利用黑水虻幼虫对橄榄油厂废水与木质纤维素生物废弃物进行pH可控的生物稳定化处理

《Biomass and Bioenergy》：pH-controlled biological stabilization of olive mill wastewater via co-processing with lignocellulosic biowaste using black soldier fly larvae

　　• 橄榄油厂废水（OMWW）作为BSFL生物稳定化与联合处理的液体共基质已被成功评估。• OMWW掺入量 ≤ 25% 时，幼虫存活率保持在96%以上，生物转化效率高于24%，底物减量高于73%。• pH中和显著提高了生物相容性，并缓解了中等OMWW掺入水平下的抑制效应。• 相对性能指数（RPI ≥ 1）可识别生物相容的运行条件，而RPI < 0.5 则表明存在严重抑制。• 所提出的方法支持在循环生物经济体系内对OMWW进行分散式联合处理，而非作为独立废水流进行单独处理。## 引言橄榄油产业是一项重要的农工活动，主要集中在地中海国家，这些国家约占全球橄榄油产量的97%，同时也存在于若干非地中海地区 [1]。然而，该产业产生了大量的OMWW以及橄榄油加工副产物。这些废水的特点是有机负荷高、pH呈酸性，并且含有浓度较高的难降解化合物，尤其是多酚类和有机酸 [2]。在全球范围内，OMWW的年产量超过540万 m3，是污染最严重的农工废水之一 [1,3]。由于其高毒性和植物毒性，OMWW难以通过传统工艺进行处理或利用。它们仍被广泛排入环境或储存于蒸发池中，导致土壤退化和地下水污染 [[3], [4], [5], [6], [7]]。这些限制凸显了寻找替代性、生物相容策略的必要性，这些策略既能稳定OMWW，又能使其纳入可持续的废弃物管理与资源化路径。与此同时，植物源生物废弃物的管理也是一个与农工活动密切相关的互补性挑战。食品加工过程中产生的大量有机残余物，尽管具有高度可生物降解性，但资源化程度仍不充分 [8,9]。在循环经济框架下并契合联合国可持续发展目标，实施可持续且创新性的解决方案至关重要 [10]。此类方法旨在单独或组合地再利用和转化植物源生物废弃物以及OMWW等液体农工废水 [8,10]。在此背景下，利用 *Hermetia illucens*（黑水虻）幼虫对生物废弃物进行生物转化已成为一项前景广阔且可持续的技术。BSFL能够将广泛的有机底物转化为富含蛋白质和脂肪的生物量。大量研究表明，BSFL的生物转化性能受底物组成、可溶性营养物质的可得性以及理化条件（尤其是pH和抑制性化合物）的强烈影响 [11,12]。最近的研究表明，橄榄油行业的固体副产物（如橄榄渣）可被BSFL高效利用，从而提高转化效率并改善幼虫脂肪酸组成的有利变化 [10]。然而，富含木质纤维素的底物或单独使用的底物往往会限制幼虫生长和转化效率。相比之下，混合预处理后的生物废弃物——如橙皮–马铃薯皮–咖啡渣（OPC）配方——已被证明可促进更优的生物学性能 [[11], [12], [13]]。尽管取得了这些进展，将OMWW以液态形式直接集成到BSFL生物转化系统中仍探索不足。与固体残余物不同，OMWW含有高浓度的可溶性有机化合物，但同时具有强酸性和较高的多酚负荷 [14,15]。迄今为止，关于OMWW对幼虫生长、存活、生物转化效率以及所得幼虫生物量生化质量的剂量依赖性和pH依赖性效应，已有数据仍然有限。此外，OMWW中较高的多酚含量（9.82 mg g?1 干物质，DM）凸显了其作为抑制因子与可回收化合物来源的双重角色。以往研究已报道可通过膜过滤、吸附或溶剂萃取实现高效回收 [16]。基于黑水虻幼虫（BSFL）生物转化的最新进展强调，其不仅可用于有机废弃物资源化，还可在循环生物经济框架内用于污染物解毒。例如，已有研究表明BSFL系统能够促进复杂有机底物的转化，同时降低污染物负荷并产生增值生物产品 [17]。此外，幼虫粪便堆肥化等后处理策略已被证明可进一步提升所得残余物的稳定性与农业利用价值 [18]。在生物处理之前引入此步骤可减少抑制效应并增强OMWW的资源化程度。未来研究应探索将多酚回收与基于BSFL的稳定化相结合的一体化策略，以降低酚类应激并增强OMWW的资源化。进一步研究还应评估一体化BSFL生物精炼的可行性，能够同时生产多种增值产品，包括可再生脂类、富含蛋白质的生物量以及生物肥料，同时评估涉及其他橄榄油副产物联合资源化路径，以提升资源回收效率并强化循环生物经济应用 [[19], [20], [21]]。