李 沛，萬俊鋒，2，馬逸飛，黃陳明慧，吳 波，2

（1.鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001；2.河南省環(huán)境與資源國際聯(lián)合實驗室，河南鄭州 450001）

在過去的30 a 內(nèi)，我國城市污水處理取得了巨大成就，污水排放標準已然向世界看齊。隨著污水處理技術(shù)的發(fā)展，單一的對污染物的去除已經(jīng)不是我國城市污水處理廠的唯一目標，“概念水廠”、“未來水廠”的提出已經(jīng)驅(qū)動舊污水處理廠向自給自足的污水處理廠甚至是資源、能源工廠轉(zhuǎn)變。在污水處理廠技術(shù)變革的同時，關(guān)于污泥資源化的研究愈發(fā)聚焦于新技術(shù)、新途徑、新產(chǎn)品。

自1991年好氧顆粒污泥（Aerobic granular sludge，AGS）首次被發(fā)現(xiàn)以來，圍繞AGS 技術(shù)相關(guān)機理和應(yīng)用展開的研究層出不窮，而AGS 的資源化是其中一個極具潛力的研究方向。L. D. A. PURBA 等〔1〕以文獻計量學(xué)方法分析了AGS 未來的研究趨勢，發(fā)現(xiàn)AGS 的發(fā)展開始聚焦于AGS 處理難降解物質(zhì)和資源化方面的研究。類藻酸鹽胞外多糖（Alginatelike exopolysaccharides，ALE）這類從AGS 中提取出的胞外聚合物基于其與海藻酸鹽相似的性質(zhì)及可以形成水凝膠的特性，結(jié)合其應(yīng)用范圍的廣泛性，被認為是AGS 中最具價值的可回收資源之一。本研究對2013—2022 年發(fā)表的關(guān)于AGS 資源化以及資源化中與ALE 相關(guān)的文章數(shù)量進行了統(tǒng)計，結(jié)果如圖1 所示，關(guān)于AGS 資源化的實驗研究數(shù)量仍在逐步增加，且其中關(guān)于ALE 的研究也逐漸深入。

圖1 2013—2022 年發(fā)表的關(guān)于AGS 資源化及其中與ALE 相關(guān)的文章數(shù)量Fig.1 Numbers of articles published from 2013 to 2022 on the resource utilization of aerobic granular sludge and its relevance to ALE

筆者結(jié)合課題組已有相關(guān)研究與文獻報道，通過對ALE 提取回收技術(shù)和應(yīng)用前景的分析，總結(jié)了影響ALE 產(chǎn)量的相關(guān)因素，在圍繞同步回收ALE 和其他AGS 資源化過程中產(chǎn)物進行分析的同時，明確在以AGS 工藝為基礎(chǔ)的污水處理過程中，ALE 這類高附加值產(chǎn)物在AGS 資源化研究中所處的地位。

1 好氧顆粒污泥形成機理

根據(jù)2004 年在德國慕尼黑召開的IWA 國際水協(xié)第一屆好氧顆粒污泥會議，研究者們普遍認為，AGS 的顆粒是一種微生物的聚集體，其在較低的水力剪切力下不會凝結(jié)，沉降速度明顯高于活性污泥。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，AGS 系統(tǒng)具有微生物濃度高、處理效率高、沉淀性好、抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點〔2〕。

迄今為止，AGS 的形成機理仍存在多種假說，包括自凝聚假說、晶核假說、絲狀菌假說、胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）假說等，這些假說從不同的認知角度闡述了AGS 的形成過程〔3〕。圖2 綜合上述各種假說，在表述AGS 形成機理過程的同時簡單介紹了其細胞外生物材料的分布和作用，一般認為活性污泥絮體初期首先通過自凝聚形成絲狀菌骨架，之后以選擇壓作為顆粒污泥形成的驅(qū)動力，通過控制水力剪切力、進水模式、污泥沉降速度并刺激分泌EPS 來促進微生物群體生長和顆粒污泥形成。

圖2 AGS 形成機理及其細胞外生物材料的分布和作用Fig.2 Formation mechanism of AGS，and distribution and function of extracellular biomaterials

