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在畜牧业废水处理面临难题之际，研究人员开展微藻基废水处理系统的后果型生命周期评估（CLCA）研究。对比三种预处理场景，发现离心和 UV 辐射预处理的场景环境效益最佳。该研究为可持续畜牧业及循环生物经济提供方向。
畜牧业在全球占据大量资源的同时，产生了巨量有机废弃物。其中，畜牧业废水（LW）若处理不当，会对环境造成严重污染，威胁水资源安全和公众健康。在墨西哥，畜牧业是国民经济的重要支柱，特别是养牛业，墨西哥作为世界第七大牛肉生产国，2023 年全国生产了 710 万吨畜牧相关产品，哈利斯科州贡献突出，占全国产量的 33%。
在这样的背景下，微藻和蓝藻培养技术为处理富含营养的废水提供了新方向。像小球藻（Chlorella）和螺旋藻（Arthrospira）这类光合微生物，不仅能代谢农业工业废水中的营养物质，生产有价值的生物质，还能降低废水的有机负荷，减少环境污染。此外，它们还能产生酚类化合物、脂肪酸、维生素等代谢产物。例如，在消化后的 LW（DLW）中生长的小球藻，可作为动物饲料、脂质来源，甚至用于生产生物柴油。
然而，在实际应用中，利用微藻处理 DLW 面临诸多挑战。一方面，不同来源的废水成分差异大，其浊度、化学污染物和矿物质含量的波动，会影响微藻的生长环境；另一方面，废水中的原生微生物群落会与微藻竞争，抑制其生长。同时，尽管絮凝、过滤、热灭菌等预处理技术可优化 DLW 的处理条件，但将这些实验室技术放大到工业规模时，面临资源、空间和能源管理等方面的难题。而且，此前关于微藻处理畜牧业废水的研究存在局限性，要么局限于小规模系统，缺乏对多种预处理方法和生物肥料应用的详细比较；要么基于实验数据，未提出规模化的方法。
为了解决这些问题，来自蒙特雷科技大学瓜达拉哈拉校区（Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Guadalajara）的研究人员开展了一项全面的研究。他们对位于墨西哥哈利斯科州一个畜牧生产集群的微藻基畜牧业废水处理系统进行了后果型生命周期评估（CLCA）。该研究选择 CLCA 方法，是为了全面考量生物肥料替代带来的各种变化。研究人员借助工业流程模拟软件 SuperPro Designer，设计了大规模微藻生产工厂的概念模型，并评估了离心、生物絮凝和 UV 辐射等多种可扩展的预处理方案，旨在提高微藻生物量产量，优化营养物质回收。这项研究成果发表在《Algal Research》上，为可持续农业实践和循环生物经济发展提供了重要参考。
研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。首先，使用 SuperPro Designer v13.03.2005 对微藻培养和收获的三种场景进行流程模拟。该软件能依据流量对工业流程和设备进行评估与缩放，有助于预测大规模微藻培养所需的设备和材料。其次，运用 SimaPro 9.7 软件评估不同场景下的环境性能，量化各种环境影响指标，如全球变暖潜势、细颗粒物排放和耗水量等。
不同场景质量平衡比较
研究人员模拟了三种微藻培养和收获场景。场景 A 中，厌氧消化（AD）产生的消化液直接进入微藻养殖池；场景 B 和 C 则对消化液进行预处理，以降低有机和微生物负荷，提高微藻产量。场景 B 采用生物絮凝后再进行 UV 辐射的预处理方式，场景 C 采用离心和 UV 辐射的预处理方式。通过对三种场景的质量平衡模拟，研究人员发现，场景 A 由于没有预处理，处理后的水中污染物浓度高于场景 B 和 C，且不符合官方规定的水排放允许限值。
不同场景环境影响评估
研究人员利用 SimaPro 9.7 评估环境影响，结果显示，场景 C 在多个影响类别中表现出更优的环境性能。场景 C 的全球变暖潜势最低，每生产 1 吨干微藻仅产生 8129 kg CO?-eq（从畜牧生产到干微藻生物质生产的所有阶段）；细颗粒物形成量也有所降低，为 38.55 kg PM?.?-eq；耗水量更少，仅为 114.29 m3。这主要得益于场景 C 中较少使用壳聚糖，相比其他场景，减少了相关的环境影响。
敏感性分析结果
敏感性分析表明，微藻产量和生物肥料施用率对环境影响有显著影响。当生物肥料施用率增加 20% 时，全球变暖潜势可进一步降低 27.68%。这意味着合理调整生物肥料的使用量，能在减少温室气体排放方面发挥重要作用。
研究通过对微藻基畜牧业废水处理系统的 CLCA 评估，得出场景 C（离心和 UV 辐射预处理）在环境性能方面表现最佳的结论。该研究为大规模微藻基废水处理系统的可行性提供了有力证据，证明其在环境和经济上具有潜在优势。这不仅为可持续畜牧业实践开辟了新途径，还推动了农业领域循环生物经济的发展，有助于实现畜牧业废弃物的高效转化，减少环境污染，促进资源的循环利用。
在研究过程中，虽然研究人员取得了重要成果，但也存在一定局限性。由于国家数据集的限制，研究仅关注了用于屠宰的牛和用于肉类生产的家禽，未涵盖奶牛和蛋鸡。此外，微藻生产过程的规模化是基于实验数据和模拟，实际大规模生产可能因操作挑战而与模拟结果存在偏差。尽管如此，该研究仍为后续研究指明了方向，未来研究可进一步完善数据集，探索实际大规模生产中的优化策略，以更好地实现微藻基废水处理系统的环境和经济效益。
