《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Biogas conditioning into CH
4/O
2/CO
2 mixtures by microalgae-bacteria consortia: Effects of hydraulic and gas retention times
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摘要沼气调理提供了一种替代完全沼气提纯的方法，通过将原始沼气转化为组合适用于增值应用的CH4/O2/CO2混合物。本研究在厌氧消化液培养基中，利用从污泥中富集的混合微藻-细菌菌群进行半连续培养，考察了光合沼气调理效果。共测试了十二种水力停留时间（HRT）和气体停留时间（GRT
摘要
沼气调理提供了一种替代完全沼气提纯的方法，通过将原始沼气转化为组合适用于增值应用的CH4/O2/CO2混合物。本研究在厌氧消化液培养基中，利用从污泥中富集的混合微藻-细菌菌群进行半连续培养，考察了光合沼气调理效果。共测试了十二种水力停留时间（HRT）和气体停留时间（GRT）的组合，调理结果因HRT（3–6天）和GRT（2.2–10天）的不同而显著差异。在九种HRT-GRT条件下实现了稳态运行，以合成沼气（CH4 60%，CO2 40%）为进料气体，所得调理后气体组成为49.6–56.8% CH4、22.6–48.8% O2和1.7–21.2% CO2（v/v）。即使在由铵盐同化引起的强酸性条件（pH < 4）下，这些培养体系仍能维持稳定的CO2固定。这种稳健性可能与耐胁迫微藻副球藻（Parachlorella，占比62.5–99.9%）的持续主导地位有关，同时也可能得到共生细菌如甲基嗜酸杆菌（Methylophilus）、副伯克霍尔德菌（Paraburkholderia）和鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）的贡献。HRT和GRT通过调节CO2和营养物质的可利用性、溶解性CO2水平以及培养液pH，共同影响了铵盐去除和调理性能，从而可能塑造了微生物群落的结构和功能。在某些条件下，好氧异养（及甲烷氧化）细菌可能对CH4/O2/CO2的动态变化和调理后气体组成有所贡献。总体而言，结果表明通过调节运行条件，特别是HRT和GRT，可以利用微藻-细菌培养体系将沼气调理为不同组成的CH4/O2/CO2混合物。这些发现为开发灵活的光合沼气调理平台提供了基础。
引言
作为实现碳中和的可再生能源，沼气正受到越来越多的关注。沼气是在有机物厌氧消化（AD）过程中通过微生物氧化还原反应产生的。由于厌氧消化是将有机废物转化为可持续能源的有效途径，许多国家已将沼气纳入未来能源组合的关键组成部分。据国际能源署统计，全球沼气产量自2017年以来增长了17%，2022年超过1.6 EJ [1]。此外，预计未来五年产量将增长更快 [2]，推动沼气应用的持续增长。
原始沼气按体积计主要由50–70%甲烷（CH4）和30–50%二氧化碳（CO2）组成，其他气体如氮气（N2；0–3%）、水蒸气（5–10%）、氧气（O2；0–1%）、硫化氢（H2S；0–1%）和氨（NH3；0–100 ppmv）占比较小 [3]。沼气可直接用于小规模发电或家庭供电。然而，具有毒性和腐蚀性的H2S和NH3可能对沼气设备和管道造成严重损害 [4]。此外，不可燃气体（尤其是CO2）的存在会降低沼气的能量含量，从而降低其价值。因此，需要沼气净化（去除微量气体杂质）和/或提纯（去除CO2和微量气体杂质）以满足不同应用的具体要求 [5]、[6]。将沼气提纯为生物甲烷（95% CH4 v/v）的几种技术，包括吸收法、吸附法、膜分离法和深冷分离法，已在工业规模上应用；然而，这些过程需要高能耗和资源消耗 [7]。
生物沼气提纯提供了比物理化学方法更具成本效益和环境可持续性的替代方案 [7]、[8]。具体来说，利用固碳微生物（如微藻和蓝细菌）进行的光合沼气提纯具有多项优势，包括去除CO2及其他气体杂质（特别是H2S）、通过生物质生产实现碳捕获，以及潜在利用AD出水作为营养源 [7]、[9]。然而，光合CO2固定不可避免地会产生O2，提纯气体中O2的存在可能带来安全和质量方面的隐患，因为生物甲烷的典型O2限值低于1%（v/v）[10]、[11]。通过采用独立的反应器分别进行光合培养和沼气洗涤来将CO2固定与吸收解耦的双级配置在缓解这一问题方面显示出前景 [9]。然而，其更广泛的应用仍受到系统运行复杂度增加、微生物需适应高离子强度和碱性条件，以及CO2传质和溶解度限制等因素的制约 [12]、[13]。