在對EPS 假說的研究過程中，研究者們發(fā)現(xiàn)，微生物細胞的疏水性很大程度上與EPS 中蛋白質(zhì)的分泌有關(guān)，而微生物細胞的黏度很大程度上與EPS 中多糖的分泌有關(guān)，高疏水性有利于微生物的聚集，而高黏度可以提高污泥之間的黏附強度〔4〕。自2007 年EPS 和細胞在AGS 中的分布首次被描述之后，通過對EPS 中結(jié)構(gòu)性EPS 組分的研究發(fā)現(xiàn)EPS 中的部分物質(zhì)具有形成凝膠的能力，而這部分物質(zhì)因其獨特的性質(zhì)被稱作類藻酸鹽胞外聚合物，它是由不同組分，如蛋白質(zhì)、腐殖酸、多糖和脂類等組成的一種復(fù)雜的生物聚合物，其中以多糖為其主要成分〔5〕。

2 ALE 的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)分析

根據(jù)FAO/WHO 的藻酸鑒定試驗，AGS 中形成凝膠的胞外多糖部分被鑒定為ALE。ALE 由甘露醛酸（M）殘基和古洛糖醛酸（G）殘基組成，這兩種醛酸殘基可以排列在均聚塊〔聚甘露醛酸（MM）和聚古洛糖醛酸（GG）〕或異聚塊（MG）中。如圖3（a）、圖3（b）所示，這些均聚塊和異聚塊在藻酸分子中隨機分布并以不同比例組成多糖〔6〕。一般來說，GG 塊提供凝膠形成能力，MM 和MG 塊提供鏈的靈活性，且它們的比例、分布和長度決定了ALE 的化學(xué)和物理性質(zhì)。除了分塊，C. M. SCHAMBECK 等〔7〕通過紅外光譜法和拉曼光譜法分析了所提取類藻酸鹽胞外聚合物的復(fù)雜化學(xué)成分，其紅外光譜的出峰可以歸于不同的化學(xué)基團，如多糖、蛋白質(zhì)和腐殖酸，拉曼光譜的信號分配也同樣證實了多糖、蛋白質(zhì)、腐殖酸組分的存在。此外，類藻酸鹽胞外聚合物在較寬的pH 和溫度范圍內(nèi)具有良好的成膠性能，可以在鈣離子（Ca2+）和糖醛酸殘基（G 和M）存在下形成凝膠〔8〕。一般來說，ALE 中高GG 含量一般表示類藻酸鹽胞外聚合物具有良好的成膠性能。I. KARAKAS等〔9-10〕通過對海藻酸鈉〔圖3（c）〕和ALE〔圖3（d）〕形成的水凝膠進行E-SEM 分析發(fā)現(xiàn)，兩者均呈現(xiàn)出褶皺狀的形貌特征，這也揭示了兩者在結(jié)構(gòu)和外觀上的相似性。

圖3 類藻酸鹽胞外多糖（a），藻酸鹽聚合物的塊狀組分（b），海藻酸鈉凝膠的E-SEM（c）和ALE 凝膠的E-SEM（d）Fig.3 Alginate-like exopolysaccharides（a），block fractions of alginate polymer（b），E-SEM image（c） of sodium alginate hydrogel and E-SEM image（d） of ALE hydrogel

3 好氧顆粒污泥中ALE 的回收

3.1 ALE 的提取和評價方法

由于EPS 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用單一方法提取其所有成分幾乎不可能，且所選擇的方法將影響回收聚合物的組成和產(chǎn)率。S. FELZ 等〔11〕采用熱提取、超聲法提取、高溫?zé)釅A法提取等不同的EPS 提取方法處理從Nereda?中試反應(yīng)器收集的同一污泥樣本，結(jié)果表明高溫?zé)釅A法是一種合適的回收ALE 的技術(shù)，這也成為了實驗室規(guī)模廣泛使用的ALE 提取方法。高溫?zé)釅A法的一般流程：經(jīng)冷凍干燥的污泥在Na2CO3溶液中于80 ℃下進行攪拌熱提取，經(jīng)過離心后，向上清液中加酸調(diào)整pH 為2.0～2.5 可得到酸式ALE 凝膠（已可冷凍干燥并稱量），之后繼續(xù)向其中加入NaOH 可得到可溶的Na+-ALE，再向其中加入CaCl2溶液可得到穩(wěn)定的Ca2+-ALE 水凝膠。表1 對不同AGS 系統(tǒng)采用高溫?zé)釅A法回收ALE 的效果進行了總結(jié)，由此可見，不同規(guī)模的AGS 系統(tǒng)ALE 的回收率約在10%～25%之間，且高溫?zé)釅A法的提取效果在實驗室試驗和中間性試驗中均已經(jīng)得到了驗證。

