能源微藻培養及厭氧發酵產甲烷過程的生命周期評價

劉翠霞 郭雪白 郝元鋒 陳俊華 胡智泉

摘 要：【目的】對微藻培養及厭氧發酵耦合過程進行生命周期評價，篩選最佳的能源微藻培養環境?！痉椒ā抗浪銖腂G-11培養基、奶牛場廢水和葡萄酒廠廢水中分別收獲的藻類生物質（即Algae M、Algae D和Algae W）經厭氧發酵產出1 m3 CH4過程的能源消耗和環境影響潛力?！窘Y果】三種藻類生物質在培養收獲階段的能源消耗均高于厭氧發酵階段，同時，Algae W不僅能源消耗最低，且該微藻生物質在產出1 m3 CH4過程中的生命周期環境影響潛值也最低?！窘Y論】通過葡萄酒廠廢水培養的微藻生物質在產甲烷方面具有明顯的優勢。另外，藻類生長量和產甲烷量的增加有利于產甲烷過程能源消耗量的減少和環境影響潛力的降低。

關鍵詞：微藻；
廢水；
甲烷；
生命周期評價

中圖分類號：TK6? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）10-0075-08

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.016

Abstract：
[Purposes] In order to screen the optimal cultivated environment for energy algae， the life cycle assessment of the coupled process of microalgal cultivation and anaerobic fermentation was conducted. [Methods] Based on the identification and quantification of the energy requirement and environmental impact loading， 1 m3 CH4 produced by algal biomass from BG-11 medium， dairy wastewater and winery wastewater （Algae M， Algae D and Algae W， respectively） via anaerobic digestion was evaluated. [Findings] The investigation results showed that the energy requirement of biomass in the process of cultivating and harvesting was higher than that in the process of anaerobic digesting . Meantime， the energy requirement for Algae W was lowest than others. Besides， for the whole process of methane production， the environmental impact potentials of that microalgal biomass also was the lowest.? [Conclusions] Thus， the studied algae cultivated in winery wastewater showed obvious advantage in methane production. Moreover， the increases of algal biomass production and methane production were conducive to reduce the energy requirement and environmental impact loading.

Keywords：
algae; wastewater; methane; life cycle assessment

0 引言

近年來，藻類生物質能源逐漸成為全球范圍內備受關注的第三代生物質能源［1-2］，同時，大量的研究結果也證實廢水培養可以作為降低藻類生物質能源生產成本的主要途徑之一［3-4］。然而，在來源、基礎建設、天氣情況和預處理方法等方面的不同，使得廢水的濁度、污染物濃度等物化指標也表現出明顯的差異，進而對藻類的培養產生顯著的影響。例如，較低的污染物濃度可能降低藻類的生長量［5-6］；
不同物化性質的廢水中獲得的藻類生物質生化特性也會不同［7］。上述這些不同也會進一步影響藻類生物質能源的轉化效率，如筆者前期的研究中使用三種不同培養液（BG-11培養基、稀釋奶牛場廢水和稀釋葡萄酒廠廢水）分別培養一株綠藻，最終這株綠藻不僅在生長量和生化組成上表現出明顯差異，而且在其厭氧發酵產甲烷效率上也差異顯著［8-9］。通常，在試驗研究中會以藻類生物量、藻類生物質能源轉化效率為擇優依據，選擇最佳的廢水類型和微藻種類。在藻類生物質能源進行大規模商業化的過程中，需要綜合考慮其經濟、社會和環境效益，并不能單純地選擇高的生物量或高的能源轉化效率。

生命周期評價（Life cycle assessment，LCA）被認為是評價環境影響的重要手段之一，LCA是一個定量化、系統化評價與產品、工藝或者活動相關的環境負荷潛在影響的過程，包含原材料的開采或采購，中間的運輸與加工，以及產品的使用、回收等全過程，可以認為是對一個產品或一個過程“從搖籃到墳墓”的分析［10-11］。國際標準化組織認為LCA的技術框架可分為四部分，即目標與系統邊界的確定、清單分析、環境影響評價和結果解釋。相關研究學者已通過生命周期評價對藻類廢水培養及藻類生物質能源化這一耦合過程的能耗、環保性、經濟性和社會性進行綜合評價，論證基于廢水培養的藻類生物質在能源轉化方面極具優勢。例如，Clarens等［10］通過對比藻類與陸生能源植物（包括玉米、柳枝稷和油菜）獲取過程中的資源消耗和污染氣體排放，發現利用廢水替換傳統的營養源可以提高藻類培養的環境效益。Mu等人［11］對16種藻類生物燃料生產途徑進行生命周期評價分析，其中通過污泥浸出液培養藻類與濕式脂類提取或直接燃燒相結合的途徑，在能源消耗、溫室氣體排放、富營養化及水消耗量方面產生較低的影響。

