研究速遞 | 活性污泥類藻酸鹽物質(zhì)回收：潛力、性質(zhì)及限制因素
文章亮點：
▼活性污泥類藻酸鹽物質(zhì)（ALE）提取量介于90~190 mg/g VSS。
▼ ALE成分分析和性能表征結(jié)果顯示其具有替代市售藻酸鹽之潛力。
▼鐵作為還原性物質(zhì)具備降低氧化還原電位（ORP）進(jìn)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(zhì)含量與性質(zhì)取決于進(jìn)水基質(zhì)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(zhuǎn)化、提取高附加值產(chǎn)物回收方面。剩余污泥主要由細(xì)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(xì)胞自溶、細(xì)胞分泌物以及細(xì)胞表面脫落物等，主要成分為多糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)、腐殖質(zhì)和其它一些胞內(nèi)物質(zhì)；這些物質(zhì)通過靜電作用力、氫鍵結(jié)合、離子吸引力、生物化學(xué)作用等作用形成緊致高密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可作為微生物的保護(hù)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(dǎo)致具有不同的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，均具有較高的回收、利用潛力。
當(dāng)前對好氧顆粒污泥胞外結(jié)構(gòu)性EPS研究較多，其中，類藻酸鹽物質(zhì)（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(jié)構(gòu)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(yīng)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(dá)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(guān)好氧顆粒污泥ALE工程應(yīng)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(jī)內(nèi)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(guān)注EPS在污水/污泥處理過程所承擔(dān)的角色和所的發(fā)揮作用，很少重視EPS高值物質(zhì)回收與應(yīng)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(yīng)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(jì)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(jié)構(gòu)性EPS成分（ALE），確認(rèn)ALE產(chǎn)量以及純度，并與好氧顆粒污泥ALE提取物進(jìn)行橫向比較，以探究其提取潛力與應(yīng)用可能。通過表征活性污泥ALE成分與結(jié)構(gòu)，分析其物理和化學(xué)性質(zhì)，以研判與商業(yè)藻酸鹽性能相似性及差別。結(jié)合進(jìn)水負(fù)荷、營養(yǎng)基質(zhì)及微生物種屬等參數(shù)，歸納、總結(jié)影響ALE生成的過程影響因素，為試圖增產(chǎn)ALE提供技術(shù)策略。
實驗結(jié)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(dāng)。ALE提取物主要成分是多糖和蛋白類物質(zhì)，也包含一定量腐殖質(zhì)類物質(zhì)。藉FT-IR、3D-EEM、紫外-可見光掃描等手段分析ALE化學(xué)性質(zhì)表明，不同來源污泥ALE含量與性質(zhì)存在一定差異，但它們與市售藻酸鈉在化學(xué)結(jié)構(gòu)上存在>60%的相似度，其藻酸鈉當(dāng)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(zhì)也具有較好的替代市售藻酸鹽之潛力。
歸納污水進(jìn)水組分與運行工況，發(fā)現(xiàn)ALE生成與進(jìn)水負(fù)荷、營養(yǎng)基質(zhì)等存在明顯相關(guān)關(guān)系；進(jìn)水高SCOD和低C/N/P均會促進(jìn)ALE生成，其相關(guān)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(guān)鍵要素，ALE生成大都與硝化和反硝化過程有關(guān)。
文章最后指出，活性污泥ALE性質(zhì)雖可比擬顆粒污泥ALE物質(zhì)，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(zhì)前提下，改變進(jìn)水水質(zhì)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(zhì)回收具有重要意義。
重要結(jié)論
8個不同污水處理廠活性污泥類藻酸鹽物質(zhì)（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(dāng)。
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(xué)結(jié)構(gòu)上存在>60%的相似度。
ALE提取物的藻酸鈉當(dāng)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(zhì)，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(xué)性質(zhì)差異。
進(jìn)水負(fù)荷與營養(yǎng)基質(zhì)都會對活性污泥藻酸鹽生成產(chǎn)生影響，這主要與物質(zhì)降解和細(xì)胞新陳代謝有關(guān)。
污泥優(yōu)勢菌屬是影響藻酸鹽生成的關(guān)鍵要素，不同細(xì)菌種屬會表現(xiàn)為截然相反的作用，或促進(jìn)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(guān)。
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