空气污染影响着所有生物的生活质量。本文介绍了利用微藻生物技术处理沼气（同步去除二氧化碳和硫化氢）并生产生物甲烷的方法，通过半工业规模的开放式高效藻类池进行处理，并随后分析处理效率、pH、溶解氧以及微藻生长情况。
本文内容
摘要
摘要
近年来，多种技术相继出现，用于将沼气提纯为生物甲烷。该提纯过程旨在降低二氧化碳和硫化氢等污染物气体的浓度，从而提高甲烷含量。本研究采用微藻培养技术，对来自养猪业有机废弃物产生的沼气进行处理与提纯，以获得可直接使用的生物甲烷。为实现培养与提纯，我们在墨西哥圣胡安德洛斯拉戈斯建立了两个22.2 m3的开放式池式光生物反应器，并耦合吸收-解吸柱系统。测试了多种液体循环/沼气比（L/G），以获得最高的去除效率；同时测定了pH、溶解氧（DO）、温度和生物量增长等其他参数。最高效的L/G值分别为1.6和2.5，所得处理后沼气中CO2体积浓度分别为6.8%和6.6%，H2S去除效率高达98.9%，同时保持O2污染水平低于2%vol。我们发现，在微藻培养过程中，pH对CO2去除的影响远大于L/G，这与其在微藻光合作用过程中的作用以及因其酸性性质溶于水后调节pH的能力有关。DO和温度的变化分别符合光合作用昼夜自然循环及一天中不同时段的预期规律。生物量增长受CO2供给、营养补给以及反应器采收的影响，但总体增长趋势保持良好。
引言
近年来，多种技术已出现，可用于将沼气提纯为生物甲烷，推动其作为非化石燃料的使用，从而减少不必要的甲烷排放1。空气污染是一个影响全球大部分人口的问题，尤其在城市化地区尤为严重；最终，全球约92%的人口呼吸着受污染的空气2。在拉丁美洲，空气污染主要由燃料使用造成，其中2014年电力和热能生产部门贡献了48%的空气污染3。
近十年来，关于空气中污染物与死亡率上升之间关系的研究越来越多，这些研究认为两组数据之间存在显著相关性，尤其在儿童群体中更为明显。
为避免空气污染持续加剧，人们已提出多种策略，其中之一是利用可再生能源，包括风力涡轮机和光伏电池，以减少二氧化碳（CO2）向大气中的排放4,5。另一种可再生能源来自沼气，它是有机物厌氧消化过程的副产物，同时产生一种液态有机消化残渣6。沼气由多种气体混合而成，其组分比例取决于用于厌氧消化的有机物来源（如污水污泥、牛粪或农业工业有机废弃物）。通常情况下，其组成为：CH4（53%–70% vol）、CO2（30%–47% vol）、N2（0%–3% vol）、H2O（5%–10% vol）、O2（0%–1% vol）、H2S（0–10,000 ppmv）、NH3（0–100 ppmv）、碳氢化合物（0–200 mg/m3）和硅氧烷（0–41 mg/m3）7,8,9。科学界尤其关注其中的甲烷气体，因为它是该混合物中具有可再生能量价值的主要组分。
然而，生物气不能直接燃烧使用，因为反应的副产物可能有害且具有污染性；因此需要对混合气体进行处理和纯化，以提高甲烷含量并减少其他成分，实质上将其转化为生物甲烷10。该过程也称为提纯。尽管目前已有用于此类处理的商业化技术，但这些技术存在若干经济和环境方面的缺点11,12,13。例如，活性炭与水洗系统（ACF-WS）、加压水洗（PWS）、气体渗透（GPHR）和变压吸附（PSA）等技术均存在一定的经济性问题或环境影响方面的不足。一种可行的替代方案（图1）是采用生物系统，例如在光生物反应器中共同培养微藻和细菌的系统；其优点包括结构设计和操作简单、运行成本低，以及环境友好型的操作过程和副产物10,13,14。当生物气被提纯为生物甲烷后，后者可作为天然气的替代品使用，而消化液则可作为营养源用于支持系统中微藻的生长10。
在这一升级过程中广泛使用的方法是将微藻培养于开放式跑道式光生物反应器中，并结合吸收柱，因为这种方法运行成本较低，且所需投资资本最少6。该应用中最常用的跑道式反应器类型是高效藻类池（HRAP），它是一种浅层的跑道式池，藻液通过低功率桨轮实现循环14。这类反应器需要较大的安装面积，在户外条件下使用时极易受到污染；在沼气净化过程中，建议采用碱性条件（pH > 9.5），并选用在较高pH环境下生长良好的藻类物种，以增强对CO2和H2S的去除效果，同时避免污染15,16。
本研究旨在确定利用与吸收-解吸柱系统及微藻群落耦合的高效藻类光生物反应器（HRAP）处理沼气的效率及最终生物甲烷产量。
方案
1. 系统设置
