【谷騰環保網訊】[文章亮點]

三種表面活(huo)性劑均能(neng)提(ti)高(gao)活(huo)性污泥類藻(zao)酸鹽(yan)物質（ALE）提(ti)取(qu)（12.4%→22.3%~28.2% VSS）

表面活性劑亦可(ke)提高提取(qu)物質藻酸鹽純(chun)度（50%→54%~70%）

Triton X-100促(cu)進效果最佳，CTAB和SDS次之

表(biao)面活性劑(ji)通(tong)過膠束作用促進污泥絮體和胞外聚合物(wu)釋放(fang)

相似(si)相溶(rong)和官能團吸附作用協助提高ALE物質(zhi)溶(rong)解

[圖形摘要]

[文章簡介]

類藻酸(suan)鹽（Alginate-like exopolysacides, ALE）作為一種(zhong)從剩余污泥胞外聚合物(wu)(wu)（EPS）中可回收(shou)的高(gao)(gao)附加值產(chan)品備受關注。之前實驗(yan)已(yi)經探明(ming)普(pu)通活(huo)性污泥（CAS）ALE提取(qu)量介于90~190 mg/g VSS；其(qi)含(han)量雖然尚可，但與(yu)好氧顆(ke)粒污泥（AGS）ALE提取(qu)量（16%~31% SS）相比，仍然只是其(qi)含(han)量下限(xian)（見2021年10月(yue)1日公眾號文章(zhang)《研究速遞|活(huo)性污泥類藻酸(suan)鹽物(wu)(wu)質回收(shou)：潛(qian)力、性質及限(xian)制因素(su)》（點擊(ji)進入））。分析原因可知，CAS中ALE含(han)量或(huo)(huo)提取(qu)量較低主要受限(xian)于絮凝體本底值較低或(huo)(huo)提取(qu)方(fang)法(fa)效率不高(gao)(gao)兩方(fang)面因素(su)。

初步實驗已(yi)探明不同進水水質（不同碳(tan)源(yuan)、污(wu)泥負荷、C/N比）與運(yun)行參數（溫(wen)度(du)和SRT）對ALE本底值存在一(yi)定程度(du)影(ying)(ying)響；除淀粉(fen)碳(tan)源(yuan)和低(di)溫(wen)環境(jing)培養污(wu)泥ALE增產效果明顯外(wai)，其它因(yin)素(su)影(ying)(ying)響并(bing)不明顯（見(jian)(jian)2022年3月18日(ri)公眾號文章《原創研(yan)究(jiu)|活(huo)性(xing)污(wu)泥EPS中類(lei)藻酸鹽物(wu)質形成(cheng)控制因(yin)素(su)》（點擊進入））。考(kao)慮實際市政污(wu)水處(chu)理廠(chang)進水碳(tan)源(yuan)種類(lei)雖繁(fan)多但成(cheng)分基(ji)本穩(wen)定、且污(wu)水低(di)溫(wen)環境(jing)并(bing)非常態，所以，通過(guo)控制運(yun)行工況達到提高ALE產量(liang)的目的顯然難以奏效。可(ke)見(jian)(jian)，似乎只能(neng)從(cong)優(you)化(hua)提取方法角度(du)嘗試，基(ji)于ALE本底含量(liang)基(ji)本固定前提，通過(guo)提高提取效率來盡可(ke)能(neng)增加ALE提取量(liang)。

典型(xing)污(wu)泥EPS提(ti)(ti)取(qu)(qu)方法(fa)(fa)包括物(wu)理(li)法(fa)(fa)、化學法(fa)(fa)以(yi)及二者組合方法(fa)(fa)。其(qi)中(zhong)，物(wu)理(li)法(fa)(fa)相對溫和，但(dan)提(ti)(ti)取(qu)(qu)效率(lv)(lv)較(jiao)低；化學法(fa)(fa)效率(lv)(lv)雖較(jiao)高(gao)(gao)，但(dan)可能(neng)改變EPS組分性(xing)能(neng)，導致提(ti)(ti)取(qu)(qu)物(wu)純(chun)(chun)度降低。研究發現，這些優(you)(you)化方法(fa)(fa)固然可以(yi)一定程度提(ti)(ti)高(gao)(gao)EPS提(ti)(ti)取(qu)(qu)產量(liang)，但(dan)優(you)(you)化過程所(suo)采用的高(gao)(gao)功率(lv)(lv)、長時(shi)耗(hao)、高(gao)(gao)轉速等手(shou)(shou)段意味著高(gao)(gao)能(neng)耗(hao)和高(gao)(gao)成本(ben)。早期研究通過借鑒海(hai)藻酸鹽提(ti)(ti)取(qu)(qu)方法(fa)(fa)，采用高(gao)(gao)溫碳酸鈉以(yi)及酸析出(chu)、有機萃(cui)取(qu)(qu)方法(fa)(fa)成功從AGS中(zhong)提(ti)(ti)取(qu)(qu)、純(chun)(chun)化得到ALE物(wu)質(zhi)。然而，這種方法(fa)(fa)對于(yu)顆粒(li)污(wu)泥奏效，卻在提(ti)(ti)取(qu)(qu)CAS中(zhong)ALE時(shi)存在提(ti)(ti)取(qu)(qu)效率(lv)(lv)不高(gao)(gao)的缺(que)點。因此(ci)，有必要需要尋找有效手(shou)(shou)段對其(qi)進行優(you)(you)化。