因此，本研究將嘗試利用生命周期評價方法，建立微藻廢水培養、收獲及厭氧發酵產甲烷過程的污染物排放清單，全面對比分析不同廢水培養途徑獲得生物甲烷的資源利用、能源消耗及環境影響，得出最佳的廢水類型，提出合理的藻類生物質能源化改進方法，為微藻在能源化方面的發展提供科學的參考依據。

1 目標與系統邊界的確定

為在清單分析過程中使收集的數據標準化，本研究以培養收獲的藻類生物質均通過厭氧發酵產出1 m3 CH4為功能單位，結合前期研究分別從BG-11培養基、稀釋奶牛場廢水和稀釋葡萄酒廠廢水中培養收獲的Algae M、Algae D和Algae W的厭氧發酵產甲烷的試驗結果［8-9］，對上述三種藻類生物質產甲烷過程進行生命周期評價，得出最佳的試驗藻株培養廢水環境，同時找出產能過程中對環境帶來較大影響的步驟，依此提出改進方法。

在生命周期評價過程中，需要對評價的范圍進行界定。而根據本研究的實際情況，確定評價范圍，包括試驗藻株的培養及收獲過程、厭氧發酵過程和上游資源與能源準備過程，如圖1所示。根據以上過程的具體操作方式，分析其對環境產生的直接和間接影響，建立清單目錄，計算上述過程中的能源消耗量和各污染氣體排放量。

同時對生命周期評價系統做了如下假設和簡化。

①BG-11培養基中消耗的氮源（硝酸鈉1.5 kg/m3）及磷源（磷酸氫二鉀0.04 kg/m3）分別轉化為同等質量的尿素（2.12 kg/m3）和磷酸二胺（0.023 kg/m3），其他微量元素的消耗忽略不計，其中肥料生產過程中消耗能源及主要污染氣體排放數據參考文獻［12］。

②系統中消耗的能源均由電能提供，電網燃煤發電中所需能源及大氣污染物排放量參考文獻［13］。

③厭氧發酵過程中的電能消耗與熱能消耗依據Soda等［14］提出的經驗公式進行計算，即電能為0.11 kWh/kg-TS，熱能為2.448 kWh/kg-TS，而產出的沼渣和沼液的處理及對環境的影響并未計入。

④不考慮處理廢水的回用及藻類培養和厭氧發酵過程中水分的蒸發。

2 清單分析

2.1 試驗藻株培養及收獲過程

在本研究中，利用三種不同培養液培養試驗藻株的過程分為4個階段：培養基的配制、廢水的稀釋、藻類培養及重力沉淀。根據每個階段中使用的資源與設備，總結出該過程主要考慮的因子：培養基中投加營養源量（kg）、光源的電能消耗（kWh）、空氣泵的電能消耗（kWh）、蠕動泵的電能消耗（kWh）和吸收空氣中的CO2量（kg）。

根據本研究前期得出的相關結果進行如下推論。

①從BG-11培養基中獲得的藻類生物質Algae M的元素組成：C3.60H6.36N0.64O1.91，推斷出其生長過程中需要的理論CO2量為1.78 kg/kg干物質。而實際培養基中折算的純CO2投加量為0.006 kg/kg干物質。因此，本研究認為Algae M主要從環境中吸收CO2作為其生長碳源。

②從稀釋奶牛場廢水中獲得的藻類生物質Algae D的元素組成為C3.01H5.42N0.40O1.39，其理論需CO2量為1.91 kg/kg干物質。而在稀釋奶牛場廢水中，COD的去除率為0.83 kg/kg干物質。COD與TOC的比值通常為2.6～3.3，在本研究中取3.0，因此，C的去除率折算為0.28 kg/kg干物質，則相當于CO2的去除率為1.01 kg/kg干物質。說明Algae D以有機碳為主要碳源，同時從環境中吸收CO2作為補充碳源，吸收量至少為0.80 kg/kg干物質。

③從稀釋葡萄酒廠廢水中獲得的藻類生物質Algae W的元素組成為C3.07H6.36N0.28O1.58，其理論需CO2量為1.89 kg/kg干物質。而在稀釋葡萄酒廠廢水中，COD的去除率為1.51 kg/kg干物質，折算成CO2的去除率為1.85 kg/kg干物質。說明Algae W僅需要從環境中吸收少量的CO2（0.04 kg/kg干物質）作為補充碳源。

