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

2023-05-18 09:55:57

摘要：

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、實現甲烷增產的潛力。

▼活性污泥ALE物質含量與性質取決于進水基質及營養物濃度。

▼優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發展的一個重要方向，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、穩定劑、粘合劑、上漿劑等，可廣泛應用于飼料、醫藥、紡織、印染、造紙、日化等行業。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，整體經濟效益不容小覷。

基于中國不同地區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，以研判與商業藻酸鹽性能相似性及差別。結合進水負荷、營養基質及微生物種屬等參數，歸納、總結影響ALE生成的過程影響因素，為試圖增產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，發現ALE生成與進水負荷、營養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。