來源：JIEI創新實驗室
氣候變化帶來的乾旱問題給美國許多地區的未來發展蒙上陰影。亞利桑那州是出了名的乾旱地，該州38%的水資源供應來自科羅拉多河，它的供水依賴與美國其他州達成的水資源共享協議。去年夏天，美國聯邦政府宣佈該河的主要水庫之一米德湖(Lake Mead)出現水資源短缺。這意味著美國多個依賴該河作為水源的州將面臨缺水危機。這對於亞利桑那州的人來說絕對是雪上加霜的訊息。
亞利桑那州乾涸的仙人掌 | 圖源：tucson.com
水資源如此短缺，以至於當地的科學家們連汙水資源也不放過——亞利桑那州立大學環境工程系的科研團隊提出用養殖微藻的方法減少二氧化碳的排放，同時還能生產各種高附加值的產品。
最近該專案又有了新進展——其微藻反應器要搬到在梅薩城(Mesa)的一座汙水廠進行測試。
作者：瓦村農夫
汙水廠養藻減碳
亞利桑那州立大學(ASU)有位水圈大牛，叫Bruce Rittmann教授。話說Bruce Rittmann教授是MBfR (基於膜傳導的生物膜反應器) 的發明者，也是最早提出微生物燃料電池 (Microbial Fuel Cell) 的學者之一。他在氣體傳遞膜方面的研究已有約20年的時間，將這膜技術和微藻養殖相結合也有10年多的時間。他正是這個養藻專案的負責人。
Bruce Rittmann教授 | 圖源：ASU
這個專案的全稱是Atmospheric CO2 Capture and MembraneDelivery，簡稱ACED。顧名思義，就是捕獲空氣中的二氧化碳，然後透過膜技術傳遞收集。這個專案由美國能源部撥款資助，為期三年。
下圖是Rittmann教授在2019年3月給美國能源部生物能源技術辦公室(DOE-BETO)做彙報的PPT截圖。如圖所示，這個專案的目標是利用汙水處理廠產生的溫室氣體來生產電能、生物燃料，甚至是用來做冰淇淋。這些都需要透過微藻這種中間產物來實現。
2021年11月，這個專案進入了實地中試的階段，地點位於梅薩城的西北再生水廠(NWWRP)。小編搜了一下谷歌地圖，發現該廠就建於一個棒球場旁邊。亞利桑那州立大學的Tempe校區就在其西邊幾公里外。
梅薩城西北再生水廠衛星圖 | 圖源：GoogleMaps
“梅薩城的汙水廠有厭氧消化器，他們一直樂於嘗試新的技術。又因為(汙水廠)就在ASU附近，我們過去多年和他們建立了良好的研發合作關係。” Rittmann教授說。
微藻反應池外觀 | 圖源：ASU
厭氧消化的副產品
世界各地的汙水處理廠都開始進行碳中和的升級，厭氧消化器是重要組成，目的是回收汙水中的有機質，並轉化成生物沼氣。生物沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳。這些沼氣處理得當可以透過熱電聯產實現電能和熱能的回收，但對於不那麼財大氣粗的汙水廠，更常見的操作是把沼氣燒掉，目的是把甲烷轉化成二氧化碳，減少甲烷的直接排放，畢竟甲烷的溫室效應強度遠高於二氧化碳。
ASU有一個叫負碳排放中心的部門，Justin Flory是該中心的副主管，也是微藻測試專案的專案經理。他表示汙水廠現在就這樣把CO2排放掉了，“但現在人們也都知道CO2是個問題”。言下之意，這樣白白把CO2排掉，汙水廠不僅不能實現碳中和，甚至還加劇了氣候變化。
那該如何處理這些CO2呢？
ASU的團隊說現在不需要燒沼氣了，而且可以把CO2拿去種微藻。
以綠治綠
若給這技術一個花哨的噱頭，小編會說這是種“以綠治綠”的黑科技——第一個綠指綠色的微藻，第二個綠指溫室氣體(Greenhouse Gas)。
