序批式高负荷藻塘：利用生活污水培养微藻-细菌联合体可持续生产生物柴油及藻酸盐类胞外聚合物(ALE)的替代方法

《Renewable Energy》：Sequencing batch high-rate algal ponds: An alternative approach to sustainable biodiesel and ALE production with microalgae-bacteria consortia cultivated in domestic wastewater

　　

高负荷藻塘(HRAP)是用于从废水中生产微藻-细菌聚集体(MABA)的经济有效系统，可形成富含藻酸盐类胞外聚合物(ALE)和适用于第三代生物柴油的脂质的联合体。然而，序批式(SB)操作在HRAP中的影响尚不清楚。因此，本研究评估了在134天内以SB模式运行的HRAP(2400 L)中藻类属的动态、污水处理效果、ALE和脂质含量以及生物柴油质量。在联合体形成后(d0-d20)，该塘在66至128天之间达到稳定期，表明小环藻属(Cyclotella sp.)的相对丰度>80%，氮、磷和化学需氧量的去除率分别为90.1±3.7%、40.1±7.3%和66.6%±7.6%。ALE含量达到87.4±19.3 mg/gTSS。最有效的提取方法(索氏提取+氯仿:甲醇2:1)产生的平均脂质含量为11±2%，最丰富的甲基酯为C16:0(35.74%)、C18:0(21.01%)和C16:1(12.08%)。所生产的生物柴油在十六烷值(CN)、碘值(IV)、运动粘度和密度方面符合国际标准，同时其高位发热量(HHV)与其他可再生能源(如大豆)一致。这些结果表明，通过SB操作，HRAP-MABA系统的使用灵活性增加，并证明了即使在开放系统的不利条件下，也能从可预测的生物质中生产高质量生物柴油。

**论文解读：序批式高负荷藻塘耦合微藻-细菌联合体实现可持续生物柴油与藻酸盐类胞外聚合物生产**

**1. 研究背景**

微藻因高脂质含量而成为第三代生物柴油的理想原料，其生产不占用耕地且能促进碳循环。然而，微藻的高负电性细胞壁导致收获成本高昂。利用细菌进行生物絮凝是一种环境友好的收获技术，这得益于细胞外聚合物(EPS)的凝聚作用。其中，藻酸盐类胞外聚合物(ALE)是EPS的主要成分，赋予微藻-细菌聚集体(MABA)疏水性、弹性和抗性，并可作为水凝胶生物材料应用于农业、医药和造纸工业。为实现微藻的低成本培养，需要廉价易得的培养基和兼容的培养系统。生活污水富含氮磷，是理想的培养基；而高负荷藻塘(HRAP)因其成本效益高、操作简便而被广泛使用。然而，HRAP的连续运行模式虽能维持低微藻浓度以避免自遮荫，但也会导致低生产力、夜间生物量流失和更高的污染风险。相比之下，序批式(SB)操作可以减轻自遮荫，并通过用新鲜培养基置换大部分培养液来消除迟滞期，从而提高生产力。尽管SB操作在开放塘中的潜力尚未被充分探索，但文献表明其可能使藻类生物精炼厂更具经济可行性。然而，将SB操作与HRAP-MABA系统相结合，需要对其在较长实验周期内的营养物去除、收获、生物质规格、ALE和脂质生产以及生物柴油质量进行深入分析。因此，本研究旨在评估序批式HRAP中MABA的培养效果。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员在巴西累西腓的Mangueira污水处理厂(WWTP-Mangueira)开展了一项为期134天的实验。主要使用的关键技术方法包括：(1) **序批式(SB)操作**：在2400 L的HRAP中，以50%的体积交换率和4天的水力停留时间(HRT)运行，每2天完成一个批次；(2) **藻类群落分析**：利用倒置光学显微镜进行藻类鉴定和计数，并计算相对丰度；(3) **污水处理效能评估**：依据标准方法，测定进水与出水的总化学需氧量(tCOD)、可溶性化学需氧量(sCOD)、氨氮(N-NH₄⁺)、总磷(TP)及总氮(TN)等；(4) **脂质提取与脂肪酸甲酯(FAMEs)分析**：采用索氏提取(SO)、Bligh & Dyer (BD)和Folch (FO)三种方法提取脂质，并通过气相色谱-火焰离子化检测器(GC-FID)分析FAMEs谱；(5) **ALE定量**：采用碳酸钠热碱法提取并定量ALE；(6) **傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析**：表征生物质及FAMEs的官能团特征。

**3. 研究结果**

**3.1. 微藻分布与生物质生产力**
在单批次阶段，丝状微藻颤藻属(Oscilatoria sp.)首先出现并形成絮体。转为SB操作后，栅藻属(Desmodesmus sp.)短暂成为优势种，随后小环藻属(Cyclotella sp.)逐渐取代其成为绝对优势种。从第66天至第128天，小环藻属(Cyclotella sp.)的相对丰度稳定在80-90%。研究人员通过分析认为，SB操作中50%体积的污水置换和温和的搅拌，可能重新悬浮了因富含硅质壳而易沉降的小环藻(Cyclotella sp.)，同时其具备利用碳酸氢盐作为无机碳源的能力，使其在pH较高的环境中具备竞争优势，从而实现了长达62天的稳定优势群落，显著提高了开放系统中生物质组成的可预测性。最终，由于浮游动物的大量繁殖，培养体系在第128天后崩溃。

