《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Sustainable Nutrient Recovery via Progressive Freezing of Anaerobically Digested POME: Insights into Process Parameters and Trade-Offs
编辑推荐：
渐进冷冻技术用于棕榈油厌氧消化液氮磷钾回收研究，评估冷却温度、冷冻时长和循环流速对减量化、回收率、工艺效率和产率的影响，发现-15℃时体积减少14.75%且营养回收率超97%。
Low Yi Xun|Nurul Aini Amran|Wan Nur Aisyah Wan Osman|Eduardo Hernandez Yanez|Haruna Adamu
马来西亚霹雳州Seri Iskandar市PETRONAS技术大学化学工程系，邮编32610
摘要
棕榈油厂废水（POME）在经过厌氧消化（AD）后会产生富含营养物质的消化物，但这种废水若未得到妥善处理，不仅会被闲置，还会导致营养污染。本研究评估了渐进式冷冻（PF）技术作为一种低能耗、无化学试剂的分离方法，用于从经AD处理的POME中回收氮（N）、磷（P）和钾（K）。研究人员使用了一种定制设计的循环冷冻结晶器（CFC），在33因子实验框架下研究了冷却剂温度（-5°C、-10°C、-15°C）、冷冻时间（50–70分钟）和循环流速（300–500转/分钟）对体积减少（Vr）、营养回收率（Ri）、过程效率（PEi）和营养产出率（Yi）的影响。结果表明，冷却剂温度是影响分离效果的主要因素，-15°C条件下冰的生成量最多（Vr = 14.75%），氮、磷、钾的回收率也最高（>97%）。较长的冷冻时间有助于提高溶质排除效果，过程效率在70分钟时达到峰值（PEi = 43%），但超过60分钟后效果逐渐减弱。循环流速对分离过程具有非线性影响，300转/分钟的流速条件下实现了溶质排除与营养回收的最佳平衡（氮：94.75%，磷：96.06%，钾：96.53%）。这些发现表明，PF技术作为一种可持续且分散式的营养回收方法，在循环经济应用中具有潜力，同时为未来的规模化生产和能源整合策略提供了关键参数的参考。
引言
棕榈油产业是东南亚尤其是马来西亚的重要经济支柱，该国生产的粗棕榈油（CPO）占全球总量的近四分之一。然而，棕榈油厂废水（POME）在提取过程中会产生富含营养物质的废水，由于其高有机负荷和营养成分，对环境造成了严重威胁[1]。厌氧消化（AD）被广泛用于POME的处理，既能减少有机负荷，又能产生沼气[2][3]，但其副产品——高营养价值的消化物却未得到充分利用；如果未经处理直接排放，可能会导致富营养化、硝酸盐渗漏和温室气体排放[4][5][6]。因此，有效利用这种消化物对于实现营养循环和推进循环经济目标至关重要。传统的营养回收技术如化学沉淀、膜过滤和氨气脱除在技术上已证明可行，但受到操作和经济限制。例如，化学沉淀法通过生成鸟粪石可达到80–95%的磷回收率，但需要大量化学药剂，并会产生增加处理和处置成本的二次污泥[7]；基于膜的过程（如纳滤和反渗透）虽然营养保留率超过90%，但能耗较高（通常为1–3千瓦时/立方米），且在处理高浓度废水（如POME消化物）时容易发生严重污染[8]；氨气脱除法可去除85–95%的氨氮，但能耗较高，通常仅在大规模应用中具有经济可行性[9]。这些限制凸显了需要开发适应性强、能耗低的替代技术，以更适合分散式和中小型棕榈油厂的操作。
