工业规模非无菌混养培养Galdieria sulphuraria实现高效氨氮去除与高蛋白生物质联产

为解决高氨氮工业废水处理成本高、二次污染风险大等问题，研究人员开展了Galdieria sulphuraria非无菌混养培养（mixotrophic cultivation）的放大研究。该研究构建50L-10,000L级联系统，实现NH4+-N去除率2170.40 mg/L/d，生物质产率30.00 g/L/d，喷雾干燥产物蛋白质含量达33%，为微藻"变废为宝"生物转化提供工业化示范。

　　

在化工、制药、食品等工业领域，高浓度氨氮（NH₄⁺-N>500 mg/L）废水处理始终是环保难题。传统氨吹脱法虽稳定高效，但副产品处置成本高昂；生物脱氮（BNR）工艺又面临高氨氮耐受性差、污泥产量大等瓶颈。更棘手的是，现行微藻处理技术受限于灭菌成本高、光照需求严苛等问题，难以实现规模化应用。面对这些挑战，中国石化催化剂有限公司（Sinopec Catalyst Co Ltd）的研究团队将目光投向了一种极端环境微生物——嗜热嗜酸红藻Galdieria sulphuraria。

这种源自硫磺温泉的奇特微藻，能在pH2.5、高温条件下通过混养培养（同时利用光能和有机物）快速生长。研究人员创新性地采用非无菌培养策略，从实验室50L反应器逐步放大至10,000L工业规模，构建了涵盖废水处理、离心收获、喷雾干燥的全流程示范系统。关键技术包括：优化培养基配方（含20 g/L葡萄糖的改良2MA培养基）、梯度pH调控（初始pH2.5）、多级放大培养体系（50L→500L→10,000L），以及微生物群落动态监测。

【水样特性分析】催化剂生产废水含有异常高的NH₄⁺-N（12,853.00 mg/L）和Na⁺（7,521.00 mg/L），但总碳（TC）含量极低，为混养培养提供了理想基质。

【培养系统表现】在10,000L光发酵罐中：① 氨氮去除速率创纪录达2,170.40 mg/L/d，磷酸盐去除率700.40 mg/L/d；② 生物质产率30.00 g/L/d，蛋白质产率13.51 g/L/d；③ 非无菌条件下细菌丰度显著降低，处理出水生物风险可控。

【产物特性】喷雾干燥藻粉呈现三大优势：① 氨基酸含量超33%（干重）；② 微生物指标和重金属含量极低；③ 富含藻蓝蛋白等高价值色素，符合饲料添加剂标准。

该研究突破了微藻废水处理技术工业放大的关键瓶颈：通过非无菌混养培养实现"废水处理-资源回收"双赢，相比传统工艺节省约40%运营成本。特别值得注意的是，极端环境藻种G. sulphuraria展现出惊人的环境适应力——在pH波动（2.5-4.0）、高盐（Na⁺>7,000 mg/L）条件下仍保持旺盛代谢活性。研究团队通过宏基因组分析发现，培养后期藻类占比超95%，这种生物自净化效应大幅降低了出水微生物风险。

从产业化角度看，这项工作的突破性体现在三个方面：首先，验证了混养培养系统在真实工业环境下的稳定性，连续运行355小时未出现染菌崩溃；其次，首创的"离心-喷雾干燥"联产工艺，使微藻蛋白生产成本降至$1.2/kg以下；最重要的是，为高氨氮废水处理提供了可复制的技术范式——数据显示，单套10,000L系统年处理量相当于5万吨常规废水，同时可联产300吨高蛋白饲料原料。正如通讯作者Dong Wei博士强调的，这种"以废治废"模式真正实现了环境效益与经济效益的统一，为循环经济发展提供了生动案例。