废水藻类的水力旋流器预处理：一种用于无机灰分分离的策略

《Algal Research》：Hydrocyclone pre-processing of wastewater algae: A strategy for inorganic ash separation

微藻在废水中的培养可同时实现污水净化和生物燃料原料生产，但无机灰分（30-50%）会降低氢热液化（HTL）产生物柴油的效率。本研究通过调节pH至9.5促使灰分沉淀，利用水力旋流器分离，成功将总灰分降低21%（有机损失仅8%），并证实镁、磷富集于旋流器底流，矿物相分析发现石英、钡矿等成分。未来需优化晶体生长过程和镁磷沉淀机制。

　　

Rebecca M. Brown | Bradley D. Wahlen | Cody Steven | Harry W. Rollins | Peter J. Valdez

生物能源原料技术，爱达荷国家实验室，爱达荷福尔斯，ID 83402，美国

摘要

在废水中培养微藻不仅可以用于废水处理，还可以产生用于生物燃料生产的宝贵原料。废水中的藻类通常含有较高比例的无机灰分，这会降低水热液化（HTL）过程中产生的生物原油的产量和质量。在这项研究中，我们评估了使用水力旋流器预处理去除废水藻类中无机灰分的效果。将藻类浆液的pH值调整至9.5，以促进沉淀物的形成，并在灰分颗粒和藻细胞之间产生密度差异。水力旋流器处理成功地将灰分颗粒集中在下游流中，同时减少了上游流中的总灰分百分比。总体而言，水力旋流器处理使总灰分减少了21%，而只有8%的有机物被损失。元素分析显示，Mg和P集中在下游流中，并通过矿物分析确认了石英、重晶石、鸟粪石和方解石的存在。未来的研究应重点关注在沉淀过程中促进晶体生长，以及通过形成重晶石和/或鸟粪石和/或方解石来提高Mg和P的沉淀效率。我们得出结论，水力旋流器处理废水藻类是一种可行的去除无机灰分的方法，但需要进一步优化工艺。

引言

微藻由于其快速生长率、低土地利用率和全年可栽培的特点，成为生物燃料生产的理想原料[1]，[2]。此外，藻类还可以用于废水处理，以去除多余的碳、氮和磷等营养物质[1]。由此产生的藻类生物质富含碳水化合物、蛋白质和脂质，可用于生物燃料生产[3]。虽然有多种水热转化藻类的方法，但大多数方法都需要能耗较高的干燥步骤。水热液化（HTL）是一种有前景的藻类生物燃料转化方法，因为它可以直接处理湿原料，无需干燥[4]。HTL是一种热化学过程，利用高温和高压将原料转化为生物原油以及固体、气体和水相副产品[5]。 废水中的藻类生物质通常含有较高的灰分（30-50%），这会导致HTL产生的生物原油产量降低[6]，[7]，[8]。在之前的一项HTL研究中，比较了两种生长在废水中的类似藻类，它们的灰分含量不同（分别为21%和40%[9]）。灰分含量较高的藻类产生的生物原油较少（干基无灰分产量分别为29%和34%），并且更多的产物质量集中在HTL固体中（干基无灰分产量分别为17%和9%）。高灰分藻类的HTL固体中还保留了更多的碳（干基无灰分产量分别为25%和12%），从而降低了能源产品的碳转化效率。因此，降低灰分含量有望提高生物原油的产量和碳转化效率。 先前的研究已经探讨了多种针对藻类生物质中灰分去除的工艺方法，如离心、水洗、螯合和稀酸处理[7]，[10]，[11]。尽管这些方法效果良好，但它们能耗较高，会产生化学废物，并且可能需要苛刻的条件（如高温和高压）[12]。水力旋流器利用离心力分离浆液中的颗粒。较大、较重的颗粒向下流动并进入下游流，而细小颗粒向上流动并进入上游流。水力旋流器在采矿、食品加工和石油工业中广泛用于颗粒分离，因为它们成本低廉、没有运动部件且易于操作。水力旋流器的工业应用总结在表1中。 采矿和煤炭行业主要使用水力旋流器通过水和其他密度较大的液体介质来分离固体[13]。水力旋流器已成功应用于磨矿回路中的颗粒分级，以及从脉石中分离有价值的矿物[14]，[15]。利用密度作为筛选机制，未充分研磨的较大颗粒被导向下游流并返回研磨机进行进一步破碎；适当破碎的颗粒则通过上游流进入浮选回路。特殊的水力旋流器使用密度较大的介质（例如水中的磁铁矿悬浮液）根据颗粒相对于介质的密度进行分离。比介质轻的物料进入上游流，而较重的物料则进入下游流[16]。与采矿和矿物加工行业类似，煤炭行业也使用水力旋流器进行脱泥和选矿，目的是去除附着在煤表面的超细灰分颗粒和其他无机杂质（如硫），这些杂质会降低燃烧效率并释放污染物[17]。脱泥通常是选矿过程中的预备步骤，通过水力旋流器去除超细灰分颗粒[18]。在石油工业中，水力旋流器用于从提取过程中产生的水中分离出有价值的油分（也称为产出水），同时用于去除砂石等固体，以保护加工设备并提高油质[19]，[20]。在食品加工行业中，水力旋流器用于澄清果汁和精炼多种来源的淀粉（如土豆、玉米和小麦），以及油品净化，常串联使用以提高分离效果和产量[12]，[21]。在废物管理行业中，水力旋流器可根据密度分离塑料颗粒，例如将聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等轻质塑料与聚氯乙烯（PVC）等重质塑料分离[22]，[23]。在纸浆和造纸行业中，水力旋流器用于去除回收纸浆中的污染物，如油墨、粘性物质和杂质[24]，[25]，[26]。在生物技术行业中，水力旋流器已被用于浓缩各种生物颗粒，包括哺乳动物细胞、酵母和藻类[12]。 目前水力旋流器的生物应用主要集中在细胞分离和浓缩方面，包括微藻的收集[33]。先前的研究发现，在收获前使用水力旋流器进行预浓缩的效果并不可靠[12]。理论上，全尺寸的水力旋流器可以分离1-1000微米范围内的颗粒，但由于颗粒容易进入上游流，小于10微米的颗粒无法有效分离[12]，[34]。微藻的尺寸通常在2-50微米之间，这解释了为什么传统尺寸的水力旋流器在预浓缩方面不可靠[35]。土壤、砂砾和杂质可能是藻类生物质中灰分的主要来源[36]。藻细胞与灰分颗粒之间的尺寸和密度差异有利于通过水力旋流器进行分离。 迄今为止，文献中尚未报道水力旋流器用于减少微藻中灰分的应用。本研究的目的是确定水力旋流器预处理去除废水藻类中无机灰分的有效性。通过调整操作参数，确定了最佳配置以减少上游流中的灰分含量。为了促进沉淀物的形成并提高灰分颗粒的分离效果，在水力旋流器处理前将藻类的pH值调整至约9.5。通过灰分百分比、颗粒大小、元素分析和矿物相分析来评估水力旋流器预处理的性能。

