《Biochemical Engineering Journal》：Microalgae-assisted regulation of hydrothermal liquefaction aqueous phase for pollutant removal and sustainable recycling
编辑推荐：
微藻处理有效提升共热解液化水相资源化效率，栅藻在稀释400倍时生物量达3.04g/L，COD、氨氮、总氮、总磷去除率分别为65.06%、89.49%、38.62%、38.71%，且处理水相作为溶剂使生物原油产量提高15.64%和生物炭23.32%，同时减少污染物累积。
潘 Wang | 邓飞貂 | 龙汉功 | 徐东海 | 刘同贵 | 江冠宇
西安交通大学能源与动力工程学院，中国陕西省西安市710049
摘要
在污泥和微藻的共同水热液化过程中，会产生大量富含有机物的水相副产物。这些副产物的资源化利用对于提高该技术的经济和环境效益至关重要。本研究系统评估了微藻对水相的处理效率及其回收潜力。结果表明，在400倍稀释的水相中，小球藻表现出优异的适应性，其生物量浓度为3.04 g·L-1，化学需氧量（COD）、氨氮（AN）、总氮（TN）和总磷（TP）的去除率分别为65.06%、89.49%、38.62%和38.71%。气相色谱-质谱分析证实小球藻能够有效降解水相中的有毒含氮有机化合物。进一步的回收实验表明，使用经微藻处理的水相作为溶剂，生物原油的产率（15.64%）和生物炭的产率（23.32%）均高于去离子水对照组，同时生物原油的质量得到提升，氮含量降低，燃料性能得到改善。相比之下，直接重复使用原始水相虽然提高了产品产率，但会导致系统中污染物的持续积累。本研究为污泥和水热液化水相的资源化处理提供了可行的技术解决方案，通过微藻转化实现了从“废物管理”到“资源回收”的转变，具有广阔的应用前景。
引言
水热液化（HTL）技术能够高效地将城市污泥和微藻等生物质转化为生物原油，为可持续生物燃料生产提供了重要途径，同时实现了有机废物的资源化利用[1]。然而，HTL反应后会产生大量水相副产物。研究表明，污泥HTL产生的水相副产物比例范围为0.19%至60.3%，平均值为36.67% ± 14.44%[2]。这些副产物富含有机物和氮、磷等营养物质，具有较高的化学需氧量（COD），成分复杂，并含有多种有毒含氮有机化合物。直接排放会带来环境风险，已成为该技术推广的关键瓶颈[3],[4],[5]。
目前常用的水相物理和化学处理技术（如吸附、高级氧化和膜分离）通常能耗较高，存在潜在的二次污染问题，且资源回收效率有限[6],[7],[8],[9]。相比之下，利用微藻进行水相生物处理是一种更可持续的资源回收方法。小球藻在废水处理和营养物质回收方面具有坚实的研究基础，能够有效去除氨氮和磷，因此在废水资源化研究中得到广泛应用[10],[11]。Biller等人[3]指出，HTL水相中的抑制性成分（如酚类和含氮杂环化合物）会限制微藻的生长。螺旋藻、双形栅藻和弗里奇绿球藻在较低稀释浓度下生长受到明显抑制，某些情况下甚至无法维持生长。相比之下，小球藻在多种稀释条件下表现出更高的适应性。铜绿微囊藻是一种典型的蓝藻，广泛分布于富营养化水域，其生长和藻华形成与氮和磷的供应密切相关，这体现了其生态代表性[12]。此外，其胞外聚合物物质和荚膜结构能够增强对金属离子的吸附和络合作用，已被证明可以吸附并去除多种无机污染物（如Cu、Cd、Ni、U和Sb）[13],[14],[15],[16]。因此，通过比较耐受性更强的小球藻和铜绿微囊藻对无机微污染物的吸附能力，可以研究不同藻类类型如何调节水相副产物中的污染物负荷和营养物质，为未来扩展到更多藻类物种的研究提供依据。
尽管基于微藻的HTL水相处理技术受到了越来越多的关注，但现有研究大多集中在短期净化性能上，典型评估指标包括污染物去除率和生物量积累。然而，关于微藻对水相成分的回收和利用的系统性认识仍然有限，也不清楚经微藻处理的水相是否可以可靠地作为后续HTL过程的溶剂重复使用。此外，不同水相回收策略对生物原油产率、成分和质量的影响尚不明确。这些知识空白阻碍了污泥和微藻共同HTL技术的规模化应用和工程实施。因此，亟需开展系统性的水相资源回收和回收研究。基于此，本研究系统探讨了小球藻和铜绿微囊藻在不同稀释浓度下水相中的生长响应和污染物去除特性，筛选出最适宜的藻类种类和最佳培养条件。随后，将经微藻处理的水相用于HTL回收实验，并与原始水相和去离子水对照组进行比较。通过分析生物原油产率、元素组成、热值、官能团结构和分子组成等指标，评估了不同水相回收方法对产品质量的影响。同时，跟踪了回收过程中水相中污染物的迁移和转化规律，从污染物转化和资源回收的角度揭示了微藻处理在水相回收中的机制，旨在为高效可持续的HTL水相资源利用技术的发展提供理论基础和方法支持。
材料与反应条件
在正式实验之前，所有反应器均经过预处理以确保密封性和稳定性。组装完成后，用350°C和30 MPa的蒸馏水冲洗反应器1小时，以清除处理残留物并验证密封性能。预处理后，彻底清洁反应器，确保内壁无残留物且无泄漏风险。根据之前的优化结果[17]，确定了最佳反应条件...
微藻生长与水相资源转化
共同HTL水相中高浓度的有毒有机化合物是限制微藻生物修复和资源利用的主要因素[19]。此外，高浓度的氮和磷会抑制微藻的脂质积累，影响其作为生物燃料原料的效率[20],[21]。图2全面展示了两种微藻的形态变化和生物量动态变化...
结论
本研究系统研究了微藻对城市污泥和微藻共同水热液化过程中产生的水相的转化情况，以及水相回收的可行性。结果表明，在稀释水相条件下，小球藻表现出更强的适应性和良好的资源回收效果。在400倍稀释条件下，生物量达到3.04 g·L-1，COD、AN、TN和TP的去除率分别为65.06%、97.03%、53.41%和97.15%
作者贡献声明
江冠宇：撰写、审稿与编辑。刘同贵：实验研究。徐东海：指导、资金申请。龙汉功：指导。邓飞貂：撰写、审稿与编辑、实验研究、数据管理。潘 Wang：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2025 GH-YBXM-038）和国家自然科学基金（52576227）的支持。
作者贡献声明
潘 Wang：概念构思、数据管理、方法设计、初稿撰写、审稿与编辑。邓飞貂：数据管理、实验研究、审稿与编辑。龙汉功：指导。徐东海：资金申请、指导。刘同贵：实验研究。江冠宇：审稿与...