本研究采用3 L的塑料袋（有效容積為1.5 L）作為培養試驗藻株的反應器，20個為一組，培養周期為14 d，配有1盞LED日光燈管（功率為9 W），光暗比為14∶10，并使用1臺空氣泵（功率為18 W）進行間斷式曝氣，達到補充CO2和防止藻細胞沉淀的目的。培養結束后，將藻液置于30 L的塑料容器中靜置沉淀2 h，并利用蠕動泵（40 W）在2 L·min-1的流速下將上清液移出，收集濃縮藻泥。因此，一組藻類培養及收獲過程的總耗電量約為4.80 kWh。

藻類生長量和沉淀效率的試驗結果如圖2所示，推算出每培養收獲1 kg藻類干物質量需要使用的培養液體積及在培養階段獲得的藻類生物量。將該結果與上述條件結合，計算出需要投入的資源，見表1，三種藻類生物質的生長量不同，Algae M的培養過程表現出最高的耗電量，而Algae D的耗電量最低。由于奶牛場廢水的稀釋程度要大于葡萄酒廠廢水，所以試驗藻株對葡萄酒廠廢水的處理量要高于奶牛場廢水。在本系統中并未將淡水使用量和廢水處理量計算在內，而在實際的藻類廢水培養過程中，可以使用處理后的廢水對原廢水進行稀釋，進而減少稀釋過程帶來的水資源消耗。

因此，可以得出培養收獲1 kg Algae M、Algae D和Algae W需要消耗的能量和排放的大氣污染物，見表2。其中，CO2排放量的最終值減去藻類在培養過程中吸收的CO2量，Algae M的能源消耗及污染氣體排放量也包含尿素和磷酸二胺的生產過程。

2.2 藻類厭氧發酵過程

本研究將重力沉淀收獲的藻類生物質Algae M、Algae D和Algae W直接用于厭氧發酵，根據前期研究結果中得出的三種藻類生物質的產甲烷潛力，可以推算出每產出1 m3 CH4需要添加的Algae M、Algae D和Algae W分別為5.00 kg VS、7.69 kg VS和4.55 kg VS，依據每種藻類生物質的VS含量，得出需要的干物質量分別為5.60 kg、9.75 kg和6.34 kg。在厭氧發酵過程中接種物與底物投加比值為2，所以Algae M、Algae D和Algae W相對應的接種物量分別為10.00 kg VS、15.38 kg VS和9.10 kg VS，轉化為干物質量分別為16.00 kg、24.61 kg和14.56 kg。因此，根據上述的第三條假設可以計算出Algae M的電能消耗為2.38 kWh，熱能消耗為52.88 kWh。同理，Algae D的電能消耗為3.78 kWh，熱能消耗為84.11 kWh；
Algae W的電能消耗為2.30 kWh，熱能消耗為51.16 kWh。上述結果說明產甲烷潛力最小的Algae D需要較高的能耗生產1個功能單位的甲烷，相反，Algae W的能耗則為最低。因此，可以得出每產出1個功能單位所需要消耗的能量及污染氣體排放量，見表3。

3 環境影響評價方法

為了區分各類環境影響的重要性及它們之間的關系，可以將上述清單分析中得出的數據進行定量和定性評價，根據國際標準ISO14040提供的《生命周期評價原則及框架》，將影響評價分為特征化、標準化和加權評估。

3.1 特征化

在藻類能源化過程中，主要考慮的環境影響包括全球變暖潛值（global warming potential，GWP）、環境酸化潛值（acidification potential，AP）、富營養化潛值（nutrient enrichment potential）、光化學臭氧合成（photochemical ozone formation）和煙塵（soot and ashes）［13］。根據每種環境影響包括的氣體排放物及它們各自對應的當量因子，結合上述清單分析中得出的污染氣體排放量，分別計算出Algae M、Algae D和Algae W以kg CO2 eq.表示的全球變暖潛值、以kg SO2 eq.表示的環境酸化潛值、以kg NO3- eq.表示的富營養化潛值、以kg C2H4 eq.表示的光化學臭氧合成和以kg表示的煙塵總量。