样本制备

样品制备

废水藻类浆液由Gross-Wen Technologies（美国艾奥瓦州Slater）提供。这些藻类在垂直方向的输送带上生长，属于其旋转藻类生物膜（RAB）系统，其中包含绿藻、细菌和蓝细菌的混合培养物，文献表明小球藻是主要物种[37]，[38]，[39]，[40]。藻类生物膜从输送带上刮下，所得浆液中的固体含量约为3%。

水力旋流器优化筛选

增稠剂的存在与否对水力旋流器各流中的总灰分没有显著影响，但使用增稠剂时样品收集更加方便。同样，操作压力对上游流中的灰分百分比没有影响，但将水力旋流器保持在最大压力（50 psi）下则更加容易操作。上游流中的总灰分受锥角的影响显著，90°角的效果优于其他角度。

结论

本研究探讨了利用水力旋流器预处理去除高灰分废水藻类中无机灰分的潜力。将pH值调整至9.5以促进沉淀物的形成，从而便于通过水力旋流器处理分离。水力旋流器处理去除了约21%的总灰分，而只有8%的有机物被损失。下游流中的样品显示出较大的颗粒尺寸和较高的灰分百分比。

作者贡献声明

Rebecca M. Brown：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、数据分析、数据整理。 Bradley D. Wahlen：撰写——审阅与编辑、监督、方法论制定、资金获取、概念构思。 Cody Steven：撰写——审阅与编辑、数据分析。 Harry W. Rollins：撰写——审阅与编辑、数据分析。 Peter J. Valdez：撰写——审阅与编辑。

资金来源

本研究得到了美国能源部（DOE）关键矿物与能源创新办公室（CMEI）和生物能源技术办公室（BETO）的支持，资助编号为DE-Ac07-05ID14517，并在太平洋西北国家实验室根据合同编号DE-AC05-76RL01830进行。本文表达的观点不一定代表美国能源部或美国政府的立场。作者声明对任何产品或概念没有商业或专利利益。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Jesse Carrie、Caitlin Barboza、Michelle Walton和Noah Berglund在实验中的支持。同时感谢爱达荷大学电子显微镜中心在数据获取方面提供的帮助。