高温气候下的烟气二氧化碳处理：未经稀释的猪废水的藻类处理技术——经现场验证的性能及操作规程

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hot-climate flue-gas CO 2 algal treatment of undiluted swine wastewater: field-validated performance and operating rules

微藻系统在高温环境下处理猪粪废水，实现96%无机氮和89%磷的去除，同时固定CO?并生产富含淀粉的生物质用于生物乙醇。通过热驯化降低氨毒性，结合光波动和化学氧平衡的多因素分析，验证了该系统在热带气候下的可行性和 scalability。

　　

郑宇云|王玉欣|叶佳晨|廖钦欣|李泽民

台湾国立中山大学海洋生物技术与资源系，高雄80424

摘要

全球变暖加剧了极端高温现象，亚热带和热带地区温度的升高越来越阻碍了对富含营养物质的废水的有效处理。本研究评估了一种耐热微藻系统，该系统能够在处理高浓度牲畜废水的同时承受严重的热应力和辐射应力。一个100升的垂直圆柱形光生物反应器（PBR）在户外运行，经历自然的昼夜温度变化，中午温度接近45°C，光照强度也有很大波动，同时接收稳定的富二氧化碳（CO?）烟气供应。为了降低成本，该系统采用了一种原位一步法工艺，对未消毒的畜禽废水（RSWW）进行热处理，并在同一PBR中进行微藻培养以实现生物修复。该系统能够持续去除96%的溶解无机氮和89%的磷。气体测量结果显示，中午时CO?浓度为0.12%，估计每年每公顷碳固定量为835吨。生物质含量在8.15至8.45克/升之间，淀粉含量为44.8%至50.1%，表明其适用于生物乙醇生产。多变量分析（主成分分析和结构方程建模）确定光照、铵离子、pH值和化学需氧量是影响系统在多变户外条件下的适应性和生产力的关键因素。其中，光照和铵离子是实证模型分析中最为关键的因素。该框架结合了营养物质减少、碳利用和富含淀粉的生物质生产，为温暖气候下的猪场废水处理提供了一种可扩展且经济高效的方法。

引言

养猪业通过产生富含铵离子（NH??-N）、溶解无机磷（DIP）、化学需氧量（COD）和固体的原始猪场废水（RSWW），对农业营养污染做出了重大贡献。未经处理的RSWW排放会污染水源，导致富营养化、氧气耗尽和生物多样性丧失[1]。RSWW还会排放甲烷和一氧化二氮等温室气体，从而加剧全球变暖的风险[2]。全球气温的上升，尤其是在热带和亚热带地区，导致极端高温事件增多，这反过来又影响了废水的处理和再利用[3]。微藻作为一种可持续的生物修复和循环资源回收方式显示出巨大潜力。这些光合生物可以吸收无机氮（N）和磷（P），捕获二氧化碳（CO?），并生成富含脂质或碳水化合物的生物质，适合用于生物燃料生产[4][5][6]。当与烟气提供的CO?结合时，微藻培养具有双重优势：提高碳（C）固定能力和回收废弃物排放[7]。然而，实际应用微藻系统处理含CO?的RSWW面临诸多挑战。RSWW对微藻有多种同时施加的压力因素：（1）高浓度的铵离子（NH??）会导致氨毒性和pH值波动；（2）高COD值会增加氧气需求，可能导致氧化应激；（3）悬浮固体和密集的细胞生长会阻挡光线，降低光合作用效率；（4）富含CO?的烟气可能会酸化培养环境，干扰光合作用过程。尽管微藻能够单独应对其中一些因素，但在开放或半封闭系统中，尤其是在面临热带热浪的情况下，只有少数菌株能够可靠地存活。

鉴于亚热带夏季和热带废水环境中频繁出现的高温和强烈阳光，且预计这种情况会随着全球变暖而恶化，筛选具有增强耐热性和高光耐受性的微藻菌株对于开发稳定高效的生物修复系统至关重要。超过40°C的极端温度和波动的光照强度，加上人为产生的CO?排放和全球变暖的影响，会严重影响微藻的新陈代谢、光合作用和生物量生产力[8]。选择具有高耐热性、光适应性和养分吸收能力的真核微藻菌株对于户外修复至关重要。然而，大多数研究是在受控的温和条件下评估这些特性的，通常只关注少数几个压力因素。例如，Kuo等人[9]报告称，在26°C和300 μmol光子通量密度（Photosynthetic Photon Flux Density）m?2?s?1的条件下，Chlorella sp. GD的生物量和脂质产量有所增加，而这些条件远低于热带夏季的实际条件。这些局限性凸显了系统研究热应力、光照波动、CO?富集和营养毒性的综合效应的必要性。填补这一空白对于开发具有气候适应性的微藻生物修复策略平台至关重要。

