《Algal Research》：Enhanced organic matter and nutrient solubilization from HRAP algal biomass via optimized thermal and thermochemical pretreatments
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本研究通过热和热化学预处理方法优化了微藻生物质中有机物和营养物的溶出效率，发现78℃碱性热化学预处理效果最佳，显著提升COD溶出率并促进磷沉淀，为后续生物处理提供高效资源回收方案。
雷娜塔·埃斯特瓦姆（Renata Estevam）| 里卡多·弗朗西·贡萨维斯（Ricardo Franci Gon?alves）
环境工程系，圣埃斯皮里图联邦大学（Department of Environmental Engineering, Federal University of Espírito Santo），费尔南多·法拉利大道（Avenida Fernando Ferrari），514号，戈亚贝拉斯（Goiabeiras），邮编29075-910，维多利亚（Vitória），圣埃斯皮里图州（Espírito Santo），巴西
摘要
本研究通过应用热处理和热化学预处理方法，探讨了从生活污水中提取的藻类生物质的有效利用途径，以实现资源回收。测试了三种类型的藻类生物质，这些生物质是通过不同的方法收集的：一种是不使用混凝剂的直接过滤方法，另一种是使用硫酸铝和单宁聚合物进行混凝-絮凝-沉淀处理。热处理在60°C至95°C的温度范围内进行，反应时间从1.5小时到7小时不等。碱热化学处理在65°C至90°C的温度下持续3小时，而酸处理则在80°C至90°C的温度下进行1.5小时。最终确定的最佳条件为：对于未使用混凝剂的生物质，在78°C下处理7小时（COD溶解度提高30%）；对于使用单宁聚合物的生物质，在80°C下处理1.5小时（COD溶解度提高22%）；对于使用硫酸铝的生物质，在90°C下处理3小时（COD溶解度提高33%）。纯藻类生物质在溶解营养物质方面表现最佳，而使用硫酸铝的生物质在磷沉淀方面更为有效。这些预处理方法提高了有机物的溶解度及营养成分的利用率，为后续的生物精炼过程（如厌氧消化、生物氢生产及营养物质回收）提供了更多可能性。此外，这些预处理还提升了后续过程的能源潜力。相关研究（包括生物气体生产）的结果表明，它们在提高能源回收率和促进可持续性方面发挥了重要作用。这些发现证实，预处理能够增强关键化合物的生物利用性，从而推动一种综合且技术上可行的资源回收策略。
引言
近年来，基于微藻的城市污水处理综合系统因其在可持续发展中的作用而受到越来越多的关注[1]。这些系统通过成本效益高、环境可持续且功能优化的流程，实现了宝贵资源的有效回收[2]。随着研究的深入，生物质的价值化已成为关键焦点，尤其是开发改进资源回收的预处理方法[3]。
在过去十年中，许多研究探讨了微藻生物质的广泛应用，而不仅仅是作为生物燃料[4,5]。尽管生物气体生产已经得到了广泛研究，但仍存在经济和能源方面的挑战[6]，这凸显了探索替代生物质增值策略的必要性[7]。其中，预处理策略在提高有机物和营养物质溶解度方面显示出潜力[8]。
许多研究致力于开发旨在改善微藻生物质消化性的预处理方法[9]，但大多数研究主要关注提高生物气体产量，往往忽视了其他资源回收途径[10]。尽管热处理和热化学预处理在提高溶解效率方面取得了有希望的结果[11]，但其效果很大程度上取决于生物质的组成和收获条件[12]。
利用微藻生物质的主要挑战之一是收获过程，这在技术和经济上都非常具有挑战性，尤其是在生物精炼应用中[11]。微藻细胞体积小（1–30微米）且生物质浓度低（约1克/升），使得大规模收获变得复杂[13]。传统的离心法虽然有效，但能耗较高，因此在经济上不可行[14,15]。为克服这一限制，本研究开发了一个试点规模的实验系统，该系统无需昂贵的增稠方法即可实现生物质收获，提供了一种高效且经济可行的替代方案。
另一个重要限制是微藻的生化组成，这直接影响资源回收效率[16]。微藻细胞壁主要由葡萄糖、甘露糖和半乳糖组成，形成复杂的生物聚合物（如纤维素和半纤维素），这些物质会阻碍水解和溶解过程[17]。因此，预处理策略必须根据生物质的组成和收获条件进行定制，以最大化有机化合物和营养物质的回收率[18]。
尽管基于微藻的污水处理技术取得了进展，但在优化生物质用于除生物燃料之外的其他用途方面仍存在明显不足[4,19,20]。从高密度藻类培养（HRAP）中获得的生物质在替代用途方面的潜力尚未得到充分探索，需要进一步研究预处理策略如何影响有机物和营养物质的溶解[18]。
本研究旨在通过评估热处理和热化学预处理以及有机（基于单宁的）和无机混凝剂（硫酸铝）对生物质溶解度和分离效率的影响，来填补这一空白。采用响应面法（RSM）来确定最大化资源回收的最佳条件。此外，还探讨了残余生物质的潜在再利用策略，以提高污水处理过程的可持续性。
材料与方法
实验在巴西圣埃斯皮里图州维拉维拉（Vila Velha）的一家污水处理厂（WWTP）进行（坐标：20°22'48" S, 40°19'31" W），该厂主要为70名居民提供服务。试点系统包括一个上流式厌氧污泥覆盖层（UASB）反应器、两个高密度藻类池（HRAPs）以及一个物理化学微藻收获系统。
部分经过细筛分和除砂后的进水被引入试点系统。UASB反应器的工作体积为3.78立方米。
收获生物质的物理化学特性
试点系统收集的三种藻类生物质（AB-P、AB-T和AB-AS）的表征结果见表2。这些数据代表了用于污水处理的高密度藻类培养物的生物质含量。总体而言，实验性试点系统成功收获了藻类生物质，其总固体（TS）含量超过2%。根据Solé-Bundó等人的研究[30]，TS含量为2%至3%时有利于水解过程。
结论
本研究证实，热处理和热化学预处理显著提高了高密度藻类生物质中有机物的溶解度及营养成分的回收率，尤其是在较高温度下的酸性和碱性条件下。在所测试的方法中，碱热化学预处理（90°C、3小时、pH 11）效果最佳。混凝剂对预处理结果有影响：硫酸铝促进了磷的沉淀，而Tanfloc则保持了氮的含量。
作者贡献声明
雷娜塔·埃斯特瓦姆（Renata Estevam）：撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计、数据管理、概念构思。
里卡多·弗朗西·贡萨维斯（Ricardo Franci Gon?alves）：撰写、审稿与编辑、监督工作、方法论设计、概念构思。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益或个人关系：雷娜塔·埃斯特瓦姆表示获得了国家科学技术发展委员会（National Council for Scientific and Technological Development）的财政支持；里卡多·弗朗西·贡萨维斯表示获得了阿塞洛米塔尔公司（ArcelorMittal SA的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响研究的财务利益或个人关系。
致谢
雷娜塔·埃斯特瓦姆感谢国家科学技术发展委员会（CNPq）提供的财政支持和博士奖学金。作者同时感谢Companhia de Saneamento（CESAN）的支持。本研究的资金由阿塞洛米塔尔公司（ArcelorMittal）提供（与FEST/UFES的研究协议支持）。