与此同时，还应研究低成本的pH控制方法及连续运行条件下的工艺可扩展性。在本研究中，OMWW被视为用于生物稳定和联合处理的液体共基质，而非需单独处理的废水流。尽管基于BSFL的生物转化与OMWW处理已被分别广泛研究，但二者在受控pH条件下的集成仍探索不足。特别是pH作为酚类应激关键调控因子的作用及其对系统性能的影响尚未得到系统性讨论。因此，本研究提出一种pH受控的联合处理策略，以克服酚类抑制并确定稳定生物转化的运行阈值。本工作的创新之处在于将pH调控作为工艺参数引入以调节酚类应激，并结合识别关键的OMWW掺入阈值以保证系统稳定性。据我们所知，此前尚无研究在受控pH条件下系统研究过OMWW在BSFL系统中的集成。核心假设为：pH作为调控参数影响酚类活性及生物学响应，而非唯一的控制因素。相应地，假设pH与酚含量共同作用，共同决定幼虫生长、存活和整体生物转化效率。为验证这些假设，本研究系统评估了在经预处理的植物源生物废弃物底物（由橙皮、马铃薯皮和咖啡渣组成，OPC）中掺入不断增加比例的OMWW（包括原样和中和形式）的影响。具体目标是评估OMWW掺入对BSFL生长和产量的影响，以及对所得幼虫生物量生化质量的影响。因此，本工作的目的并非最大化污染物去除，而是识别生物安全的运行条件，实现对OMWW与木质纤维素生物废弃物的受控稳定化与联合处理。在循环生物经济的视角下，本研究探索在受控条件下通过BSFL生物转化对OMWW与植物生物废弃物进行联合处理。## 各节摘要### 橄榄油厂废水（OMWW）本研究所使用的OMWW采集自位于摩洛哥Fes–Meknes地区的一家传统橄榄油生产单元，该单元采用三相提取工艺运行。所得废水以高有机负荷和高多酚负荷为特征，代表了一种高负荷且保守的实验情景 [2]。需要指出的是，OMWW的组成可能因橄榄品种、提取工艺和季节条件不同而变化。因此，本研究所得结果……### 生物废弃物混合物（OPC）与OMWW的初始组成OPC生物废弃物混合物与OMWW的理化特性汇总于表1。OPC底物含有较高的总蛋白、总糖和脂类含量，表明其是一种营养丰富的固体基质，非常适合幼虫摄食与生长。相比之下，OMWW表现为水分含量极高、pH呈酸性以及较高的有机负荷，这从较高的化学需氧量（COD）和五日生物需氧量（BOD?）值反映出来。OMWW还……### 底物理化性质对BSFL生物学响应的作用OPC生物废弃物混合物表现出平衡且可生物降解的组成，支持了稳定的幼虫生长、高存活率（>95%）以及高效的底物转化，与此前报道的结果一致 [13]。相比之下，OMWW引入了显著的理化限制（表1），包括极低的BOD?/COD比（0.037）、高度活性的酚类组分（9.82 mg g?1 DM）以及酸性pH（4.72）。这些特征反映了难降解且高度……### 结论本研究证明，将橄榄油厂废水（OMWW）纳入黑水虻幼虫（BSFL）生物转化系统受明确的生物相容性阈值支配。在实验条件下，OMWW掺入量最高可达25%，特别是经过pH中和后，幼虫存活率仍保持较高水平，底物减量高效，生物转化效率良好，所得生物量营养品质优良。相比之下，更高的……### 人工智能的使用在撰写本稿件过程中，作者仅使用ChatGPT（OpenAI）改进英语语言、语法和可读性。所有科学内容、分析、解释和稿件最终版本均经作者批判性审阅、核实并批准，作者对本工作的准确性和完整性承担全部责任。### CRediT作者贡献声明**Younesse El-Byari：** 稿件撰写–审阅与编辑、稿件撰写–初稿、可视化、软件、资源、项目管理、方法学、调查研究、经费筹措、形式分析、数据整理、概念构思。**Malika Ammari：** 软件、资源、方法学、调查研究、经费筹措。**Mohamed Amine El Hajjaji：** 软件、方法学、调查研究、形式分析、数据整理。**Imane Zoufri：** 软件、资源、调查研究。**Fatima ez-zahrae Mrizak：** 资源，### 伦理声明本研究遵循ARRIVE（动物研究：体内实验报告规范）指南进行。无需获得伦理委员会批准。本研究仅涉及无脊椎黑水虻幼虫（*Hermetia illucens*）。未适用特定动物福利准则，且未进行伦理审批，因为未涉及人类受试者或脊椎动物。Younesse El-Byari | Malika Ammari | Mohamed Amine El Hajjaji | Imane Zoufri | Fatima ez-zahrae Mrizak | Mohammed Bendriss Amraoui