与将沼气完全提纯为生物甲烷不同，光合CO2固定可以将沼气转化为CH4/O2/CO2混合物，无需近乎完全去除CO2和对残余O2进行严格管控，同时为各种应用提供进料气体。调理后的气体混合物可用于培养甲烷氧化菌以生产聚羟基丁酸酯（PHB）——一种可降解塑料，同时降低曝气需求 [14]。此外，残余CO2可与CH4一同被同化，从而促进细胞生长和PHB积累 [15]、[16]。此外，调理后的沼气有潜力作为通过自热干重整或三元重整生产合成气（CO/H2）的原料，其中部分氧化反应（CH4 + 0.5O2 → CO + 2H2，ΔH° = –36 kJ/mol）可提高整体能效 [17]。尽管如此，研究主要集中在光合沼气提纯方面，对沼气调理的关注相对较少。现有的少数光合调理研究主要依赖于纯微藻物种的批次培养（如Sorokin小球藻Chlorella sorokiniana、普通小球藻Chlorella vulgaris和栅藻Scenedesmus sp.），在受控中性pH条件下的人工培养基中进行 [14]、[18]、[19]。虽然这些受控设置提供了有价值的见解，但未能充分反映实际应用中的复杂性，因此需要在更具适用性的条件下开展进一步研究以评估可行性。
为弥补这一不足，本研究探索了利用从污泥中富集的混合微藻-细菌菌群在真实AD出水培养基中进行的光合沼气调理。混养系统通常比纯培养系统更具稳健性和成本效益，尤其是在使用废水作为培养基时，可实现生物质生产与废水处理的同步进行 [20]。沼气调理试验以半连续模式进行，以验证以下假设：水力停留时间（HRT）和气体停留时间（GRT）分别决定了培养基和沼气的负荷率，它们会影响调理性能和调理后气体组成。HRT/GRT比值反映了液相营养物质和气态CO2的相对供给量，因此可能影响相对于微生物需求的CO2可利用性。
一个主要目标是检验CH4/O2/CO2组成的变化并评估生产与下游应用相关的调理气体混合物的潜力，这是一个尚未充分探索的领域。此外，分析了活跃的微生物群落结构，以深入了解其对运行条件的响应以及潜在的微生物生态生理机制。总体而言，研究结果为开发光合沼气调理策略并探索所得CH4/O2/CO2混合物的下游应用提供了基础。
章节摘要
接种物与沼气调理培养体系
利用改良的布里斯托尔培养基，从全规模城市污水处理厂的剩余活性污泥中富集了微藻-细菌菌群，其中用铵盐替代硝酸盐作为唯一氮源，如先前研究所描述 [21]。随后，在Yu等人（2019）所述的培养条件下，在稀释的AD出水培养基中以14天为间隔对富集的菌群进行连续转接培养。AD出水培养基由消化液制备而成。
气体组成与培养稳定性概述
图1展示了十二种实验条件下（表1）顶空气体组成和培养性能的随时间变化情况。在初始阶段，培养体系A、B和C在HRT为6天的条件下运行，GRT不同，范围从10天到2.5天，而培养体系D在HRT为3天、GRT为5天的条件下运行。从培养开始，所有培养体系中的顶空CO2含量急剧下降，同时O2含量相应增加（图1），表明高
结论
本研究证明了利用在AD出水中培养的环境微藻-细菌菌群进行半连续培养，将沼气调理为不同组成的CH4/O2/CO2混合物的可行性。通过系统性地改变HRT（3–6天）和GRT（2.5–10天），评估了培养基和沼气负荷率对沼气调理性能和微生物培养动态的影响。调理后气体含有49.6–56.8% CH4、22.6–48.8% O2和1.7–21.2% CO2（v/v），
CRediT作者贡献声明
Hyokwan Bae：撰写 – 审阅与编辑，方法论，概念设计。 Hyeonjung Yu：撰写 – 审阅与编辑，方法论。 Jaai Kim：撰写 – 审阅与编辑，调查，形式分析，数据管理。 Dayoung Ko：撰写 – 初稿，可视化，调查，形式分析，数据管理。 Changsoo Lee：撰写 – 审阅与编辑，指导，资源，经费获取，概念设计。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，由科学技术信息通信部（RS-2025-02213817）和教育部（RS-2024-00461692）提供经费支持。
Dayoung Ko | Jaai Kim | Hyeonjung Yu | Hyokwan Bae | Changsoo Lee
浦项国立科技大学（UNIST）土木、城市、地球与环境工程系，韩国浦项44919
