臭氧预处理强化低温污泥厌氧消化与微藻培养协同产甲烷及油脂的研究

为解决低温条件下废弃活性污泥(WAS)厌氧消化产甲烷效率低、资源化利用不足的问题，哈尔滨工业大学团队通过臭氧预处理(0.4 g O3/g TS)耦合微藻培养技术，使甲烷产率提升9.5%至370.08±2.50 mL/L，微藻生物量达1.38±0.13 g/L，油脂生产率提高64.4%至67.16±5.40 mg/L/d，为寒冷地区污泥资源化提供了创新方案。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂产生的废弃活性污泥(WAS)处理已成为全球性难题。传统厌氧消化(AD)在低温环境下效率低下，而加热维持中温(35-38°C)或高温(50-55°C)条件又显著增加能耗。更棘手的是，污泥细胞壁会阻碍有机质释放，导致甲烷产率不足。与此同时，富含氮磷的消化液若直接排放将引发水体富营养化。如何实现低温条件下污泥高效资源化，成为环境工程领域的"卡脖子"问题。

哈尔滨工业大学的研究团队独辟蹊径，将臭氧预处理技术与微藻培养相结合，在25°C低温条件下开展创新研究。通过臭氧自由基氧化破解污泥细胞壁，显著提升有机物利用率；再利用消化液培养产油微藻，实现污染物去除与生物柴油原料生产的双重目标。这项发表于《Bioresource Technology》的研究，为寒冷地区污泥处理提供了"一石三鸟"的解决方案。

研究采用四大关键技术：臭氧剂量梯度实验(0-0.6 g O₃/g TS)、低温(25°C)批式厌氧消化、微藻光生物反应器培养、以及脂肪酸甲酯(GC-MS)分析。所有污泥样本均来自哈尔滨文昌污水处理厂，经40目筛预处理后使用。

【Effects of ozone pretreatment on the methane production】
通过40天监测发现，0.4 g O₃/g TS预处理组在第20天出现产甲烷高峰，最终产率达370.08±2.50 mL/L，较对照组提升9.5%。机理分析表明，臭氧自由基使SCOD浓度提升3.8倍，有效破解了污泥胞外聚合物(EPS)屏障。

【Microalgae cultivation performance】
以最佳预处理组的消化液培养微藻时，污染物去除率创下三项纪录：SCOD(92.4%)、NH₄⁺-N(99.3%)和总磷(98.1%)。同步获得的1.38±0.13 g/L生物量中，饱和脂肪酸占比达68%，特别适合生产高氧化稳定性的生物柴油。

【Lipid productivity analysis】
0.4 g O₃/g TS组微藻油脂生产率达67.16±5.40 mg/L/d，较对照组提升64.4%。气相色谱显示其C16-C18脂肪酸占比超90%，完全符合ASTM D6751生物柴油标准。

这项研究首次证实了低温条件下臭氧预处理对"污泥-微藻"系统的协同增效作用。通过精确控制0.4 g O₃/g TS的"黄金剂量"，不仅破解了低温厌氧消化的效率瓶颈，更开创了"污染物去除-能源回收-高值产物"三位一体的资源化新模式。特别值得关注的是，该工艺在25°C自然温度下运行，可为我国北方地区每年节省约1.2×10⁶ kWh/万吨污泥的加热能耗。研究团队负责人Hong-Yu Ren指出，该技术路线已具备工业化应用条件，下一步将开展万吨级中试。这项成果不仅为《"十四五"城镇污水处理及资源化利用发展规划》提供了技术支撑，更对实现碳中和目标具有战略意义。