注意：本方案所述系统的管道与仪表图（P&ID）见图2。
- 反应器设置
- 通过平整和压实地面来准备场地，以提高反应器的稳定性。
- 在开阔场地挖掘两个长条形坑，在距末端3 m处再挖掘一个面积为3 m2、深1 m的坑（称为曝气井）。
- 将两个HRAPs（图3）放置在覆盖有土工膜的金属支架上。每个反应器的操作容量必须为22.2 m3。
- 在每个反应器旁放置一台功率为1728.42瓦（2.35马力）的空气泵，位置靠近HRAPs中已挖掘曝气井的一端。
- 在反应器横跨安装一个由1103.24瓦（1.5马力）电动机驱动的桨轮，以促进生物质与培养基质之间的接触。
- 气体处理系统设置（图4）
- 使用一根6"聚氯乙烯（PVC）管构建解吸柱，进气口位于顶部盖板下方2 m处，出气口从底部流出（图2）。
- 设置吸收罐（Vt：2.55 m3），未处理的沼气从底部通过11根扩散管鼓泡进入罐内，气体经由厌氧消化器通过一根4" PVC管道输送，途中经过沼气鼓风机、1"转子流量计和取样口；液体则来自解吸柱后的培养基循环，从罐底进入。液体出口位于罐体侧面，将富含CO2的培养基输送至液位控制柱；气体从罐顶出口排出，通过一根1" PVC管道将获得的生物甲烷导至燃烧器进行持续燃烧（图2）。
- 通过一根4" PVC管将吸收罐与解吸柱连接，并在两者之间设置一个取样口（图2）。
- 使用一根6" PVC管构建液位控制柱，其入口位于底部。该柱设有两个出口（由蝶阀控制），根据系统需求选择使用：第一个出口距地面2.5 m，第二个出口距地面3 m（图2）。
- 通过一根2" PVC管道将HRAP光生物反应器连接至6"解吸柱，途中经过一台循环离心泵（1103.24瓦，[1.5马力]）和一个1"转子流量计（图2）。
- 通过一根4" PVC管将液位控制柱连接至一段40级PVC管，途中经过一个取样口；随后连接一段柔性PVC软管，再接另一段40级PVC管，最后通过一根4" PVC管接入HRAP光生物反应器（图2）。
- 使用2" PVC管道设置解吸柱的旁路，并将其连接至取样口前的主管道（图2）。
2. 系统的功能测试
- 循环离心泵（1103.24 瓦 [1.5 马力]）
- 为确定泵的最大流量，需至少预充水 10 分钟，以避免吸入空气，并在 230 伏特和单相条件下启动。
- 通过使流体流经 1" 转子流量计来测试循环流量。
- 沼气鼓泡系统
- 为确定至少产生相当于 200 毫巴空气柱所需的力，需使用三种不同功率的鼓风机（485.52 瓦 [0.66 马力]、1838.74 瓦 [2.5 马力] 和 3309.74 瓦 [4.5 马力]）向吸收罐中鼓入空气进行测试。
- 目视验证罐内气泡的大小和分布情况。在本描述的操作条件下，预计气泡的平均直径为 3 毫米。
3. 室内条件下的接种与生长
- 将纯种的 Arthrospira maxima 从琼脂平板转移至 15 mL 水基矿物培养基17（NaHCO3 [10 g/L]，Na3PO4·12H2O [0.033 g/L]，NaNO3 [0.185 g/L]，MgSO4·7H2O [0.014 g/L]，FeSO4·7H2O [0.0008 g/L]，NaCl [0.4 g/L]）中。
- 将培养物转移至装有无菌 Jourdan 水基培养基的 500 mL 三角瓶中，培养液体积占三角瓶总体积的 100%，在 12 小时光照/12 小时黑暗的光周期条件下培养，使用表面贴装器件（SMD）2835 型发光二极管（LED）灯提供冷白光（照度 2000 lm），并通过空气鼓泡持续搅拌（通气量 0.3 L/min 或 0.6 vvm）。（此步骤持续约 1 个月）。
- 通过将前一培养体积的 20% 接种至新的培养体系中，继续扩大培养规模，直至总体积达到 50 L。
- 在温室中，将培养物适应自然光照条件并转换为使用 Jourdan 培养基，在 50 L 透明袋中进行培养。（此步骤持续约 2 个月）。
- 在此条件下继续扩大培养规模，直至达到 5 m3 的高效藻类塘（HRAP）光生物反应器。（此步骤持续约 2 个月）。
4. 户外条件下系统的运行启动
- 将这5 m3 HRAP光生物反应器的全部体积加入位于室外的13 m3 HRAP光生物反应器中，并用Jourdan培养基补足剩余体积。通过桨轮以30 cm/s的速度开始混合，进行为期15天的批量培养，或直至达到0.7 g/L（此步骤持续约1个月）。
