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光合生物沼气升级、厌氧消化液生物修复与色素生物合成的三重协同效应研究
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年06月03日 来源：Environmental Technology & Innovation 6.7
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本研究创新性地将光合微生物培养与沼气升级、厌氧消化液处理相结合，通过藻类（Chlorella sp.、Coelastrella sp.）和蓝藻（Arthrospira platensis）与好氧活性污泥（AAS）的协同作用，实现了H2S和NH4+毒性的有效缓解，同步完成CO2去除率最高达99.93%、氮磷去除率超70%，并成功合成叶黄素（lutein）、虾青素（astaxanthin）和藻蓝蛋白（phycocyanin）。该技术为废弃物资源化与高附加值产品联产提供了全新范式。
在能源危机与环境压力日益加剧的背景下，如何实现废弃物资源化利用成为全球性难题。传统沼气中40-50%的CO2和微量H2S降低了其能源价值，而厌氧消化液中的高浓度NH4+（400-700 mgN L-1）又造成处理难题。与此同时，天然色素如叶黄素（1688-2532 �/kg）和藻蓝蛋白（458-917 �/kg）市场需求旺盛，但传统生产方式成本高昂。西班牙巴利亚多利德大学可持续过程研究所的研究团队在《Environmental Technology》发表研究，首次将光合微生物培养与废弃物处理相结合，通过藻类-细菌共生系统实现三重目标：沼气净化、废水处理与高值色素联产。
研究采用Chlorella sp.（产叶黄素）、Coelastrella sp.（产虾青素）和Arthrospira platensis（产藻蓝蛋白）三种非无菌菌株，在1.2 L玻璃反应器中开展实验。关键技术包括：（1）好氧活性污泥（AAS）预处理消除H2S和NH4+毒性；（2）合成消化液（SD）与实际厌氧消化液（LFAD）双培养基对比；（3）气相色谱（GC-TCD）监测CO2/H2S浓度变化；（4）HPLC定量NO3-/PO43-等营养盐；（5）分光光度法测定藻胆蛋白含量。
【微生物生长特性】
在含30% CO2的清洁沼气中，三种菌株均展现最佳生长：Chlorella sp.生物量达2.90 g L-1（μ=0.71 d-1），Coelastrella sp.增长率提升8.2倍。0.5% H2S沼气需AAS预氧化处理，使Arthrospira platensis仍保持1.38 g L-1生物量。LFAD中NH4+需部分硝化（保留431 mg L-1）以维持藻类生长，而蓝藻需完全硝化至NO3-（1407 mg L-1）。
【沼气升级效能】
Chlorella sp.在SD中24小时内将CO2降至0.05%，Coelastrella sp.在LFAD中残留2.4%。A. platensis表现最优，在完全硝化LFAD中CO2残留仅0.07%，且能持续消耗溶解无机碳（IC）。
【营养盐去除】
SD体系中TN去除率达82-86%，PO43-去除率61-82%。LFAD中硫缺乏限制效率，但H2S预氧化补充硫源后，Coelastrella sp.对磷去除率恢复至65%。
【色素合成】
叶黄素产量与生物量正相关，清洁沼气下达3.13 mg L-1；虾青素在胁迫条件下积累，LFAD中比产量达0.27 mg g-1；藻蓝蛋白在H2S补充后峰值达106.8 mg L-1，较对照组提高10倍。
该研究突破性地证明：通过AAS介导的毒性调控，光合微生物可同步实现沼气CO2深度净化（<1%残留）、消化液氮磷高效去除（>70%）及高值色素生产。相比单一处理工艺，该三联系统通过色素收益（如藻蓝蛋白产值提升20倍）可显著改善经济可行性，为循环经济模式下的生物精炼厂提供了可扩展的解决方案。尤其值得注意的是，H2S从污染物转化为硫源的创新思路，为含硫废弃物增值利用开辟了新途径。
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