg·L^-1）	1 994.8	1 733.9	1 244.4	869.2	494.1
总磷/（mg·L^-1）	125.2	132.9	131.3	134.4	137.5
m（N）/m（P）	16.8	13.3	10.0	6.8	3.8

图6 微藻对混合废水的处理效果

Fig. 6 Treatment effects of mixed wastewater by microalgae

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