- 一旦生长达到0.7 g/L，将体积转移至正在运行的22.2 m3 HRAP中，用Jourdan培养基补足剩余体积，并将桨轮速度设定为30 cm/s。让生物量继续生长，直至达到0.7 g/L且pH值达到10；一旦满足这些条件，即可开始取样和采收（如有需要）。
- 从HRAP光生物反应器开始以可变流速向吸收罐进行液体循环，以提高生物量生产力。在2小时后以平均流速3.5 m3/h开始通入沼气，为培养体系提供无机碳。注意pH值，必须保持在9以上。
注意：在将培养基通过吸收罐循环之前，需先启动 上述离心泵。 - 营养物添加：通过采收和总体氮平衡（假设稳态）每周监测营养状况，计算方法如下：
MNaNO3 = (MBiomass × 0.10)/0.12 [g]
其中：
MNaNO3 = 硝酸钠质量 [g]
MBiomass = 采收的生物量 [g]
0.10：氮/生物量的质量产率16 [g/g]
0.12：硝酸钠中氮的质量分数 [g/g] - 根据氮平衡结果，重新配制Jourdan培养基，按比例添加Na3PO4·12H2O、MgSO4·7H2O和FeSO4·7H2O。不要额外添加碳酸氢钠或氯化钠。
注意：在将营养物加入反应器之前，应先将其溶解于洁净水中。 - 监测水分蒸发情况，并根据需要每周补充。
5. 取样与分析
- 沼气
- 使用适当直径的软管将一个10 L的聚氟乙烯袋连接至吸收罐前和罐后的取样口，分别采集两处的沼气样品，并将每个样品各自置于独立的聚氟乙烯袋中。
- 通过将压力传感器归零并等待其稳定，对便携式气体分析仪进行校准。操作时先按下 开始，再按下 下一步，并按照分析仪的提示连接透明管和黄色管。然后再次按下 下一步，最后点击 气体读数。
- 将每个装在聚氟乙烯袋中的样品连接至分析仪，按下 下一步，测量系统两个位置处的CH4、CO2、O2和H2S浓度（以%vol表示）。
- 通过将液体循环流量除以沼气产生流量，计算液/气循环体积比（L/G）。计算对应的气体流量（m3/h），以确定CO2和H2S去除效率最高的操作条件。
- 系统运行参数的在线监测（pH、溶解氧、温度）
- 根据制造商的说明对所有传感器进行校准。
- 将pH传感器、溶解氧（DO）传感器和温度传感器分别置于每个高程循环藻池（HRAP）的液体中。
注：各传感器的品牌与规格请参见材料清单文件。 - 将pH和DO传感器连接至数据采集装置，该装置由一个1.4 GHz 64位四核处理器与便携式显示屏组成，其中存储有在集成开发与学习环境（IDLE）2.7中编写的预设Python程序。
- 通过显示屏打开程序，并设定数据采集的时间间隔（本实验中为每2分钟采集一次）。
- 创建一个电子表格，用于自动存储程序采集的数据。
- 点击标有 开启 的按钮，表示系统已准备就绪，开始存储数据。
- 如需停止数据采集，点击标有 关闭 的按钮。
- 为下载数据，插入一个通用串行总线（USB）设备并导出电子表格。
- 将温度传感器连接至温度记录仪，以存储实验期间记录的数据。
- 初步探索性试验
- 确定最高效的L/G值
- 调节进入的沼气流量，选择待测试的L/G值（0.5、1、1.5、1.6、2、2.5、3.3、3.4）。
- 在试验开始时及之后每15分钟，持续1小时（60分钟），使用前述仪器测量pH值以及各气体（CH4、CO2、H2S、O2、N2）的进、出口浓度。
- 通过比较各L/G值下的出口浓度，确定最高效的L/G值，并根据实验需求选择最合适的操作参数。
- L/G值、pH与CO2之间的关系
- 至少选择两个不同的L/G值进行对比。
- 对每个L/G值，在开始时以及之后每15分钟持续60分钟，再每小时一次，共5小时，使用前述仪器测量pH值以及CO2的进、出口浓度，并同时测量H2S、O2和N2浓度作为对照。
- 使用以下公式计算CO2去除率：
%CO2去除率 = ((CO2进 - CO2出)/(CO2进)) × 100 - 绘制结果图表，比较不同L/G值下pH和CO2的变化趋势。
- 确定最高效的L/G值
- 建立生物量干重（g/L）与750 nm处吸光度之间的校准曲线18
- 取藻类培养液样品，尽量使其吸光度接近1.0。若培养液吸光度低于1.0，可通过过滤（0.45 µm滤膜）去除部分水分；若吸光度高于1.0，则可通过添加新鲜培养基稀释以降低吸光度。