3.2 標準化和加權評估

為了使上述各種環境影響的大小進行對比，本研究將2010年的全球人均環境影響潛力作為環境影響基準，根據生命周期評價中的標準化和加權評估的方法［13，15］，如公式（1）和公式（2），分別對Algae M、Algae D和Algae W產出1 m3 CH4后，整個生命周期的五種環境影響結果進行標準化和加權評估，其中標準化參考值和權重因子采用Liao等［13］的研究中報道的相關數據，用人當量（Person equivalents）表示標準化值，單位換算為毫克，簡寫為mPE，以目標年2010年的人當量（Person equivalents， 2010 was targeted）表示加權值，單位換算為毫克，簡寫為mPET2010。

4 結果與討論

4.1 能源消耗

根據上述得出的藻類生物質培養收獲過程和厭氧發酵過程的能源消耗，計算全生命周期能源總消耗量，見表4。由表4可知，Algae M的能源消耗總量最高，其次是Algae D，Algae W最低。對于三種藻類生物質，在本研究中它們主要的能源消耗在培養和收獲階段，這可能與選用人工光源和空氣泵曝氣的培養方式有關。藻類生物質在厭氧發酵階段的能源消耗與它們各自的產甲烷潛力相關，而培養收獲階段的能源消耗不僅與它們各自的生物量有關，同時還綜合了它們的沉淀效率、揮發性固體含量及產甲烷潛力，所以最終三種藻類生物質在培養收獲階段的能源消耗的大小關系為Algae M > Algae D > Algae W。

4.2 環境影響負荷

根據上述得出的微藻養豬廢水處理與混凝沉淀過程和厭氧發酵過程的污染氣體排放量計算全生命周期污染氣體排放量，見表5。然后根據每種環境影響包括的氣體排放物及它們各自對應的當量因子，計算出小球藻生物質以等效量表示的各類環境影響潛值，見表6。

從表6中可以看出，三種藻類生物質產出1 m3 CH4后，整個生命周期的全球變暖潛值的大小順序為Algae M > Algae D > Algae W。其中，CO2自身的排放是全球變暖的主要影響因素，在Algae M、Algae D和Algae W中均占到60%以上，而NOx的排放量雖然較低，但由于其效應當量因子較高，所以它的等效量成為全球變暖潛值的第二大因素，CO和CH4的影響微乎其微。三種藻類生物質產出1 m3 CH4后，整個生命周期的環境酸化潛值和富營養化潛值的大小順序仍為Algae M > Algae D > Algae W。對于表6中列舉的光化學臭氧合成的等效量總值，Algae M、Algae D和Algae W均約等于0.04 kg C2H4 eq.，且VOC均為它們的主要影響因素。另外，Algae M的煙塵排放量為0.49 kg，明顯高于Algae D和Algae W的0.06 kg。

根據公式（1）和公式（2）對五種環境影響結果進行標準化和加權評估，結果如圖3至圖6所示。圖3至圖5顯示三種藻類生物質的產甲烷過程對全球變暖的影響較為顯著，Algae M、Algae D和Algae W的全球變暖潛值經標準化后分別占據總影響的44.37%、46.12%和46.31%，即全球變暖潛值的大小順序為Algae W > Algae D > Algae M。然而最終Algae M、Algae D和Algae W標準化后的總值分別為330.27 mPE、244.34 mPE和226.02 mPE，遵循Algae M > Algae D > Algae W的規律。這可能與藻類培養過程中CO2的吸收量有關，因為CO2是全球變暖潛值的主要貢獻物質，在試驗藻株的培養和收獲過程的分析中得出，從BG-11培養基中收獲的Algae M主要從空氣中吸收CO2作為其碳源，從奶牛場廢水中收獲的Algae D只有部分碳源來自空氣中的CO2，而葡萄酒廠廢水幾乎為Algae W提供了全部的碳源，所以最終全球變暖潛值中Algae M的CO2抵消量最高，其次為Algae D，最低為Algae W。環境酸化和光化學臭氧合成的影響比例較為接近，雖然光化學臭氧合成的等效量最低，但由于其每人每年的標準化參考值遠低于其他四種影響類型，所以其標準化后的影響比例僅次于全球變暖。富營養化和煙塵的影響比例較低，尤其是Algae D和Algae W的煙塵影響比例，其標準化后均占據總影響的1.40%。三種藻類生物質的五種環境影響類型表現出一致的規律，它們標準化后的比例順序為全球變暖>光化學臭氧合成>環境酸化>富營養化>煙塵，即全球變暖、光化學臭氧合成和環境酸化為三類主要的環境影響類型。由圖6可知，Algae M、Algae D和Algae W產甲烷生命周期的五種環境影響類型加權后的總值分別為238.15 mPET2010、176.22 mPET2010和163.09 mPET2010，說明利用葡萄酒廠廢水培養的微藻進行能源化的環境影響最小。

