微藻废水处理系统中可持续生物氢、活性炭与生物肥料的循环经济策略

为解决全球能源危机和环境污染问题，研究人员开展了一项关于微藻废水处理系统生产生物氢(H2)、活性炭和生物肥料的循环经济研究。通过优化微藻培养和化学水解工艺，实现了62%氮去除率和30%碳水化合物产量，并利用暗发酵获得215±36 mL/g hexose的氢产量。固体残渣热解制备的活性炭和富含氮磷的发酵液分别用于环境修复和农业施肥。该研究为废水处理-能源-农业的闭环系统提供了创新方案。

　　

随着全球人口增长和工业化进程，能源需求激增与CO₂排放问题日益严峻。传统化石燃料不仅资源有限，其使用还加剧了温室效应。与此同时，污水处理厂正从单纯的污染物去除转向资源回收工厂，但现有技术往往面临高成本、低效率等挑战。在这一背景下，生物氢(BioH₂)因其高能量密度(142 kJ/g)和碳中和特性备受关注，而微藻培养系统因其代谢灵活性成为废水处理与生物质生产的理想平台。然而，如何将微藻废水处理与生物氢生产、副产品高值化利用相结合，构建完整的循环经济链条，仍是亟待解决的科学问题。

为应对这些挑战，来自墨西哥国立自治大学等机构的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了一项开创性研究。他们设计了一个多阶段集成系统：首先在户外光生物反应器中培养补充碳酸氢盐的混合微藻(含Coelastrella sp., Geitlerinema sp.和Scenedesmus sp.)处理生活污水；随后通过化学水解提取碳水化合物用于暗发酵产氢；固体残渣经热解转化为活性炭；最终将发酵液作为生物肥料用于番茄种植。该研究首次实现了微藻废水处理系统在能源、材料和农业领域的全链条资源化利用。

研究采用了多项关键技术：(1)户外规模化微藻培养系统(20L平板反应器)在不同水力停留时间(HRT=6/8/10天)下运行；(2)盐酸(HCl)和硫酸(H₂SO₄)化学水解优化(150°C,1-2h)；(3)热预处理(105°C,24h)的颗粒厌氧污泥作为暗发酵接种体；(4)800°C热解制备活性炭；(5)番茄栽培实验评估发酵液肥效。

3.1 废水处理与微藻碳水化合物生产
户外培养系统在28.5±2.3°C和539.3±166.7 W/m²光照条件下运行，所有HRT组均实现完全溶解磷去除，MA10和MA8组达到62%总氨氮(TAN)去除。补充碳酸氢盐后，MA10组获得最高生物量产率(0.24 g/L·d)和碳水化合物含量(30%)，证实微藻在真实环境下的污染物去除与碳固定能力。

3.2 生物氢生产结果
1N H₂SO₄水解(150°C,1h)后，MA10组获得最高氢产量(215±36 mL/g hexose)，主要通过乙酸途径代谢。气相色谱检测显示丁酸浓度接近理论值1.83 g/L，但乙酸过量提示可能存在同型产乙酸作用。与文献相比，该产量优于多数微藻底物研究，但低于纯菌(如Clostridium butyricum)系统。

3.3 碳材料生产
XRD分析显示H₂SO₄处理组产生更多无定形碳(2θ=19°-28°和45°特征峰)，而HCl处理组保留更多硅质结构。SEM-EDS证实材料具有多孔形态，H₂SO₄组碳含量达76.25 atom%，含1.46%硫元素，这种硫掺杂碳材料在吸附和储能领域具有应用潜力。

3.5 发酵液作为番茄生物肥料
发酵液含9405.17±83.53 mg/L有效氮(N–NH₄⁺和N–NO₃^-)，稀释后使番茄株高和茎粗显著增加(P<0.05)。但21天后出现叶斑病，可能与发酵液中有机酸和微生物群落失衡有关，提示需进行灭菌或相分离处理。

这项研究构建了"废水处理-生物氢-活性炭-生物肥料"的完整循环经济模式。创新性地证明：(1)单阶段微藻系统可同步实现污染物去除(62%氮、100%磷)与碳水化合物积累(30%)；(2)暗发酵氢产量达215±36 mL/g hexose，固体残渣热解产物兼具环境修复和储能特性；(3)首次评估暗发酵液作为生物肥料的可行性，尽管需优化微生物管理。该工作突破了传统废水处理的线性模式，为水-能-肥联产提供了可扩展的解决方案，对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的清洁能源、清洁饮水和可持续城市具有重要实践意义。特别是将暗发酵从单纯的污染物降解技术，拓展为连接环境修复、可再生能源和可持续农业的纽带，这种系统思维为未来循环经济研究提供了新范式。