- 使用上述样品制备五种藻细胞悬浮液，分别按体积比（V/V）加入新鲜培养基，配制成100%、80%、60%、40%和20%的稀释系列。
- 使用塑料比色皿，在分光光度计上测定五种溶液在750 nm处的吸光度，以新鲜培养基作为空白对照。
- 通过过滤10 mL样品至已知重量的0.45 µm滤膜上，将滤膜在硅胶干燥器中干燥24小时，随后再干燥48小时以确保恒重，从而测定每种悬浮液的每升培养液生物量干重。对五种溶液重复此步骤。
注：不建议使用高于60 °C的温度进行干燥，以免某些关键组分挥发，导致样品重量变化。 - 确认恒重后，使用以下公式计算反应器内的生物量浓度：
生物量浓度 = (生物量重量 - 滤膜重量) × 1000 / 过滤体积 [g/L] - 使用电子表格或其他软件，以750 nm处测得的吸光度为自变量，以生物量干重（g/L）为因变量进行线性回归分析。线性回归系数应大于0.95；否则，该曲线无效，需重复实验。
注：此处使用“生物量重量”而非“干重”，因为所用干燥方法无法完全去除样品中的水分，仍保留低于5%的含水量19。
- 生物量生长监测
- 每天监测反应器状态。从每个培养池的桨轮与其回流之间的中点处采集1 L样品，并送至实验室。
- 在显微镜下检查藻类群体的生长状态和培养纯度。
- 使用分光光度计测定样品在750 nm处的吸光度，以新鲜培养基为空白对照。
- 将测得的吸光度与校准曲线对比，估算每升培养液中的生物量重量（g/L）。
- 记录每个跑道池反应器的生长情况。
- 生物量生产与收获
- 每天监测反应器。若取样时生物量浓度超过0.7 g/L，则需进行收获。
- 交替对两个HRAP进行操作，在反应器一端的某段上方放置一层聚酯筛网，并将一根柔性PVC管的一端置于液体流动路径中，使另一端将液体引流至筛网上方。
- 根据反应器中生物量的饱和程度，将4500 L至7500 L的液体引流至筛网上，同时保持液体持续回流至对应的HRAP。生物量将被截留在筛网上。
- 收获时，将筛网从反应器上方取下，转移至另一平面上，刮下生物量并将其转移至漏斗中。
- 将生物量通过漏斗挤出，形成条状物，置于洁净干燥的筛网上，并将筛网放置于温暖密闭的房间（34–36 °C）中干燥48–72小时。
- 干燥完成后，从筛网上取下生物量并称重。使用以下公式计算收获的生物量浓度（g/L）：
排出液体体积 = 泵流速 × 排水时间 [L]
收获生物量浓度 = 收获生物量重量 / 排出液体体积 [g/L]
结果
按照方案，构建、测试并接种了系统。对条件进行了测量和记录，并采集和分析了样品。该方案执行了一年，从2019年10月开始，持续至2020年10月。需要说明的是，此后将把HRAP系统简称为RT3和RT4。
生物甲烷产率
为了确定促进最高H的条件2S 和 CO2 去除率，从而实现甲烷的最高浓度，尝试了0.5至3.4范围内的多个液体/沼气循环比（L/G）。这些结果来自持续至少60分钟（1小时）连续沼气鼓泡的实验，在25至th 9月28日th 9月期间。在此测试过程中，微藻固定了CO2, 且细菌氧化了 H2S，浓缩甲烷（CH4）并基本完成气体混合物的纯化。
考虑到整个系统（HRAP 体积 + 储罐体积 = 24.75 m3）的平均 CO2 去除能力以及稳定的生物量浓度（0.8 g/L），估算得到的比固定速率为 65 mgCO2/g 生物量·h，低于已报道的最大理论值（300 mgCO2/g 生物量·h）。这表明基于微藻-细菌的沼气净化过程具有进一步优化提升的潜力。
通常情况下，较高的液气比（L/G）值可提高沼气净化效率，使硫化氢的去除效率维持在98%或以上2S 和 CO 体积含量低于 7.5%2 (图5, 图6，以及 图7）。然而，O2 由于光合作用产生该气体，在较高的液气比（L/G）值下，生物甲烷中污染物含量显著升高，这可能对商业应用中的氧气含量造成潜在问题2 浓度依法必须保持在较低水平，以降低爆炸风险20另一个原因是避免因氧元素的存在而降低其热值2 稀释。相反，可以认为 L/Gs 1.6 和 2.5 代表了整体上最高效的结果，伴有 CO2 6.6%vol 至 6.8%vol 之间的浓度，CH4 在87%vol时，以及O2 低于1.5%vol，同时含有H2S 去除效率高于 98.5%（图5, 图6，以及 图7). 获得的百分比与法律规定的标准之间的比较见于 表1.
