利用城市污水微藻生物质制备活性炭：收获与预处理方法的影响

来自巴西的研究人员利用城市污水微藻生物质制备活性炭，评估多种处理方法影响，助力资源增值。

　　活性炭是一种具有高比表面积（SSA）和孔隙体积的多孔材料，作为吸附剂在气相和液相分离中有着广泛应用。尽管活性炭作为吸附剂效果显著，但其商业生产仍然成本高昂，这促使人们寻找经济的解决方案。近年来，随着对可持续替代品需求的不断增长，甘蔗渣、椰壳、稻壳、咖啡秸秆、巴巴苏内果皮、玉米芯和澳洲坚果壳等农业废弃物，作为生产活性炭的经济且可再生的材料，引发了人们的兴趣。源自农业生物质的活性炭具有高比表面积、低溶解性、高芳香性和丰富的孔隙，可作为废水微污染物的优良吸附剂。然而，农业废弃物的产生量会因作物季节性变化而有所不同，并且还受到加工方式、储存条件和运输的影响。

微藻生物质作为解决农业废弃物局限性的一种有前景的方案出现。与陆地作物不同，微藻生长迅速，光合效率高，并且不需要大片耕地。此外，微藻可以在不适合传统农业的地区进行培养。在生长过程中，它们能够从废水中去除营养物质，同时吸收外界的 CO₂，是生物修复的有效工具。

根据 Nexus 概念，将微藻生物质生产与富营养废水处理相结合，是降低这两个过程投入成本的有趣策略。尽管大量研究集中在将源自废水处理的微藻生物质应用于生物能源生产，但采用该策略生产活性炭仍处于初期阶段。不过，已有研究证明了利用海洋大型藻类生物质，主要通过涉及活化剂的化学活化过程生产活性炭的可行性，以及利用化学和物理活化方法从微藻生物质生产活性炭的可行性。

然而，目前缺乏对在城市或工业废水中生长的混合微藻培养物的评估研究，而这对于降低成本和改善微藻生产的生命周期具有巨大前景。同时，关于收获方法（如混凝和絮凝）和预处理方法对难降解化合物、理化参数以及所得活性炭的下游活化改性的影响，相关信息也较为匮乏。因此，与商业活性炭的比较结果并不明确。

Oss 等人成功开创了利用从城市污水中收获的微藻生物质生产活性炭的先河。尽管取得了有前景的结果，但未涉及替代收获方法的评估以及预处理过程的影响，而这些因素对资源增值有着显著影响。

基于这些认识，本研究的创新之处在于利用从城市污水中收获的微藻生物质生产活性炭，不仅使用 Tanfloc?，还使用硫酸铝作为混凝剂，随后进行包括热、热化学酸和热化学碱处理的预处理过程。

最后，本研究旨在阐明微藻生物质的收获方法（混凝和絮凝）和预处理方法（热和热化学）对活性炭理化性质的影响。通过热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、比表面积分析、孔径分析、元素分析、扫描电子显微镜（SEM）和 X 射线衍射（XRD）对生物质处理的效果进行分析。

研究在巴西维拉里卡市（ES）一个城市污水处理站（1.400 m³/h）内的中试工厂进行。该中试工厂处理能力为 0.43 m³/h，由一个上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、两个表面积均为 26 m²的高速好氧塘（HRAPs）以及一个物理化学固液分离系统组成。UASB 反应器的进水为污水处理厂的城市污水。

废水处理中试工厂去除了约 85% 的凯氏总氮（TKN）、氨氮（NH₄-N）和 14% 的总磷。HRAPs 的出水平均挥发性悬浮固体浓度（VSS）为 178 mgVSS?L^?1 ，在整个研究期间，表面生产力在 26.7 gVSS?m^?2·d^?1左右波动。这一结果优于 Park 和 Craggs，以及 Santiago 和 Craggs 在使用废水作为培养基的 HRAP 培养系统中获得的结果。

本研究采用创新方法，利用城市污水处理中试工厂中生长的微藻生物质生产活性炭，旨在实现该废弃物的增值。研究评估了多种热和热化学预处理方法，以及有机絮凝剂和无机混凝剂对所制备活性炭特性的影响。微藻生物质预处理使活性炭产量降低了 5%，但提高了其热稳定性。