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

2023-05-18 09:55:57

摘要：

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。