**3.2. 生活污水处理**
在污水处理方面，总化学需氧量(tCOD)的去除在小环藻(Cyclotella sp.)优势期(第66-128天)达到最高，平均为66.6±7.6%。总磷(TP)去除率在该时期也提升至40.1±7.3%，且研究人员认为这主要归因于生物同化作用而非化学沉淀，为生物质在农业上的再利用提供了价值。氨氮(N-NH₄⁺)去除率在该时期高达90.1±3.7%。研究还观察到，在SB操作后期，塘内pH值趋于中性，溶解氧(DO)相对较低，这可能是由于低碳氮比(C/N)条件下硝化菌活性增强，导致硝化作用消耗了碱度并产生了硝酸盐。研究人员通过分析认为，近中性的pH值有利于浮游动物生长，最终导致小环藻(Cyclotella sp.)被大量捕食，而具有防御刺的栅藻(Desmodesmus sp.)则得以存活。

**3.3. 藻酸盐类胞外聚合物(ALE)评估**
通过ALE定量分析，从MABA生物质中回收的ALE平均值为87.4±19.3 mg/gTSS。尽管存在时间变异性，但ALE产量并未出现持续下降，表明在SB模式下运行的HRAP能够稳定生产ALE，为废水中的资源回收提供了可能。

**3.4. 生物柴油生产与性能**
**3.4.1. 脂质提取**
对比三种脂质提取方法，索氏提取(SO)法因萃取更彻底，平均脂质含量最高，为11.3±1.6%，其中最高可达约16%。研究人员指出，这一结果对于混合培养的HRAP系统而言已属较高水平，并且与小环藻(Cyclotella sp.)的优势地位相关联，表明SB操作模式在优化脂质生产方面具有潜力。

**3.4.2. FTIR光谱表征**
生物质的FTIR光谱显示，除了脂质特征峰外，还观察到强烈的硅氧(Si-O)振动峰，证实了小环藻(Cyclotella sp.)硅质壳的存在。同时，留在1729 cm^-1处的羰基(C=O)峰较低，且存在游离脂肪酸(FFA)的特征峰，推测生物质可能主要积累游离脂肪酸而非三酰甘油(TAG)。酯交换后的FAMEs光谱在1734 cm^-1处出现强峰，确认了甲基酯的成功转化。

**3.4.3. FAMEs谱与质量参数**
FAMEs分析显示，棕榈酸(C16:0)、硬脂酸(C18:0)和棕榈油酸(C16:1)是主要脂肪酸，平均含量分别为35.74%、21.01%和12.80%。高含量的饱和脂肪酸(SFA)使生物柴油表现出优异的性能：十六烷值(CN)平均为58.3，远超国际标准(ASTM D675: Min 47; EN 14214: Min >51)；碘值(IV)为67.3 gI₂/100g，低于标准上限(120 gI₂/100g)；氧化稳定性(OS)高达8.59小时，显著优于多个文献报道值；运动粘度(ν)和密度(ρ)也均符合标准。然而，由于高含量的C16:0和C18:0，冷滤点(CFPP)高达31.63°C，超出了标准限制，研究人员指出可通过与其他生物柴油混合来改善。此外，高位发热量(HHV)平均为39.12 MJ/kg，与大豆生物柴油相当。

**3.5. 生物质收获能力**
生物质收获能力评估显示，在稳定期，污泥体积指数(SVI30)降至76±14 mL/g，低于100 mL/g，表明生物质具有良好的沉降性能。絮凝效率平均高达92±2%，超越了传统化学絮凝方法。颗粒粒径分布分析表明，在稳定期，超过50%的颗粒粒径大于0.2 mm，达到了颗粒污泥的标准，进一步证实了MABA的优良沉降性。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分总结：** 本研究表明，在HRAP中采用SB操作，能够显著促进可沉降性良好的小环藻(Cyclotella sp.)成为优势种，其主要原因在于SB操作方式带来了光照和碳酸氢盐作为无机碳源的优势。这种稳定的藻类群落为可预测的生物质生产奠定了基础。SB操作下的HRAP在污水处理方面也表现出色，尤其在氨氮和总磷的去除上，但碳氮比(C/N)的优化是进一步提升处理效果的关键。生物质中ALE的稳定生产不仅提高了生物絮凝效率，也为资源回收创造了价值。最重要的是，所生产的生物柴油在多项关键指标上符合国际标准，尤其在十六烷值和氧化稳定性方面表现突出，证明了其作为高质量生物柴油原料的潜力。尽管存在冷滤点偏高和系统受浮游动物侵袭等局限性，但该研究是首次在真实废水条件下，在中试规模的HRAP中系统评估SB操作对生物柴油综合性能的影响，为构建一个集污水处理、生物柴油和ALE生产于一体的微藻生物精炼厂提供了重要的实践依据和操作灵活性。

**结论部分翻译：**
在62天的时间里，序批式(SB)循环通过提供光照和作为无机碳源的碳酸氢盐，促进了HRAP中被易于沉降的藻类小环藻(Cyclotella sp.)所定殖。实现了N-NH₄⁺去除率90.1±3.7%、总磷(PTot)去除率40.1±7.31%(通过同化作用)和tCOD去除率66.6±7.6%的显著效果，这意味着可以通过污水处理来降低生物质成本。通过索氏提取和FTIR验证的生物质脂质含量及官能团谱图与HRAP系统的现有技术水平一致。以SB模式运行的系统在108天内产生了富含C16:0和C18:0的MABA生物质，进而生产出的生物柴油在CN、IV、运动粘度、OS和密度方面符合国际标准(ASTM D675和EN 14214)。此外，持续稳定的ALE产量(平均87.4±19.3 mg/gTSS)诱导了超过90%的絮凝效率，确保了高效的生物质收获。因此，实验期间所获得的生物质和脂质质量的一致性及稳定性，表明通过序批式(SB)模式运行，利用污水处理来优化一个全规模HRAP-MABA生物精炼厂具有巨大潜力。