基于直接曝气气提的厌氧消化液氮碳回收驱动蛋白富集微藻生产研究

《Waste Management》：Enabling protein-rich microalgae production from anaerobic digestate through direct aeration stripping for gaseous nitrogen and carbon supply

本研究针对氮素污染控制与资源化需求，创新性地将直接曝气气提技术应用于厌氧消化液中氨氮(N-NH4+)和二氧化碳(CO2)的同步回收，并用于混合微藻培养。结果表明，封闭式气体循环系统(2 L/h流量)可实现69.9%的氨氮脱除效率，并获得最高生物量(1239.6 mg VSS/L)和蛋白质含量(61.6%)。该策略为废弃物氮碳资源转化为高价值微藻蛋白提供了技术支撑，对促进循环经济发展具有重要意义。

　　

随着人类活动产生的活性氮排放急剧增加，氮循环正遭受严重破坏，加剧了生物多样性丧失和气候变化进程。饲料和食品生产过程中氮肥的过度使用以及畜禽粪便、厌氧消化液等富氮废弃物的不当管理，是造成氮损失的重要来源。厌氧消化液作为厌氧消化的主要残留物，富含铵态氮(0.8–5.0 g N-NH₄⁺/L)和无机碳(0.9–1.4 g/L)，既是环境挑战，也蕴藏着资源回收的巨大机遇。传统工业固氮技术——Haber-Bosch法每生产1 kg NH₃会排放1.87 kg CO₂，能耗高且碳足迹大。因此，从厌氧消化液液相中高效回收并升级利用氮素，对降低能耗和温室气体排放至关重要。

微藻因其光自养代谢特性，能够通过光合作用将无机碳和氮转化为生物质，已成为消化液处理的研究热点。平均蛋白质含量约40%(最高可达70%)的微藻被视为潜在的微生物蛋白来源，有望替代传统动植物蛋白。此外，微藻还能积累相当比例的碳水化合物(5–40%)和脂质(5–50%)，近几十年来被广泛用于生物燃料生产。近年来，更高价值的应用领域如化妆品、生物聚合物和制药业也逐渐兴起，进一步推动了微藻培养的研究兴趣。因此，微藻培养不仅为碳捕获与利用提供了可行平台，也为厌氧消化液等富氮富碳废弃物的升级利用提供了转化途径，使其能够转化为高价值产品，同时减少无序土地施用带来的环境影响(如氨排放和氮径流)。

栅藻属微藻因其高氨耐受性(可耐受高达600 mg N-NH₃/L的游离氨浓度)以及积累蛋白质的能力(可达生物质干重的60%)，在消化液处理和蛋白富集生物质生产方面表现出特殊潜力。然而，直接利用厌氧消化液作为微藻生长培养基面临挑战：高浊度限制光穿透；高浓度铵态氮可能对微藻产生毒性；重金属、有机污染物以及各种微生物的存在可能干扰微藻生长或导致最终产品受到病原体和毒素污染。尽管预处理会损失部分原消化液特性，但通常会在使用前对消化液进行巴氏灭菌和稀释，以降低病原体和有毒化合物负荷，并改善光穿透条件。

一种成熟的从厌氧消化液中回收氮的物理化学方法是氨气提，该工艺已实现大规模应用，但其高能耗和化学药剂需求限制了其在微藻培养中的应用可行性。直接曝气气提是一种更具成本效益的替代方法。该过程中，通过直接曝气吹脱去除消化液中的CO₂，从而提高pH值，触发NH₃的气提，无需额外化学品或高能量输入。产生的富含CO₂和NH₃的气流可被导入光生物反应器用于微藻培养，从而在去除废水中氨的同时，为微藻生长提供必需营养，且不与废物基质直接接触。通常，光生物反应器中的微藻培养会供应CO₂富集空气流以防止沉降并确保生物质均匀分布。通过集成直接曝气气提工艺，从消化液中回收的NH₃和CO₂可直接供给微藻，在维持培养物悬浮的同时，消除了对外部氮源和碳源的需求。

本研究旨在验证使用直接曝气气提工艺从厌氧消化液中回收氨和二氧化碳，并将其作为微藻培养的氮源和碳源的概念。研究评估了不同气提流量和工艺配置对微藻生长和蛋白质生产的影响，并将该方法的性能与传统的氮供应策略进行了比较。

本研究采用了一套实验装置，包括连接气提单元、冷凝陷阱和光生物反应器的蠕动泵系统。研究以从意大利坎帕尼亚自然湖泊采集的栅藻优势混合培养物作为接种物，在特定矿物培养基中活化培养。使用的厌氧消化液经过筛分和离心预处理。研究设置了不同的批次试验，比较了开放系统与封闭循环系统在不同曝气流量下的性能，并与直接添加矿物氮或稀释消化液的对照组进行对比。通过监测气提单元和光生物反应器中的氮、碳浓度、生物量生长、蛋白质和碳水化合物含量等指标，评估工艺效率。生物量浓度通过悬浮化学需氧量换算获得，蛋白质和碳水化合物含量分别采用Lowry法和DuBois法测定，并对最佳条件下的生物质进行了氨基酸组成分析。

