减碳养藻产雪糕？污水厂碳中和转型新出路

气候变化带来的干旱问题给美国许多地区的未来发展蒙上阴影。亚利桑那州是出了名的干旱地，该州38%的水资源供应来自科罗拉多河，它的供水依赖与美国其他州达成的水资源共享协议。去年夏天，美国联邦政府宣布该河的主要水库之一米德湖(Lake Mead)出现水资源短缺。这意味着美国多个依赖该河作为水源的州将面临缺水危机。这对于亚利桑那州的人来说绝对是雪上加霜的消息。

水资源如此短缺，以至于当地的科学家们连污水资源也不放过——亚利桑那州立大学环境工程系的科研团队提出用养殖微藻的方法减少二氧化碳排放，同时还能生产各种高附加值的产品。

最近该项目又有了新进展——其微藻反应器要搬到在梅萨城(Mesa)的一座污水厂进行测试。

亚利桑那州立大学(ASU)有位水圈大牛，叫Bruce Rittmann教授。话说Bruce Rittmann教授是MBfR (基于膜传导的生物膜反应器)的发明者，也是最早提出微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cell) 的学者之一。他在气体传递膜方面的研究已有约20年的时间，将这膜技术和微藻养殖相结合也有10年多的时间。他正是这个养藻项目的负责人。

Bruce Rittmann教授 | 图源：ASU

这个项目的全称是Atmospheric CO₂ Capture and MembraneDelivery，简称ACED。顾名思义，就是捕获空气中的二氧化碳，然后通过膜技术传递收集。这个项目由美国能源部拨款资助，为期三年。

下图是Rittmann教授在2019年3月给美国能源部生物能源技术办公室(DOE-BETO)做汇报的PPT截图。如图所示，这个项目的目标是利用污水处理厂产生的温室气体来生产电能、生物燃料，甚至是用来做冰淇淋。这些都需要通过微藻这种中间产物来实现。

2021年11月，这个项目进入了实地中试的阶段，地点位于梅萨城的西北再生水厂(NWWRP)。小编搜了一下谷歌地图，发现该厂就建于一个棒球场旁边。亚利桑那州立大学的Tempe校区就在其西边几公里外。

梅萨城西北再生水厂卫星图 | 图源：GoogleMaps

“梅萨城的污水厂有厌氧消化器，他们一直乐于尝试新的技术。又因为(污水厂)就在ASU附近，我们过去多年和他们建立了良好的研发合作关系。” Rittmann教授说。

微藻反应池外观 | 图源：ASU

厌氧消化的副产品

世界各地的污水处理厂都开始进行碳中和的升级，厌氧消化器是重要组成，目的是回收污水中的有机质，并转化成生物沼气。生物沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳。这些沼气处理得当可以通过热电联产实现电能和热能的回收，但对于不那么财大气粗的污水厂，更常见的操作是把沼气烧掉，目的是把甲烷转化成二氧化碳，减少甲烷的直接排放，毕竟甲烷的温室效应强度远高于二氧化碳。

ASU有一个叫负碳排放中心的部门，Justin Flory是该中心的副主管，也是微藻测试项目的项目经理。他表示污水厂现在就这样把CO₂排放掉了，“但现在人们也都知道CO₂是个问题”。言下之意，这样白白把CO₂排掉，污水厂不仅不能实现碳中和，甚至还加剧了气候变化。

那该如何处理这些CO₂呢？

ASU的团队说现在不需要烧沼气了，而且可以把CO₂拿去种微藻。

以绿治绿

若给这技术一个花哨的噱头，小编会说这是种“以绿治绿”的黑科技——第一个绿指绿色的微藻，第二个绿指温室气体(Greenhouse Gas)。

西北再生水厂过去将厌氧消化器生成的生物沼气压缩并存贮到罐里，然后燃烧成为CO₂后排放。现在ASU的团队在消化器旁边建了3个25㎡的微藻池中，部分沼气会输送到这些水池里。

沼气会直接输进池中的中空纤维膜，其中CO₂可以穿过纤维膜的孔径进入水中，成为水中微藻的底物进行光合作用。

这套工艺几乎可以将所有CO₂传递给微藻，也就是说沼气中的CO₂都不会排放到大气中。

反过来，这些CO₂可促进微藻的生长，降低其养殖成本。这里说的成本降低，是与该套系统1.0版本相比的结果。因为这个项目的最初设想是对空气中的CO₂进行浓缩后再传输到微藻池。“大气的CO₂含量太低了，无法支撑高产率。”该团队的核心成员Everett Eustance博士在接受ASU校方采访时如此说道。

ACED1.0系统的原理图及设备 | 图源：energy.gov

那剩下的甲烷去哪了呢？据介绍，大部分的甲烷会排出纤维管，有后续装置对这些甲烷进行收集做进一步用途。这也相当于同时完成了甲烷的提纯。

“梅萨城刚通过了一个气候变化行动计划，目标是在2050年使用100%的可再生能源，实现碳中和。”梅萨城环境管理和可持续发展部主任Scott Bouchie在接受采访时说，“这个项目将帮助我们朝着这些目标迈进。”

神奇的微藻

完成甲烷和二氧化碳分离后，最终产物有何去向呢？

ASU负碳排放中心的副主任Justin Flory说：“富集后的甲烷可用来发电，或者用作你家煤气炉的燃料，又或者为天然气公交车提供燃料。”

当然，更重要的是微藻的使用潜力。

Flory先生补充道：“这些生物质可以转化成许多不同的物质，例如某些微藻富含蛋白质和Omega-3脂肪酸，可用于喂养动物或鱼类。有些微藻中的化合物还可用于制造冰淇淋。”Flory先生指的是藻类中蕴含的琼脂(agar)。

此外，微藻还可以转化为生物燃料。

Flory先生说：“请大家想想化石燃料是如何产生的——它是植物等埋在地底的有机材料，在热能和压力作用下转化为化石燃料。这过程需成千上万年的时间，但现在的技术可以在几分钟内完成(这个过程)。”

他指的技术就是将微藻捣碎成泥浆状后，加压煮熟，直到变成生物燃料。在ASU团队看来，用微藻生产生物燃料是一个闭环循环——虽然生物燃料最终会变成二氧化碳，但这些二氧化碳可以被新的微藻吃掉，制造更多的生物燃料。

藻类转化成生物燃料的示意图 | 图源：维基百科

从实验室到污水厂

藻类的潜力早已写进大学的教科书，但在实际应用的效果如何呢？

相比美国其他地区，亚利桑那州的光照是相当充足的。但Flory先生说：“仅仅有充足稳定的光照还不够，该系统要想高效运行，需要太阳光到达池底，如果藻的密度太高，太阳光就无法穿透了。”因此这次实地测试的目标之一就是要确定每个池的微藻的最优量。

水资源也是第二个要考虑的因素。用再生水厂的出水作为水源，就不用“浪费”自来水，还为中水回用找到了有效归宿。

第三则是天气的问题，气温的下降会降低微藻的生长速率，因此他们选择在11月下旬开始测试，目的是筛选出能适应较低温度的微藻种类。

前景展望

这次的测试为期6周。下一步他们希望能用厌氧消化器的出水进行测试，因为这些消化液富含氮磷等营养物，不仅能促进微藻的生长，还将进一步提高闭环循环的水平。

这次测试将起到良好的示范作用，它给其他城市展示了污水处理厂转变成为资源回收工厂的新思路。

“我最终是想看到成千个微藻池同时运行。” 这是Eustance博士心中的期许。小编也祝愿他和他的团队能早起实现这个小目标。

位于西北再生水厂的微藻池 | 图源：ASU

参考资料

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