值得注意的是，尽管循环液/沼气比值为2时处于最有效的L/G范围内，但其CO2浓度（7.4%vol）更高，这可能归因于该条件在RT3而非RT4中进行测试。在此情况下，CO2去除的条件较不理想，可能由于生物量浓度较低所致。总体而言，在这些条件下平均产生的生物甲烷达到20.68 m3/天，平均流速为4.14 m3/h。
结果可能因培养条件、沼气类型（合成或实际沼气）以及藻类种类而异；例如，Serejo 等人21 使用两种模拟的合成沼气混合物，一种为纯 CO2 和 N2 气体混合物，另一种为常规沼气（体积分数为 70% CH4、29.5% CO2 和 0.5% H2S），通过一个 180 L 的 HRAP-吸收柱系统培养Chlorella vulgaris 进行净化。在该研究中，Serejo 同样测试了不同的气液比（L/G），范围从 0.5 到 67，在较小但相似的系统中，于较低 pH 值和人工光照条件下进行实验。在最佳气液比（高于 15）下实现了 H2S 的完全去除，并实现了平均约 80% 的去除率。这些去除效率随气液比的增加呈线性上升；然而，氧气污染也随之增加，这可能会影响最终生物甲烷的整体质量。本研究中 CO2 去除效率的提升并非线性关系；尽管如此，随着气液比的增大，CO2 的去除效果仍有所改善。这一现象的原因是多方面的，涉及 pH、培养液营养状况、生物量生长以及沼气鼓泡过程等因素。
在未进行重复实验的情况下，评估了液气比（L/G）对沼气提纯系统性能的影响。该做法是合理的，因为实验均在白天10:00至13:00期间进行（可保证稳定的太阳辐照和室外温度），从而为光合微生物提供了接近最优的生长条件；因此，pH值可被视为对CO2吸收影响最关键的参数22，且在评估液气比（L/G）对CO2吸收去除效率影响的实验中，报道的标准偏差极小，低于2%。
反应器在外部进行培养，这意味着即使接种物为 Arthrospira maxima 藻类的纯培养物，在培养体系的高pH极端条件下仍有可能被其他可存活的生物污染。硫氧化细菌即为一例23,24。然而，此类污染对于实验的最终目的而言具有益处，因为这些细菌有助于从沼气中去除H2S，实质上承担了这一任务，从而提升了所得生物甲烷的质量。
在系统运行期间的环境条件和离子强度下，溶解的H2S通过有氧非生物反应被氧化为多硫化物和硫代硫酸盐，数天后应完全氧化为硫酸盐25。由于向系统中投加的阳离子量远低于H2S的负荷速率（阳离子/H2S的摩尔比远低于2），因此通过阳离子在水相营养培养基中沉淀去除H2S的作用可忽略不计。在沼气提纯过程运行期间，通过目视检查未观察到沉淀物，证实了沉淀的缺失。由于系统处于开放环境，目前尚未验证是否存在生物硫化物氧化作用。
系统条件
在光照和黑暗条件下均测量了溶解氧（DO）和 pH 的变化。在白天（光照条件下），由于微藻的光合作用产生氧气，溶解氧增加；而在夜间（黑暗条件下），由于缺乏光合作用以及异养代谢通过呼吸作用消耗氧气，溶解氧下降（图8）。
pH 水平也随着 CO 的存在而变化2 在液体中图8），在CO较少时其值增大2 溶解并减少，当 CO 较少时2 被移除；值得注意的是，在不再有 CO 的时段附近出现了较小的峰2 正在提供，这一点将在后文进一步讨论。在早晨时段，pH值在上午11:00左右达到峰值，最低值则出现在约18:00，这与藻类的光合作用活性也相一致。需要特别注意第2天左右出现的大幅下降；在第29天进行了一项简短的探索性测试，采用了1.64的L/G比值th 9月，通过约24小时（约第1天）持续供应沼气，导致系统发生严重失稳，需补充尿素以促进氮素恢复。另一次使用1.58的短期探索性试验于第5天进行th 10月（约第7天）期间，由于系统条件较好（白天时段有沼气供应），pH值仅在两天内略微偏离正常峰值，随后即恢复常规波动模式。
在图8中，pH值的较小峰可归因于藻类从光合作用转变为呼吸作用时，对环境进行自我调节的一段时期。
参考之前提到的用于关联 pH 值和液气比（L/G）与 CO2 去除率的简短探索性试验（图9），我们测试了两个比值，分别为 1.64 和 1.58。这两个数值均为实验过程中记录的 L/G 值的平均值。可以观察到两种明显不同的行为：在比值为 1.58 时，去除率和 pH 值均显著更不稳定，且远低于比值为 1.64 时所记录的结果。
这一点在Bahr等人15利用Arthrospira maxima藻类的HRAP柱系统进行的沼气提纯研究中得到了支持。Bahr评估了在不同pH条件和培养液流速下对CO2的去除效率，以及对H2S和O2杂质的去除效果，所用合成气体组成范围从单纯的CO2-N2到含有不同浓度H2S（最高达0.5%vol）的沼气组成。他们得出结论：在较高pH值（9–10范围）和较高培养液流速（80 mL/min）条件下，CO2去除率接近100%，但O2杂质含量较高；而在较高pH值（9–10范围）和较低培养液流速（20 mL/min）条件下，CO2去除率仍接近100%，且观察到的O2杂质显著减少。他们还报告在这些条件下实现了H2S的完全去除。
类似地，溶解氧（DO）的振荡（图8）可归因于藻类的光合作用活动，因为在白天，微藻通过光合作用产氧，导致溶解氧升高；而在夜间，由于缺乏光合作用以及异养代谢过程中的呼吸作用消耗氧气，溶解氧随之下降。