文獻綜述發(fa)現(xian)，表面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)在CAS剩(sheng)余污泥EPS高(gao)值產(chan)(chan)物(wu)ALE提(ti)取(qu)方(fang)面(mian)似乎有(you)明顯作(zuo)用。為此(ci)，本研(yan)究以表面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)作(zuo)為研(yan)究目標(biao)，分別探究不同表面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)，如，陰離子型十二烷(wan)基硫酸鈉（SDS）、陽離子型十六烷(wan)基三(san)甲基溴化(hua)銨法（CTAB）和(he)非離子型辛基苯基聚氧(yang)乙(yi)烯醚（Triton X-100）對(dui)CAS污泥EPS中ALE的(de)強化(hua)提(ti)取(qu)效果，并確定(ding)適宜表面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)種類及投加濃(nong)度。與(yu)此(ci)同時(shi)，對(dui)提(ti)取(qu)物(wu)進行組分表征，分析ALE提(ti)取(qu)量增加與(yu)純化(hua)過程機(ji)理(li)，為CAS污泥高(gao)值產(chan)(chan)物(wu)ALE高(gao)效提(ti)取(qu)、回收奠(dian)定(ding)實驗與(yu)理(li)論基礎。該成果已發(fa)表于《Science of The Total Environment》雜(za)志（一區SCI，IF=7.936）。

[主要結果]

表面活性劑強化CAS污泥ALE提(ti)取量(liang)(liang)(liang)(liang)具(ju)有較明顯效(xiao)果，當SDS=3 g/L時，ALE提(ti)取物產量(liang)(liang)(liang)(liang)增(zeng)加132%，達(da)287.7 mg/g VSS，對應(ying)純度(du)70%；CTAB=0.8 g/L時提(ti)取量(liang)(liang)(liang)(liang)達(da)最大值281.9 mg/g VSS，增(zeng)量(liang)(liang)(liang)(liang)效(xiao)果達(da)127%，對應(ying)純度(du)54%；Triton X-100=1.25 mL/L時提(ti)取量(liang)(liang)(liang)(liang)達(da)250.6 mg/g VSS，增(zeng)量(liang)(liang)(liang)(liang)效(xiao)果達(da)102%，對應(ying)純度(du)63%。

總之，經表(biao)面活性劑(ji)優化提取(qu)(qu)(qu)ALE，提取(qu)(qu)(qu)量(liang)從初始12%可(ke)提升至(zhi)(zhi)25%~28%，最佳投加(jia)效果順序為(wei)：0.04 g/g TS(Triton X-100)< 0.06 g/g TS(CTAB)< 0.19 g/g TS(SDS)。此外，實(shi)驗還(huan)發現，利用SDS和Triton X-100作為(wei)添加(jia)物還(huan)可(ke)以(yi)提高ALE提取(qu)(qu)(qu)物純(chun)度(du)(du)，由初始約50%藻酸鹽純(chun)度(du)(du)（500 mg/g ALE）提高至(zhi)(zhi)近70%。

[機理分析]

增溶分散

研究(jiu)表明，超過(guo)或低于表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)劑(ji)(ji)臨界膠束濃度(du)（CMC），可以(yi)提(ti)(ti)高疏水性(xing)物(wu)質溶(rong)解度(du)。ALE在EPS結構中多(duo)以(yi)不溶(rong)性(xing)藻(zao)酸鈣存在，表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)劑(ji)(ji)添(tian)加后可能導致其從(cong)污(wu)泥絮體上脫落溶(rong)解至液(ye)相，增大了Na+（來自(zi)添(tian)加Na2CO3）與Ca2+交換幾率，致較多(duo)ALE被分離提(ti)(ti)取。另一方面(mian)(mian)(mian)，對ALE主要(yao)成(cheng)分多(duo)糖和蛋白(bai)質而言(yan)，表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)劑(ji)(ji)存在也會促進溶(rong)解細胞絮體及胞外(wai)結構蛋白(bai)和功能性(xing)物(wu)質，從(cong)而使提(ti)(ti)高ALE提(ti)(ti)取物(wu)量(liang)。