4.3 敏感性分析

在分析藻類生物質培養、收獲及產甲烷過程的能源消耗及環境影響評估中，不同的藻類生長量、沉淀效率和產甲烷量會改變最終的評價結果，因此本研究針對藻類生長量、沉淀效率和產甲烷量設置一定的變化率，分別為±25%、±5%和±25%，對界定系統的能源消耗及主要的環境影響（如全球變暖、環境酸化和光化學臭氧合成）進行敏感性分析，結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，能源消耗、全球變暖、環境酸化和光化學臭氧合成在不同的藻類生長量、沉淀效率和產甲烷量下均有明顯的變化，且它們的變化趨勢基本一致。當Algae M的藻類生長量增加25%時，能源消耗、全球變暖、環境酸化和光化學臭氧合成分別降低18.71%、19.93%、20.07%和18.66%；
相反，當Algae M的藻類生長量減少25%時，能源消耗、全球變暖、環境酸化和光化學臭氧合成分別增加31.80%、30.74%、29.87%和31.78%，這說明Algae M生長量的減少比其增加對生命周期評價結果的影響程度要高，Algae D和Algae W也表現出類似的結果。當產甲烷量增加25%時，能源消耗、全球變暖、環境酸化和光化學臭氧合成的變化率基本相似，Algae M約為19.94%，Algae D約為20.02%，Algae W約為20.00%；
相反，當產甲烷量減少25%時，能源消耗、全球變暖、環境酸化和光化學臭氧合成的變化率也相似，且高于產甲烷增加時的變化率，Algae M約為33.43%，Algae D約為33.30%，Algae W約為33.34%。當沉淀效率增加5%時，Algae M、Algae D和Algae W的能源消耗也隨之降低4.28%、3.60%和4.31%；
相反，當沉淀效率減少5%時，Algae M、Algae D和Algae W的能源消耗隨之增加5.19%、5.50%和5.07%；
同時，全球變暖、環境酸化和光化學臭氧合成的變化率與能源消耗也較為接近。

從上述敏感性分析的結果可以得出，較低的藻類生長量和產甲烷量對界定系統生命周期評價結果的影響最為顯著，所以采取有效手段提高藻類生長量和產甲烷量十分必要。雖然沉淀效率對生命周期評價結果也有一定的影響，但是目前僅利用重力沉淀提高藻細胞的收獲量是比較困難的。因此，為了能夠使試驗藻株在藻類能源化方面有一定的發展，在廢水作為其培養液的同時，還需要優化藻細胞的生長條件，在較低的能源投入下達到較高的生長量，且更需要對藻細胞特性進行深入研究，尋找低能耗的方式提高藻細胞的生物降解率，增加其產甲烷量。

5 結論

以從BG-11培養基、奶牛場廢水和葡萄酒廠廢水中分別收獲的Algae M、Algae D和Algae W均產出1 m3 CH4為研究對象，在界定系統下進行清單分析，建立生命周期評價模型，得出以下結論。

①對比Algae M、Algae D和Algae W產出1 m3 CH4過程的能源消耗，得出大小順序為Algae M > Algae D > Algae W，且對于三種藻類生物質，其培養收獲階段的能耗均高于厭氧發酵階段。

②Algae M、Algae D和Algae W產出1 m3 CH4過程的全生命周期環境影響分別為238.15 mPET2010、176.22 mPET2010和163.09 mPET2010，且三種藻類生物質的五種環境影響的主次順序一致，依次為全球變暖、環境酸化、光化學臭氧合成、富營養化、煙塵。三種藻類生物質加權后的環境影響值的大小順序仍為Algae M > Algae D > Algae W，說明通過稀釋葡萄酒廠廢水培養的試驗藻株在產甲烷方面具有明顯的優勢。

③根據改變后的藻類生長量、沉淀效率和產甲烷量對界定系統生命周期評價結果的敏感性分析得出，藻類生長量和產甲烷量的變化會使系統的能源消耗量和環境影響結果產生明顯的變化，且藻類生長量和產甲烷量減少時對能源消耗量和環境影響結果帶來的變化幅度要明顯高于藻類生長量和產甲烷量增加時。

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收稿日期：2023-03-16

基金項目：河南省科技廳科技攻關項目（232102320099）；
河南省科技廳科技攻關項目（212102310070）。

作者簡介：劉翠霞（1987—），女，博士，研究方向：微藻廢水處理及生物質能源化。