由于昼夜变化和秋季天气的影响，HRAP光生物反应器（RT4）内的温度有所波动，大多数日子在约17:00达到峰值，介于23 °C至28 °C之间，而在约6:00降至最低值，介于11 °C至15 °C之间（图10）。吸收罐进出口温度偶尔被测量，结果显示平均温度分别为30.1 °C和32.5 °C。因此，假设两种情况下沼气中的水分均达到饱和，则处理后的沼气含水量（水蒸气）会略高于处理前（13.5%）。为实现净化后沼气的最佳管理和进一步利用，强烈建议安装沼气干燥器。
预期用于第28天期间的平均L/Gth 9月和10th 10月份的L/G值设定为1.6，因为短周期试验表明该比例可促进更优的实验结果；然而，由于水相培养基的pH缓冲能力较差，夜间会导致微藻培养体系过度酸化，因此无法在夜间维持该比例。故仅在白天时段将沼气通入吸收罐，并将L/G值调节至约1.5。
生物量生产力
RT3 上的接种在第 20 天进行th 2020年5月及27日的RT4th 2020年5月；两次测试之间的时间（9月）以及接种前的间隔用于稳定培养体系，并解决系统中出现的操作问题，例如病害及设备故障，同时考虑了全球COVID疫情的影响。
生物量增长通过两种方式测定：取样和收获。在本文中，取样指反应器中任意时刻的生物量浓度，而收获指生物量的生产效率，即在过程中回收的生物量数量，以避免生长抑制。测试时间为9月29日至10月9日，平均液气比（L/G）为1.5，尽管优选比例为1.6；实际比例偏低的原因是第11天左右记录到的比值为1.15。
采样（图11) 从第1天到第11天（从第29天th 9月到9日th 10月期间，两个反应器中的生长趋势非常相似：起始浓度较高，在第4天和第5天降至整个实验的最低值；RT4中呈稳定恢复趋势，而RT3则出现一定波动，最终再次下降。收获阶段也呈现出完全相同的变化模式，表明某一事件（极有可能为外部因素）同时影响了两种培养物的生长。
收获（图12）以半规律方式进行，交替对RT3和RT4进行收获。然而，必须考虑规模因素；在取样和收获过程中，数据之间的变异程度非常低，表明影响两个反应器的事件并不严重。图8中的红色虚线表示反应器未进行收获的时间段；这由两个因素导致：部分时间处于周末，而在此期间反应器无法进行取样或收获（这一点也可在图11中得到证实）；此外，实验方法要求仅收获浓度最高的反应器。该系统共有四个反应器，其中仅有两个（RT3和RT4）参与本研究，因此在周末之后的几天内，团队收获了另外两个反应器（RT1和RT2），导致RT3和RT4无收获数据。收获数据量比取样数据量约少50%；这可能是因为该方法的效率较低所致。
每日数值之间的差异很小（图11），表明该培养体系具有较强的稳定性，能够在系统条件变化的情况下保持稳定。Arthrospira maxima 优先在高pH、高碳酸盐浓度的培养基中生长，且对NH3的抑制作用高度敏感15，这与图8所示结果一致。2020年8月进行的校准结果如图13所示。
生产后评估与副产品
为评估该气体在减少向环境排放有害物质方面的潜力，一家外部公司进行了全面报告，报告结果表明，采用此项技术生产的生物甲烷与直接使用厌氧消化池产生的未净化沼气相比，可使直接 CO2 总排放量减少 84%。此外，在对原始沼气和提纯后的生物甲烷所发电力进行全生命周期分析后发现，生物甲烷所能提供的整体热值比原始沼气高出 23,000 kJ。
最后，该纯化过程的副产物是收获的微藻，干燥后可在其他行业中具有多种应用，这可能为该方法增加更多价值，并使整个过程更具成本效益26。例如，有研究对罗勒作物进行了实验，评估使用干燥的Scenedesmus生物质与常规无机肥料在叶片数量、地上部分鲜重和干重以及叶片鲜重等方面的差异；研究发现，在这些指标上，生物质与化肥的效果相当27。另一项研究也得出了类似结果，该研究比较了使用不同浓度的藻类生物质水悬浮液作为肥料时四种商业作物的生长情况；即使在低浓度（20%）下，作物的生长仍能达到与化学肥料相当的最大水平28。
图1：利用微藻进行沼气净化过程中发生的生物过程示意图 请点击此处查看该图的高清版本。
图 2：本实验方案所述系统的工艺流程图（P&ID）。 请点击此处查看该图的放大版本。
图 3：实验过程中所使用的高通量藻类培养池（HRAPs）照片。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 4：吸收罐。（A）培养基和沼气进入吸收罐的入口照片。（B）吸收罐的正面和背面视图。请点击此处查看该图的放大版本。
图5：在RT3中进行的初步探索性测试，用于确定液气比（L/G）的效率。 深绿色代表CH4，绿色代表CO2，浅粉色代表O2，深粉色代表N2。平均pH值为9.2435；液体入口流量为60–100 L/min；气体入口流量为50–120 L/min。 请点击此处查看此图的放大版本。
图6：在RT4中进行的短时探索性试验以确定液气比效率。 深粉色代表N2，浅粉色代表O2，深绿色代表CO2，浅绿色代表CH4。平均pH值为9.95；液体入口流速为116–118 L/min；气体入口流速为35–75 L/min。请点击此处查看此图的放大版本。
图7：短时探索性试验中各液气比（L/G）下H2S去除率的比较。 液气比0.5、1、1.5和2对应RT3，1.6、2.5、3.3和3.4对应RT4。 请点击此处查看该图的放大版本。