基團結合

表面活性劑(ji)通常由可(ke)完全溶解于水(shui)(shui)中(zhong)的親水(shui)(shui)基(ji)團(tuan)(tuan)和不易溶于水(shui)(shui)的疏水(shui)(shui)基(ji)團(tuan)(tuan)組成，它們會(hui)通過(guo)靜電引力、氫鍵作(zuo)用(yong)和疏水(shui)(shui)間作(zuo)用(yong)力與(yu)ALE中(zhong)各類基(ji)團(tuan)(tuan)或(huo)污泥絮體(ti)基(ji)團(tuan)(tuan)結(jie)合，占(zhan)據吸附位點，使ALE從(cong)細胞絮體(ti)上(shang)脫落進入溶液體(ti)系，增加與(yu)溶液中(zhong)Na+結(jie)合機(ji)會(hui)，從(cong)而提高不溶態藻(zao)酸鈣向溶解態藻(zao)酸鈉轉(zhuan)化(hua)效率。這種結(jie)合變化(hua)通過(guo)ALE提取物(wu)官能(neng)團(tuan)(tuan)變化(hua)情況來(lai)證明。

基(ji)團(tuan)結(jie)合(he)角度也是不同(tong)表(biao)面活性劑(ji)強化提取效(xiao)果(guo)差異(yi)原因。3種(zhong)表(biao)面活性劑(ji)最大(da)不同(tong)之處是尾(wei)部(bu)連(lian)接(jie)基(ji)團(tuan)不同(tong)；SDS尾(wei)部(bu)連(lian)接(jie)硫(liu)酸鹽(yan)(yan)基(ji)團(tuan)，能夠破壞EPS之間的(de)非共(gong)價鍵(jian)，與(yu)具有特殊官能團(tuan)物質(zhi)結(jie)合(he)，使其與(yu)細胞(bao)絮體(ti)脫離進入液相(xiang)；CTAB尾(wei)部(bu)連(lian)接(jie)的(de)是季氨鹽(yan)(yan)類(lei)表(biao)面活性劑(ji)，它們可(ke)與(yu)蛋(dan)白質(zhi)和大(da)多數酸性多聚(ju)糖(tang)（成(cheng)(cheng)分與(yu)類(lei)藻酸鹽(yan)(yan)物質(zhi)或(huo)淀粉樣蛋(dan)白質(zhi)完全(quan)不同(tong)，主要是由O-甲基(ji)葡萄糖(tang)和半乳糖(tang)作為單體(ti)組成(cheng)(cheng)的(de)聚(ju)合(he)物）以外的(de)多聚(ju)糖(tang)形(xing)成(cheng)(cheng)復合(he)物。

Triton X-100是非離子型表面(mian)活性劑，其吸(xi)附結合(he)能(neng)力較弱，但其可以(yi)破壞(huai)脂質雙(shuang)分子層，溶解、破壞(huai)分子間(jian)吸(xi)附結合(he)的(de)大部分蛋(dan)白(bai)；對蛋(dan)白(bai)的(de)破壞(huai)作用可導致污(wu)泥絮體解體，胞外聚合(he)物完全游離釋放(fang)，實現提取量增加(jia)。

[重要結論]

1）SDS（3.0 g/L）、CTAB（0.8 g/L）和Triton X-100（1.25 mL/L）分(fen)別為各自最佳(jia)添(tian)加濃度(du)，提(ti)取量分(fen)別由(you)124.1 mg/g VSS提(ti)高至222.8、281.9和250.6 mg/g VSS；促進效(xiao)率為79.5%、127.2%和102.0%，對應藻酸鹽(yan)純(chun)度(du)由(you)50%提(ti)高至70%、54%和63%；

2）以(yi)污泥干(gan)重計(ji)，達到相同提取量效果（ALE=25%~28% VSS），表面(mian)活性劑用量不同：0.04 g/g TS(Triton X-100)< 0.06 g/g TS(CTAB)< 0.19 g/g TS(SDS)；

3）表面(mian)活性劑(ji)可(ke)以通過(guo)形成膠(jiao)束(shu)增溶作用促進(jin)污泥絮體物質(zhi)從結合細(xi)胞表面(mian)剝(bo)落而(er)進(jin)入液相，從而(er)被提取回(hui)收，其中，Triton X-100膠(jiao)束(shu)濃度最低，增量效果最佳；

4）SDS、CTAB和Triton X-100與藻酸鹽結構相(xiang)似相(xiang)溶(rong)作(zuo)用(yong)可(ke)進(jin)一步增加ALE提取量，其中，Triton X-100也可(ke)以(yi)通過相(xiang)似相(xiang)溶(rong)作(zuo)用(yong)實(shi)現物質純(chun)化；

5）基團結(jie)合(he)作(zuo)用(yong)亦可(ke)實(shi)現ALE提取量(liang)增(zeng)加和純(chun)化(hua)作(zuo)用(yong)，且(qie)這(zhe)種作(zuo)用(yong)因不同(tong)(tong)表面活(huo)性(xing)劑基團結(jie)構不同(tong)(tong)所導(dao)致的增(zeng)產與純(chun)化(hua)效(xiao)果存在明顯差異。

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