西北再生水廠過去將厭氧消化器生成的生物沼氣壓縮並存貯到罐裡，然後燃燒成為CO2後排放。現在ASU的團隊在消化器旁邊建了3個25㎡的微藻池中，部分沼氣會輸送到這些水池裡。
沼氣會直接輸進池中的中空纖維膜，其中CO2可以穿過纖維膜的孔徑進入水中，成為水中微藻的底物進行光合作用。
ASU的助理研究員Everett Eustance | 圖源：Andy DeLisle/ASU
這套工藝幾乎可以將所有CO2傳遞給微藻，也就是說沼氣中的CO2都不會排放到大氣中。
反過來，這些CO2可促進微藻的生長，降低其養殖成本。這裡說的成本降低，是與該套系統1.0版本相比的結果。因為這個專案的最初設想是對空氣中的CO2進行濃縮後再傳輸到微藻池。“大氣的CO2含量太低了，無法支撐高產率。”該團隊的核心成員Everett Eustance博士在接受ASU校方採訪時如此說道。
ACED1.0系統的原理圖及裝置 | 圖源：energy.gov
那剩下的甲烷去哪了呢？據介紹，大部分的甲烷會排出纖維管，有後續裝置對這些甲烷進行收集做進一步用途。這也相當於同時完成了甲烷的提純。
“梅薩城剛通過了一個氣候變化行動計劃，目標是在2050年使用100%的可再生能源，實現碳中和。”梅薩城環境管理和可持續發展部主任Scott Bouchie在接受採訪時說，“這個專案將幫助我們朝著這些目標邁進。”
神奇的微藻
完成甲烷和二氧化碳分離後，最終產物有何去向呢？
ASU負碳排放中心的副主任Justin Flory說：“富集後的甲烷可用來發電，或者用作你家煤氣爐的燃料，又或者為天然氣公交車提供燃料。”
當然，更重要的是微藻的使用潛力。
Flory先生補充道：“這些生物質可以轉化成許多不同的物質，例如某些微藻富含蛋白質和Omega-3脂肪酸，可用於餵養動物或魚類。有些微藻中的化合物還可用於製造冰淇淋。”Flory先生指的是藻類中蘊含的瓊脂(agar)。
此外，微藻還可以轉化為生物燃料。
Flory先生說：“請大家想想化石燃料是如何產生的——它是植物等埋在地底的有機材料，在熱能和壓力作用下轉化為化石燃料。這過程需成千上萬年的時間，但現在的技術可以在幾分鐘內完成(這個過程)。”
他指的技術就是將微藻搗碎成泥漿狀後，加壓煮熟，直到變成生物燃料。在ASU團隊看來，用微藻生產生物燃料是一個閉環迴圈——雖然生物燃料最終會變成二氧化碳，但這些二氧化碳可以被新的微藻吃掉，製造更多的生物燃料。
藻類轉化成生物燃料的示意圖 | 圖源：維基百科
從實驗室到汙水廠
藻類的潛力早已寫進大學的教科書，但在實際應用的效果如何呢？
相比美國其他地區，亞利桑那州的光照是相當充足的。但Flory先生說：“僅僅有充足穩定的光照還不夠，該系統要想高效執行，需要太陽光到達池底，如果藻的密度太高，太陽光就無法穿透了。”因此這次實地測試的目標之一就是要確定每個池的微藻的最優量。
水資源也是第二個要考慮的因素。用再生水廠的出水作為水源，就不用“浪費”自來水，還為中水回用找到了有效歸宿。
第三則是天氣的問題，氣溫的下降會降低微藻的生長速率，因此他們選擇在11月下旬開始測試，目的是篩選出能適應較低溫度的微藻種類。
ASU的助理研究員Everett Eustance | 圖源：Andy DeLisle/ASU
前景展望
這次的測試為期6周。下一步他們希望能用厭氧消化器的出水進行測試，因為這些消化液富含氮磷等營養物，不僅能促進微藻的生長，還將進一步提高閉環迴圈的水平。
這次測試將起到良好的示範作用，它給其他城市展示了汙水處理廠轉變成為資源回收工廠的新思路。
“我最終是想看到成千個微藻池同時執行。” 這是Eustance博士心中的期許。小編也祝願他和他的團隊能早起實現這個小目標。
位於西北再生水廠的微藻池 | 圖源：ASU