图8pH 与溶氧曲线 pH（深绿色）和溶氧（浅绿色）在 RT4 中第 28 天的曲线图th 9月和10日th 2020年10月。液体入口 75-118 L/min；气体入口 57-75 L/min。各气体的平均进料浓度：CH4- 60%（体积分数），H2S - 2400 ppmv，CO2- 34% vol, O20.6% vol. 请点击此处查看此图的放大版本。
图9：不同pH值和气液比（L/G）条件下CO2的去除率变化曲线。 绿色表示在气液比（L/G）为1.58（深绿色三角形）和1.64（浅绿色圆形）时的CO2去除率。粉色表示在相同气液比下对应的pH值：1.58（深粉色三角形）和1.64（浅粉色圆形）。液体入口流量为75–118 L/min；气体入口流量为57–75 L/min。各气体的平均进料浓度：CH4—60% vol，H2S—2400 ppmv，CO2—34% vol，O2—0.6% vol。请点击此处查看该图的高清版本。
图10RT4 细胞在 28℃ 下的温度曲线th 9月和10日th 2020年10月 请点击此处以查看此图的放大版本。
图11：RT4（浅绿色方块）和RT3（深绿色圆形）在28之间的采样结果th 9月10日th 2020年10月 L/G 比值用箭头标出。 请点击此处查看此图的放大版本。
图12：采集 RT4（浅绿色方块）和 RT3（深绿色圆形）在第 28 天之间的结果th 9月和10日th 2020年10月 L/G 比值用箭头标示。红色虚线表示两个反应器均未进行收获的时段。 请点击此处以查看此图的放大版本。
图13：2020年8月建立的校准曲线，显示藻类培养物浓度（克/升）与750 nm处吸光度之间的相关性。 请点击此处查看该图的高清版本。
| 组分（体积%） | 原始沼气组成 | 提纯后沼气组成 | 商业生物甲烷组成 NOM-001-SECRE-2010 |
| CH4 | 64.2 ± 0.8 | 85.1 ± 2.0 | >84 |
| CO2 | 33.8 ± 0.1 | 7.2 ± 1.2 | <3 |
| H2S (ppmv) | 2539 ± 32 | 30.5 ± 4.2 | <6 |
| O2 | 0.3 ± 0.1 | 1.7 ± 0.5 | <0.2 |
表1：沼气成分对比
讨论
多年来，这种藻类技术已被测试并用作净化沼气的替代方法，以取代苛刻且昂贵的物理化学技术。特别是螺旋藻属（Arthrospira）和小球藻属（Chlorella）被广泛用于这一特定目的。然而，目前在半工业规模上开展的方法较少，因此本方案具有较高的应用价值。
保持较低的O₂浓度至关重要2 通过使用适当的液气比（L/G）来调节浓度；然而，这取决于该方案应用的地区。由于存在爆炸和管道腐蚀的风险，生物甲烷中的氧气含量受到严格管控。欧盟一些国家要求氧气含量低至1%vol29,30,31甲烷的浓度则必须超过65%（体积分数）31在墨西哥，关于沼气和生物甲烷几乎没有任何专门监管，因其被视为等同于天然气，根据墨西哥标准32，CH 的最低含量4 生物甲烷中甲烷含量为84%vol，氧气最高含量为O2 允许体积含量为0.20%。
此外，在培养过程中，pH 对 CO2 去除的影响远大于液气比（L/G），因此在整个实验方法中，尤其是在沼气鼓泡过程中，维持适当的 pH 控制至关重要。需要明确的是，一旦 CO2 溶解于液体中，就会发生影响 pH 水平的化学平衡。在这些培养物所处的 pH 范围（8.5–9.5）内，该分子主要以碳酸氢盐形式存在，在 pH 范围较高的一端，碳酸盐含量略有增加33。在此形式下，微藻还可在光合作用的暗反应中代谢碳以生成碳水化合物34。沼气鼓泡的时间安排也十分重要，建议在白天进行鼓泡。然而，液气比（L/G）同样会影响 CO2 的去除和 pH，如图 5 所示。在液气比为 1.58 时，去除率和 pH 值的稳定性较差，且明显低于液气比为 1.64 时的记录值。这种现象可能是由于循环比中气体摄入量较高（气体越多，比值越小），导致 pH 下降速度加快。但也可以认为，液气比为 1.64 的初始 pH 更高，这有利于在此测试期间维持 CO2 去除效率的缓冲效应。本方案中通过调节鼓泡的沼气量来控制液气比（L/G），但其他方案可能通过改变循环液体流速来实现，这也是一种可行的选择。此外，由于夜间无光照提供，藻类代谢会导致培养液酸化，因此夜间无法进行沼气鼓泡。
另一种影响结果有效性的可变因素是间歇性空气鼓泡，该操作用于防止反应器中生物质的沉降，从而避免因氧气积累导致的生长抑制。然而，若采用此方法，这一现象则无法避免。替代空气鼓泡的方法是增加桨叶轮的数量，以增强反应器长度方向上的混合效果，这在其他实验中可能更为有效。另一方面，反应器的安装需要大面积的土地，同时在系统启动和维持过程中需消耗大量水资源，以获得合理的生物甲烷产率。
需要注意的是，该常规取样过程使用了生物量重量与吸光度的校准曲线（图9），其中数据之间的相关性接近1（0.9995）；尽管该方法可能并非基于先前关于同种藻类的文章，但其决定系数表明该方法具有可靠的统计学关联。此外，在此类方法学中，说明取样与收获的重要性尤为关键。取样有助于藻类培养物的正常维持，而收获则具有三重作用：首先，可避免因培养物过度密集导致氧气积累而引起的生长抑制35；其次，藻类生物量的回收可带来进一步的经济价值；最后，收获还提供了再次测量培养物生长趋势的机会。