渐进式冷冻（PF）属于冷冻浓缩（FC）技术的一种，其原理是通过选择性结晶使纯净的冰从富含营养物质的浓缩液中分离出来[10][11]。PF技术已广泛应用于食品和饮料加工领域，如果汁浓缩、乳制品分离、咖啡提取物纯化以及啤酒厂废料回收，因为它能保护热敏化合物并生成高质量浓缩物[12][13]。除了食品行业，PF技术还应用于海水淡化、药品纯化和某些工业废水的处理，显示出其作为低剪切力、低化学试剂分离方法的潜力[14][15]。尽管应用范围广泛，但在废水处理领域（尤其是含有高浓度氮、磷和钾的厌氧消化废水）中，PF技术仍需进一步研究[16][17][18]。目前只有少数研究将冷冻或冷冻浓缩技术应用于农业和市政废水处理，例如John等人[19]、Uald-lamkaddam等人[20]以及Dhaneshwar等人[21]的研究。据作者所知，尚无研究系统评估渐进式冷冻参数对厌氧消化POME中营养回收的影响。
PF技术的优势在于化学试剂使用量少、操作条件温和，且适合分散式处理，这使其成为棕榈油厂营养回收的可持续和可扩展方案。然而，对于关键操作参数如何影响营养排除、冰的纯度和整体过程效率，目前了解仍有限，这一知识缺口限制了冷冻分离技术在循环经济中的广泛应用。
尽管PF技术在食品加工、海水淡化和某些废水处理领域具有潜力，但在厌氧消化POME的营养回收应用方面仍缺乏深入研究。特别是缺乏系统研究来探讨冷却剂温度、冷冻时间和循环流速等关键参数如何影响复杂营养废水中的营养分配、溶质排除及分离效果（包括体积减少、营养回收率、过程效率和营养产出率）。这一知识缺口阻碍了PF技术在农业工业废水处理中的合理设计和规模化应用，尤其是在能源效率和运行稳定性要求较高的分散式棕榈油厂环境中。
为填补这一空白，本研究使用定制设计的循环冷冻结晶器（CFC）评估了渐进式冷冻技术在POME营养回收中的可行性，系统研究了冷却剂温度、冷冻时间和循环流速对体积减少、营养回收率、过程效率和营养产出率的影响，以明确参数与性能之间的关系。通过提供受控条件下的比较和机制分析，本研究为PF技术作为循环经济中可持续营养回收途径的应用奠定了基础。
原材料和样品制备
实验所用厌氧消化POME来自位于马来西亚霹雳州的Kilang Kelapa Sawit Lekir Sdn. Bhd.全规模棕榈油厂。该样品在生物反应器中经过厌氧处理后采集，随后进行好氧处理。采集后立即将其储存在4°C的冷藏室中以防止微生物降解和营养损失[22]。处理前，废水首先经过重力辅助沉淀处理。
冷却剂温度对冰生成和营养分配的影响
冷却剂温度是PF系统中冷冻过程的主要驱动因素，决定了冰核形成速率、晶体生长形态和溶质排除程度[28][29][30]。较低的冷却剂温度会产生更大的温差，从而加速冰层扩展，但也可能增加溶质在冰晶中的滞留风险[31][32]。相反，较温和的低温条件会减缓结晶过程，使溶质有更多时间从冰晶中扩散出来。结论
本研究证明了PF技术作为一种可持续且无化学试剂的营养回收方法在厌氧消化POME处理中的可行性，通过循环冷冻结晶器系统评估了冷却剂温度、冷冻时间和循环流速的影响。结果表明，冷却剂温度是影响冰生成和营养分配的最关键因素，-15°C条件下实现了最大的体积减少（14.75%）和营养回收率。
资助
作者感谢PETRONAS通过YUTP（成本中心：015LC0-546）提供的财务支持。作者贡献声明
Low Yi Xun：撰写初稿、数据可视化、软件使用、资源准备、方法设计、实验设计、数据分析、概念构建。Nurul Aini Amran：撰写与编辑、验证、项目监督、方法设计、资金获取、概念构建。Wan Osman Wan Nur Aisyah binti：撰写与编辑、数据可视化、资源准备。Eduardo Hernandez Yanez：撰写与编辑、资源准备。Haruna Adamu：撰写与编辑。利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。致谢
作者感谢PETRONAS技术大学（YUTP）通过成本中心015LC0-546提供的财务支持，以及HICoE（生物燃料与生物化学研究中心CBBR）和PETRONAS技术大学化学工程系的设施支持。同时感谢马来西亚教育部通过HICoE对CBBR的支持。伦理准则
不适用。
利益冲突
作者声明不存在利益冲突。
