研究速递 | 活性污泥类藻酸盐物质回收：潜力、性质及限制因素
文章亮点：
▼活性污泥类藻酸盐物质（ALE）提取量介于90~190 mg/g VSS。
▼ ALE成分分析和性能表征结果显示其具有替代市售藻酸盐之潜力。
▼铁作为还原性物质具备降低氧化还原电位（ORP）进而改变酸化类型、实现甲烷增产的潜力。
▼活性污泥ALE物质含量与性质取决于进水基质及营养物浓度。
▼优势菌属乃影响活性污泥ALE生成的主要因素。
文章简介
污水资源化已成为污水处理可持续发展的一个重要方向，而剩余污泥在这一框架下显得也不再多余，特别是在转化、提取高附加值产物回收方面。剩余污泥主要由细胞体和胞外聚合物（EPS）两大部分组成。其中，EPS约占污泥干重的10%~40%，它们通常来自于微生物细胞自溶、细胞分泌物以及细胞表面脱落物等，主要成分为多糖、蛋白质、核酸、脂质、腐殖质和其它一些胞内物质；这些物质通过静电作用力、氢键结合、离子吸引力、生物化学作用等作用形成紧致高密的网状结构，可作为微生物的保护层，抵御外部重金属和有毒化合物等侵袭。EPS成分不同组合方式导致具有不同的复杂结构，均具有较高的回收、利用潜力。
当前对好氧颗粒污泥胞外结构性EPS研究较多，其中，类藻酸盐物质（Alginate-like exopolysacides，ALE）具有极高的回收价值。它是一种极好的商业藻酸盐替代物，其特殊结构可用作各类防水/防火材料、增稠剂、乳化剂、稳定剂、粘合剂、上浆剂等，可广泛应用于饲料、医药、纺织、印染、造纸、日化等行业。好氧颗粒污泥ALE含量较高，有人借鉴酸凝酸化法获得ALE提取量达35.1±1.9%SS；也有人优化提取获得普通活性污泥与好氧颗粒污泥中ALE，含量分别为7.2±0.6%VSS与16±0.4%VSS。有关好氧颗粒污泥ALE工程应用也取得一定突破，好氧颗粒污泥ALE用作表面材料的性能已被分析；ALE防火性能符合美国联邦航空条例（FAR）飞机内部阻燃材料阻燃要求。虽然普通活性污泥EPS性能略逊色于好氧颗粒污泥，但其亦可媲美、甚至替代市场现有大部分阻燃剂。
有别于好氧颗粒污泥EPS热点，对普通活性污泥研究则更多关注EPS在污水/污泥处理过程所承担的角色和所的发挥作用，很少重视EPS高值物质回收与应用。有研究表明，普通活性污泥EPS回收潜力与颗粒污泥相比较低，提取回收量仅不到后者的一半。然而，普通活性污泥量大、面广，与有限应用的好氧颗粒污泥形成鲜明对比。例如，中国2019年剩余污泥产量已超过6 000万t/a（含水率80%）。因此，在以活性污泥法为主流工艺的今天，针对剩余污泥高值EPS提取、回收的研究似乎显得必要，整体经济效益不容小觑。
基于中国不同地区8个污水处理厂剩余污泥，采用高温碳酸钠方法提取结构性EPS成分（ALE），确认ALE产量以及纯度，并与好氧颗粒污泥ALE提取物进行横向比较，以探究其提取潜力与应用可能。通过表征活性污泥ALE成分与结构，分析其物理和化学性质，以研判与商业藻酸盐性能相似性及差别。结合进水负荷、营养基质及微生物种属等参数，归纳、总结影响ALE生成的过程影响因素，为试图增产ALE提供技术策略。
实验结果显示，不同来源活性污泥ALE提取量介于90~190 mg/g VSS，与好氧颗粒污泥ALE提取量下限（200~350 mg/g VSS）相当。ALE提取物主要成分是多糖和蛋白类物质，也包含一定量腐殖质类物质。藉FT-IR、3D-EEM、紫外-可见光扫描等手段分析ALE化学性质表明，不同来源污泥ALE含量与性质存在一定差异，但它们与市售藻酸钠在化学结构上存在>60%的相似度，其藻酸钠当量>400 mg/g ALE；ALE片段GG和MG含量分别为20%~30%和8%~28%，且表现出良好的凝胶特性。这些特征都意味着活性污泥ALE物质也具有较好的替代市售藻酸盐之潜力。
归纳污水进水组分与运行工况，发现ALE生成与进水负荷、营养基质等存在明显相关关系；进水高SCOD和低C/N/P均会促进ALE生成，其相关系数R2=0.64（与SCOD）、R2=-0.71（与C/N比）和R2=-0.72（与C/P比）。微生物分析显示，污泥优势菌属是影响藻酸盐生成的关键要素，ALE生成大都与硝化和反硝化过程有关。
文章最后指出，活性污泥ALE性质虽可比拟颗粒污泥ALE物质，但提取量仅为后者下限。因此，探究ALE在活性污泥中生成提高之策略，包括保证不影响出水水质前提下，改变进水水质和优化运行条件等手段对提高活性污泥胞外聚合物高值物质回收具有重要意义。
重要结论
8个不同污水处理厂活性污泥类藻酸盐物质（ALE）提取量介于90~190 mg/g VSS，与好氧颗粒污泥ALE提取量下限相当。
活性污泥ALE提取物成分分析显示，它们与市售藻酸钠在化学结构上存在>60%的相似度。
ALE提取物的藻酸钠当量>400 mg/g ALE，片段G和M总量介于40%~60%，且其表现出良好的凝胶特性，暗示着活性污泥ALE具有替代市售藻酸盐之潜力。
活性污泥ALE提取物组分分析表明，它们的主要成分为多糖与蛋白物质，但不同污泥提取物组分相对含量不尽相同，亦表现出不同的化学性质差异。
进水负荷与营养基质都会对活性污泥藻酸盐生成产生影响，这主要与物质降解和细胞新陈代谢有关。
污泥优势菌属是影响藻酸盐生成的关键要素，不同细菌种属会表现为截然相反的作用，或促进ALE生成或抑制其生成，且ALE生成大都与硝化和反硝化过程有关。
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