然而，确定合适的收获时机（在本方案中由采样结果定义）也至关重要，因为这会降低反应器中的生物量。较低的生物量浓度会影响pH和CO2 去除作为一个循环过程：在不利的系统条件下（例如较低的pH值），生物质生长减缓，从而降低系统对CO的去除能力2 因为可代谢的生物量较少；溶解的CO₂更多2 会酸化培养基，并关闭循环36许多其他因素也会影响pH值和生物量增长，在此对因果关系的过度简化中不应忽视这些因素；氮的可利用性可能极为重要 Arthrospira maxima 藻类，以及温度和光照强度等气候条件16,36，这在本系统中无法控制。例如，如图所示添加尿素时 图 4，证明了氮元素以及较高的pH值能够使藻类系统趋于稳定。
该方法的其他局限性与采收效率有关，与取样相比，其采收效率约低50%，这限制了系统的经济可行性，并需要改进过滤技术。由于该部分实验方案中的干燥条件无法完全去除水分，导致采收重量结果被高估了6%（后续按照标准干重方法测定）。在生物量方面，由于方法学中水分未能完全去除，取样结果（包括标准曲线）至少被高估了5%19；然而，由于该误差属于系统性误差，建议仅通过热重分析来验证培养物中的含水量，从而对结果和标准曲线进行相应的分析校正。
披露
利益冲突。作者声明不存在利益冲突。
致谢
感谢 DGAPA UNAM 项目编号 IT100423 提供的部分经费支持。同时感谢 PROAN 和 GSI 允许我们分享其光合生物气提纯整套装置的技术经验。我们非常感谢 Pedro Pastor Hernández Guerrero、Carlos Martin Sigala、Juan Francisco Díaz Márquez、Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz、Roberto Sotero Briones Méndez 和 Daniel de los Cobos Vasconcelos 提供的技术支持。本研究的部分工作在具有 ISO 9001:2015 认证的墨西哥国立自治大学（IIUNAM）环境工程实验室完成。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1" 转子流量计 | CICLOTEC | N/A | |
| 1" 转子流量计 | GPI | A10-LMA100IA1 | |
| 吸收罐 | EFISA | 按先前设计制造 | |
| 空气鼓风机（2.35 HP） | Elmo Rietschle | 2BH11007AH01 | |
| 沼气鼓风机（2 HP） | Elmo Rietschle | 2BH11007AH01 | |
| 沼气成分检测仪 | Geotech | BIOGAS 5000 | |
| 数据采集装置 | LabJack Co. | U3-LV | |
| 曝气管 | Aero-Tube | C3060AR | |
| 溶解氧传感器 | Applisens | Z10023525 | |
| 十二水合磷酸三钠 | Quimica PIMA | N/A | 肥料级（用于温室及室外） |
| 十二水合磷酸三钠 | Fermont | 35963 | 分析纯（用于实验室内的培养） |
| Durapore 膜（45 µm） | MerckMillipore | HVLP04700 | |
| 电动机 1.5 HP | Weg | 00158ET3ERS56C | |
| 七水合硫酸亚铁 | Agroquimica Samet | N/A | 肥料级（用于温室及室外） |
| 七水合硫酸亚铁 | Fermont | 63593 | 分析纯（用于实验室内的培养） |
| 土工膜 | GEOSINCERE | N/A | |
| 七水合硫酸镁 | Tepeyac | N/A | 肥料级（用于温室及室外） |
| 七水合硫酸镁 | Fermont | 63623 | 分析纯（用于实验室内的培养） |
| 桨轮 | GSI | 按先前设计制造 | |
| pH 传感器 | Van London pHoenix | 715-772-0041 | |
| 便携式显示屏 | Rasspberry | Pi 3 B+ | |
| 循环离心泵（1.5 HP） | Aquapak | ALY 15 | |
| 碳酸氢钠 | Industria del alcali | N/A | 肥料级（用于温室及室外） |
| 碳酸氢钠 | Fermont | 12903 | 分析纯（用于实验室内的培养） |
| 氯化钠 | Sal Colima | N/A | 肥料级（用于温室及室外） |
| 氯化钠 | Fermont | 24912 | 分析纯（用于实验室内的培养） |
| 硝酸钠 | Vitraquim | N/A | 肥料级（用于温室及室外） |
| 硝酸钠 | Fermont | 41903 | 分析纯（用于实验室内的培养） |
| 存储程序（pH、DO） | Python Software Foundation | Python IDLE 2.7 | |
| Tedlar 气袋 | SKC Inc. | 232-25 | |
| 温度记录仪 | T&D | TR-52i | |
| 紫外-可见分光光度计 | ThermoFisher Scientific instrument | GENESYS 10S | |
| 真空泵 | EVAR | EV-40 |
参考文献
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