研究速遞 | 活性污泥類藻酸鹽物質回收：潛力、性質及限制因素
文章亮點：
▼活性污泥類藻酸鹽物質（ALE）提取量介于90~190 mg/g VSS。
▼ ALE成分分析和性能表征結果顯示其具有替代市售藻酸鹽之潛力。
▼鐵作為還原性物質具備降低氧化還原電位（ORP）進而改變酸化類型、實現(xiàn)甲烷增產(chǎn)的潛力。
▼活性污泥ALE物質含量與性質取決于進水基質及營養(yǎng)物濃度。
▼優(yōu)勢菌屬乃影響活性污泥ALE生成的主要因素。
文章簡介
污水資源化已成為污水處理可持續(xù)發(fā)展的一個重要方向，而剩余污泥在這一框架下顯得也不再多余，特別是在轉化、提取高附加值產(chǎn)物回收方面。剩余污泥主要由細胞體和胞外聚合物（EPS）兩大部分組成。其中，EPS約占污泥干重的10%~40%，它們通常來自于微生物細胞自溶、細胞分泌物以及細胞表面脫落物等，主要成分為多糖、蛋白質、核酸、脂質、腐殖質和其它一些胞內物質；這些物質通過靜電作用力、氫鍵結合、離子吸引力、生物化學作用等作用形成緊致高密的網(wǎng)狀結構，可作為微生物的保護層，抵御外部重金屬和有毒化合物等侵襲。EPS成分不同組合方式導致具有不同的復雜結構，均具有較高的回收、利用潛力。
當前對好氧顆粒污泥胞外結構性EPS研究較多，其中，類藻酸鹽物質（Alginate-like exopolysacides，ALE）具有極高的回收價值。它是一種極好的商業(yè)藻酸鹽替代物，其特殊結構可用作各類防水/防火材料、增稠劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、粘合劑、上漿劑等，可廣泛應用于飼料、醫(yī)藥、紡織、印染、造紙、日化等行業(yè)。好氧顆粒污泥ALE含量較高，有人借鑒酸凝酸化法獲得ALE提取量達35.1±1.9%SS；也有人優(yōu)化提取獲得普通活性污泥與好氧顆粒污泥中ALE，含量分別為7.2±0.6%VSS與16±0.4%VSS。有關好氧顆粒污泥ALE工程應用也取得一定突破，好氧顆粒污泥ALE用作表面材料的性能已被分析；ALE防火性能符合美國聯(lián)邦航空條例（FAR）飛機內部阻燃材料阻燃要求。雖然普通活性污泥EPS性能略遜色于好氧顆粒污泥，但其亦可媲美、甚至替代市場現(xiàn)有大部分阻燃劑。
有別于好氧顆粒污泥EPS熱點，對普通活性污泥研究則更多關注EPS在污水/污泥處理過程所承擔的角色和所的發(fā)揮作用，很少重視EPS高值物質回收與應用。有研究表明，普通活性污泥EPS回收潛力與顆粒污泥相比較低，提取回收量僅不到后者的一半。然而，普通活性污泥量大、面廣，與有限應用的好氧顆粒污泥形成鮮明對比。例如，中國2019年剩余污泥產(chǎn)量已超過6 000萬t/a（含水率80%）。因此，在以活性污泥法為主流工藝的今天，針對剩余污泥高值EPS提取、回收的研究似乎顯得必要，整體經(jīng)濟效益不容小覷。
基于中國不同地區(qū)8個污水處理廠剩余污泥，采用高溫碳酸鈉方法提取結構性EPS成分（ALE），確認ALE產(chǎn)量以及純度，并與好氧顆粒污泥ALE提取物進行橫向比較，以探究其提取潛力與應用可能。通過表征活性污泥ALE成分與結構，分析其物理和化學性質，以研判與商業(yè)藻酸鹽性能相似性及差別。結合進水負荷、營養(yǎng)基質及微生物種屬等參數(shù)，歸納、總結影響ALE生成的過程影響因素，為試圖增產(chǎn)ALE提供技術策略。
實驗結果顯示，不同來源活性污泥ALE提取量介于90~190 mg/g VSS，與好氧顆粒污泥ALE提取量下限（200~350 mg/g VSS）相當。ALE提取物主要成分是多糖和蛋白類物質，也包含一定量腐殖質類物質。藉FT-IR、3D-EEM、紫外-可見光掃描等手段分析ALE化學性質表明，不同來源污泥ALE含量與性質存在一定差異，但它們與市售藻酸鈉在化學結構上存在>60%的相似度，其藻酸鈉當量>400 mg/g ALE；ALE片段GG和MG含量分別為20%~30%和8%~28%，且表現(xiàn)出良好的凝膠特性。這些特征都意味著活性污泥ALE物質也具有較好的替代市售藻酸鹽之潛力。
歸納污水進水組分與運行工況，發(fā)現(xiàn)ALE生成與進水負荷、營養(yǎng)基質等存在明顯相關關系；進水高SCOD和低C/N/P均會促進ALE生成，其相關系數(shù)R2=0.64（與SCOD）、R2=-0.71（與C/N比）和R2=-0.72（與C/P比）。微生物分析顯示，污泥優(yōu)勢菌屬是影響藻酸鹽生成的關鍵要素，ALE生成大都與硝化和反硝化過程有關。
文章最后指出，活性污泥ALE性質雖可比擬顆粒污泥ALE物質，但提取量僅為后者下限。因此，探究ALE在活性污泥中生成提高之策略，包括保證不影響出水水質前提下，改變進水水質和優(yōu)化運行條件等手段對提高活性污泥胞外聚合物高值物質回收具有重要意義。
重要結論
8個不同污水處理廠活性污泥類藻酸鹽物質（ALE）提取量介于90~190 mg/g VSS，與好氧顆粒污泥ALE提取量下限相當。
活性污泥ALE提取物成分分析顯示，它們與市售藻酸鈉在化學結構上存在>60%的相似度。
ALE提取物的藻酸鈉當量>400 mg/g ALE，片段G和M總量介于40%~60%，且其表現(xiàn)出良好的凝膠特性，暗示著活性污泥ALE具有替代市售藻酸鹽之潛力。
活性污泥ALE提取物組分分析表明，它們的主要成分為多糖與蛋白物質，但不同污泥提取物組分相對含量不盡相同，亦表現(xiàn)出不同的化學性質差異。
進水負荷與營養(yǎng)基質都會對活性污泥藻酸鹽生成產(chǎn)生影響，這主要與物質降解和細胞新陳代謝有關。
污泥優(yōu)勢菌屬是影響藻酸鹽生成的關鍵要素，不同細菌種屬會表現(xiàn)為截然相反的作用，或促進ALE生成或抑制其生成，且ALE生成大都與硝化和反硝化過程有關。
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