富营养化藻的特性与水热液化成油的研究

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富营养化藻是指水体富营养化后造成严重藻类水华问题而产生的藻。滇池是中国境内一个典型的富营养化湖泊,多年来受到水华问题困扰。本文采用水热液化技术来处理滇池富营养化藻(简称滇池藻)。水热液化技术因不用干燥而相对低能耗、能全组分转化等特点,在利用高湿低脂藻类生产生物原油方面特别有优势。本研究中的滇池藻是采用一定规模化收获过程工艺(先絮凝后离心)而获得的一种高灰分(36.6%~45.2%)低脂(0.7%~2.1%,干燥无灰基,daf)藻。对滇池藻的物料特性研究表明,它们相比水体中生长的藻类在基本物化特性和生物多样性上都具有一定的差异性。收获的几个典型水华月份(四月、六月、八月、十月)滇池藻中,六月藻具有灰分含量更低、蛋白质含量更高、种群丰度和生物多样性更高、优势藻种微囊藻含量更低、热解失重过程降解速率更快等突出特点,相比其他月份藻其水热液化产油率(23.8%,daf)最高;十月藻样因受收获过程工艺影响而造成细胞损伤及物质流失,也降低了水热液化的产油率。对四个月份滇池藻水热液化的对比研究揭示了,滇池藻较高蛋白质有利于提高产油率,同时较高灰分含量对产油也会造成不利影响。不同月份藻及对水热液化转化效率研究都是在一个优化的过程参数条件下开展的。该过程参数的优化是在研究水热液化过程参数(保持温度、保温时间、含固量)对水热液化产物分布影响的研究中获得的。水热液化最高产油率(18.3%,daf)的过程参数优化结果为:保持温度300℃、保温时间60mmin、含固量20%。研究认为滇池藻成油路径为藻原料固体有机组分的直接转化。其中滇池藻的碳水化合物在原料中比例较高,对产油的贡献最大;然而碳水化合物的较低转换效率,以及滇池藻的较高灰分导致产油率数值较低。滇池藻水热液化成油的主要元素迁移特性表现有显著的脱氧或脱氮现象,而氢元素未发生显著迁移,生物原油的热值可达约36MJ/kgo针对滇池藻特有的高灰分及水热转化效率低的问题,提出通过酸脱灰预处理、分别添加低灰分高脂藻、高蛋白质藻混合液化的过程来强化产油和无机元素回收的方案。研究显示这两条方案都具有可行性。酸脱灰预处理可在室温(25~30℃)下,并需根据处理系统中不同藻含固量来选择使用合适的酸及浓度,处理后可得到4.0%~4.6%的产油率提升。对于系统中较低藻含固量(≤2%)脱灰处理可使用较高浓度有机弱酸(>0.4M乙酸),而对较高含固量(2%-4%),则需使用合适浓度(0.7N)的无机强酸(硫酸)。元素迁移方面,脱灰过程中藻N/C明显降低,而脱灰藻的水热液化主要是脱氧;脱灰处理对水热液化油热值影响不大。混合液化时,与高脂藻(Chlorella sp.)的混合液化主要有利协同产油(11.3%-37.0%);而与高蛋白质藻(Spirulina sp.)混合液化可协同液化(2.7%~3.5%)。从处理量上,混合高脂藻可获得更高产油协同率(11.3%),但只能混合较小比例的滇池藻(25%);而高蛋白质藻可混合较大比例的滇池藻(75%),能获得相对大的液化协同效应(2.7%),但产油协同效应相对小(6.3%)。与高脂藻的混合液化主要表现为脱氧过程且氢元素保持略好,而与高蛋白质藻混合液化时脱氧脱氮过程都较为明显。
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