大多数关于微藻修复消化后RSWW的研究忽略了户外温度和阳光变化的影响。很少有研究在炎热气候下探索未消毒的RSWW，或使用多变量分析方法。例如，Thermosynechococcus可以利用烟气提供的CO?从RSWW中去除营养物质[10]。适应性实验室进化（ALE）可以提高微藻的耐热性；例如，Picochlorum sp.在44.6°C下经过322天后仍能存活[11]，Nitzschia inconspicua在37.5°C下经过300多天后也能适应[12]。这些结果表明，通过自然选择可以培育出具有气候适应性的微藻菌株[13][14]。

本研究提出了一种新方法，即在户外PBR中对未消毒的RSWW进行24小时的预热处理，然后接种微藻。这种由高温（>40°C）驱动的被动预处理通过物理化学变化降低了毒性，可能是因为NH??过量，无需稀释或曝气。与传统的方法（如沉淀、过滤或稀释）不同，该方法利用现场热处理直接改良废水，便于立即接种微藻并保留养分以促进生长和CO?捕获。它消除了异地预处理和耗水步骤，提供了一种可扩展、经济高效且具有气候适应性的废水生物修复方案。

本研究提出了一个适用于高温和光照条件多变户外环境的气候适应性微藻生物修复系统的技术框架。它在之前模拟和测试微藻生长户外光生物反应器（PBR）的研究基础上进行扩展。通过运用多变量方法（包括主成分分析（PCA）、回归分析、结构方程建模（SEM）和实证模型），旨在应对全球变暖带来的挑战。通过结合实验室数据和培养及系统建模，该研究旨在提高基于微藻的废水处理、废物增值和CO?减排效果，特别是在面临热应力的地区。

部分摘录

微藻菌株的分离与培养条件

采用适应性实验室进化（ALE）方法从户外炎热热带和亚热带地区的RSWW中分离出能够耐受多种压力的微藻，用于废水处理。通过ALE筛选出具有耐热性、耐光照波动性和高CO?利用能力的微藻菌株（见补充表S1）。其中一种菌株YYYS-15表现出显著的生物量生产能力，随后被用于夏季的户外PBR培养。

用于原始猪场废水热处理和基于微藻的生物修复的原位集成光生物反应器

本研究介绍了一种新的原位热处理方法，可在户外高温下使微藻在未稀释、未消毒的RSWW中生长。像Chlorella和Dunaliella这样的微藻在废水生物处理中具有潜力，因为它们可以吸收氮（N）和磷（P），并将太阳能转化为生物质[18][19][20]。然而，原始猪场废水中高浓度的铵离子和浊度会抑制微藻生长，因为大多数菌株在未经处理的废水中无法存活，除非浓度降低4到8倍。

结论

本研究展示了一种利用C.sorokiniana YYYS-15在垂直空气提升式PBR中的气候适应性生物修复系统，在极端条件下实现了营养物质的去除和碳的固定。影响系统性能的关键因素包括光照和铵离子（NH??）浓度。未来的研究应探讨基于微藻的废水处理的持续培养和经济可行性。

本研究建立了一种集成化的现场规模策略，用于共同处理富含营养物质的废水。

CRediT作者贡献声明

李泽民：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、资源协调、资金获取、概念构思。 叶佳晨：方法学研究、实验设计。 廖钦欣：方法学研究、实验设计。 王玉欣：方法学研究、数据分析、数据管理。 郑宇云：项目管理、方法学研究、数据分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢台湾国家科学技术委员会（NSTC 113-2218-E-042-001；NSTC 113-2740-M-110-004；NSTC 112-2218-E-042A-001；NSTC 112-2311-B-110-002；NSTC 112-2622-E-110-010；NSTC 112-2311-B-110-002）提供的财务支持。