3.1. 曝气流量和系统配置对氨和二氧化碳气提过程的影响

3.1.1. 氨的直接曝气气提

结果表明，曝气流量对氨氮去除效率有显著影响。在开放系统中，较高的曝气流量(2 L/h)比较低流量(1 L/h)获得了更高的氨氮去除效率。封闭式气体循环系统虽然pH上升较慢，但由于气体循环利用，仍达到了较高的氨氮去除效率。这表明较高的气液比有助于提高气提速率和效率。与需要高气提流量和温度的传统氨气提工艺相比，直接曝气气提在温和条件下运行，能耗更低。

3.1.2. 从厌氧消化液中气提二氧化碳

气体分析显示，在开放系统试验中，CO₂浓度在最初几小时内达到峰值后迅速下降。而在封闭式气体循环系统中，CO₂浓度在较长时间内保持较高水平。这表明封闭配置有利于系统中CO₂的保留和管理，能够更稳定地为微藻提供高浓度CO₂。

3.2. 光生物反应器中微藻的生长

3.2.1. 曝气流量对碳氮供应的影响

比较不同曝气流量的试验发现，较高流量下微藻生物量生长更快，初始阶段呈现指数增长。这归因于较高流量下单位时间内气提出更多的CO₂，促进了微藻的快速生长。碳平衡计算表明，仅有部分提供的碳被转化为生物质，过程受碳供应限制。

3.2.2. 不同氮供应策略的效果

比较通过气提供应回收氮与直接添加矿物氮的试验发现，两者生物量生长无显著差异。这表明通过气提回收的氮供应与常规微藻培养中外部添加矿物氮同样有效。两种情况下生物量的生长趋势与CO₂的供应情况高度相关，进一步说明碳供应是影响生长的主要因素。

3.2.3. 系统配置的效果

在封闭式气体循环系统中，微藻达到了最高的生物量浓度，显著高于开放系统。气体循环使系统中保留了更多的CO₂，为微藻持续生长提供了充足的碳源，避免了碳限制。同时，持续的氨气提和消耗也得以实现。

3.2.4. 直接添加厌氧消化液作为碳氮源

直接在使用稀释消化液的培养基中培养微藻，获得的生物量浓度最低。高浊度限制了光穿透，影响了微藻的能量获取，表明通过气提回收气体营养物能提供更优的生长条件。

3.2.5. 光生物反应器中铵态氮的演变和吸收

在开放气提供氮系统中，光生物反应器内铵态氮浓度呈现积累趋势。而在封闭循环系统中，铵态氮浓度较低且消耗较快，表明微藻对氮的吸收速率高于气提和溶解速率。这得益于系统中较高的CO₂浓度促进了生物量增长和氮同化。然而，总体氮同化效率仍有提升空间，提示需要优化光生物反应器中的氮溶解和吸收条件。

3.3. 生物质组成

3.3.1. 微藻的蛋白质和碳水化合物含量

在封闭气体循环系统中培养的微藻，其蛋白质含量最高，碳水化合物含量最低。这表明该条件下微藻处于较好的生长状态，未受营养限制或应激影响。而其他试验中较高的碳水化合物含量可能是对环境胁迫的响应。

3.3.2. 氨基酸组成

对最佳条件下收获的微藻生物质进行氨基酸分析显示，其含有全部9种必需氨基酸，且必需氨基酸占总氨基酸的比例较高。其氨基酸谱与大豆等传统植物蛋白源相当，尤其富含亮氨酸和赖氨酸，这两种氨基酸对肌肉生长和强化有积极作用，在饲料和食品添加剂生产中具有重要价值。与文献报道的多种微藻相比，该生物质在组氨酸、亮氨酸和赖氨酸含量上更具优势。与世界卫生组织/粮农组织推荐的成人氨基酸需求模式相比，仅蛋氨酸和胱氨酸略低。与市售小球藻产品相比，其氨基酸谱相似，表明通过该工艺生产的微藻蛋白具有较好的营养潜力。

本研究证实了直接曝气气提在可持续微藻生产中的潜力。封闭式气体循环配置能够实现最高的生物量生长和蛋白质含量，其产生的微藻蛋白氨基酸组成具有良好的营养价值。与直接使用消化液或开放系统相比，该策略在资源回收效率和产品价值方面展现出明显优势。尽管在氮的总体同化效率方面仍有优化空间，但直接曝气气提作为一种低能耗、低成本的氮碳回收策略，为将富氮废弃物升级转化为高价值微藻蛋白提供了有前景的技术路径，对推动循环经济和可持续发展具有重要意义。未来的研究可侧重于优化光生物反应器配置以提高气液传质效率，探索嗜酸微藻的应用以改善氮吸收，并评估最终产品的安全性和质量，以促进该技术的实际应用。