在對灰霾天氣的治理中,我們面臨一個困難:脫硝。對我國華北地區(qū)霧霾成因的機理研究揭示,硫氧化物和氮氧化物是主要元兇。其中,二氧化氮將二氧化硫氧化生成硫酸鹽,對PM2.5顆粒的形成有顯著貢獻(xiàn),而這一氧化反應(yīng)的速率又隨pH值上升而大幅提高。目前,工業(yè)生產(chǎn)中的脫硝技術(shù)主要是利用氨與氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)生成氮氣。但是,氨由氮氣和氫氣合成,本身要消耗能量、產(chǎn)生污染,與氮氧化物反應(yīng)重新生成氮氣,又使投入的能耗化為烏有。不僅如此,在用氨水進(jìn)行脫硝反應(yīng)時,過量的氨進(jìn)入大氣,增加堿性成分、提高pH值,反而會加速霧霾的形成。這就是我們面臨的治霾脫硝之困。
有沒有新的技術(shù)路徑可以解決這一問題呢?生物脫硝或可提供答案。其中,利用微藻發(fā)酵脫除氮氧化物的方法大有可為。不僅能夠避免過量氨對大氣的污染,反應(yīng)生成的生物質(zhì)還能作為動物飼料添加劑,帶來經(jīng)濟(jì)效益。
微藻是一類單細(xì)胞或多細(xì)胞的微小光合生物,一般利用太陽光能進(jìn)行光合作用、生長繁殖,但也有一些種類能夠利用葡萄糖等有機碳源進(jìn)行高密度發(fā)酵生長,也就是異養(yǎng)生長。工業(yè)尾氣中的氮氧化物可以在適當(dāng)條件下與水反應(yīng)生成硝酸根、亞硝酸根,作為微藻生長所需要的氮營養(yǎng)。依靠太陽光能生產(chǎn)微藻要占用大量土地,因此難以用于工廠的尾氣處理,但利用微藻發(fā)酵技術(shù)則使單位面積生物量產(chǎn)率提高上千倍,從而有可能在廠區(qū)有限的面積進(jìn)行生物脫硝。
為實現(xiàn)微藻脫硝技術(shù),有三個關(guān)鍵問題需要解決。其一,需要把工業(yè)尾氣氮氧化物固定與微藻發(fā)酵過程相分離,以保證尾氣處理的高效率和可靠度。其二,需要建立微藻利用硝酸根、亞硝酸根規(guī);l(fā)酵生產(chǎn)的技術(shù)。其三,需要找到微藻產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)出口。
中國科學(xué)院水生生物研究所與中國石化石科院合作,逐步解決了以上問題。針對第一個問題,中石化的科研人員建立了氧化條件,將尾氣中的氮氧化物高效固定、轉(zhuǎn)化為稀硝酸供微藻培養(yǎng)之用。為了解決第二問題,科研人員篩選獲得可以完全不用光照進(jìn)行異養(yǎng)發(fā)酵的藻種,建立以硝酸鹽為氮源的發(fā)酵模式,實現(xiàn)了十噸規(guī)模發(fā)酵的成功。為了驗證第三個問題,中科院科研人員以微藻作為魚類飼料添加劑,證明可提高魚類生長、體色等指標(biāo),具有良好應(yīng)用前景。
據(jù)估算,我國每年排放的氮氧化物約為兩千萬噸,利用微藻發(fā)酵技術(shù)即可獲得解決。理論上說,只要對其中的一千萬噸進(jìn)行固定、利用,可產(chǎn)出約五千萬噸微藻,不僅能大大緩解氮氧化物排放問題,還可滿足水產(chǎn)行業(yè)對飼料添加劑的需求,因而具有切實的應(yīng)用前景。
(作者:徐旭東,系中國科學(xué)院水生生物研究所研究員)
來源:光明日報
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