表1 不同AGS 系統(tǒng)ALE 回收率比較Table 1 Comparison of ALE recovery rates of different AGS systems

在實際工程中，主流的ALE 提取工藝一般先使AGS 在重力的作用下濃縮，并在緩沖罐中均質(zhì)，再經(jīng)過帶式污泥濃縮機后，加入聚合物使其凝固，并加熱至80 ℃；后隨著堿的加入使pH 增加，可將ALE 從污泥中萃取到液體中；在對混合液進行酸化后，經(jīng)過冷卻和離心操作，可以使ALE 凝聚成凝膠，最后通過離心再次分離〔18〕。相較于實驗室試驗，實際工程中往往會忽略酸沉淀的步驟，且形成凝膠過程一般為簡單的酸化絮凝過程，這導(dǎo)致所提取出的ALE 往往伴隨著其他成分，在后續(xù)實際應(yīng)用中仍需進一步提純。

在ALE 的回收率評價工作中，ALE 的回收率一般用AGS 中單位質(zhì)量揮發(fā)性懸浮物（Volatile suspended solids，VSS）的ALE 回收質(zhì)量表示。采用重量法在分析ALE 回收率時，由于其定量結(jié)果是所提取類藻酸鹽胞外聚合物中蛋白質(zhì)、中性糖、氨基糖、糖醛酸和多酚化合物等所有成分的總和，一般回收率直接表現(xiàn)為提取出的ALE 在污泥中的質(zhì)量分數(shù)。此外相關(guān)研究人員也對咔唑法定量ALE 的可行性進行了研究，將ALE 與硼酸-硫酸試劑混合后加入咔唑試劑，在100 ℃下加熱15 min，冷卻后在530 nm 處測量吸光度，結(jié)果表明咔唑法對于定量ALE 具備可行性，其在排除雜質(zhì)對ALE 含量測定影響的同時，有助于后續(xù)探究不同提取條件和提取方法對ALE 回收率的影響〔12〕。

3.2 ALE 產(chǎn)量的影響因素

在影響AGS 中ALE 產(chǎn)量的因素中，廢水特性是主要影響因素，相比于實驗室規(guī)模的簡單模擬廢水而言，處理成分復(fù)雜的真實廢水的AGS 往往可獲得更多的ALE〔19〕。碳源種類以及廢水中鈣、鎂等某些陽離子也同樣會影響ALE 的形成，且不同的操作條件也會導(dǎo)致ALE 產(chǎn)量的不同。以下對一些常見的影響因素進行了總結(jié)。

1）廢水有機負荷率。

相關(guān)研究表明，在進水有機負荷率變化較快時，AGS中ALE 的產(chǎn)量會受到影響。同時，在對細胞信使環(huán)雙胍酸酯（c-di-GMP）的觀測中，發(fā)現(xiàn)ALE 峰值和c-di-GMP 峰值與有機負荷的沖擊一致。進水COD 的快速增加刺激了相關(guān)微生物釋放c-di-GMP，從而可能觸發(fā)ALE 的生物合成〔15〕。此外，控制有機負荷率在一定范圍內(nèi)也有利于從AGS 中回收ALE。值得注意的是，在高有機負荷率〔以COD 計，＞15 kg/（m3·d）〕條件下，R.D. G. FRANCA 等〔20〕的研究中出現(xiàn)了因此所導(dǎo)致的顆粒解體現(xiàn)象。

2）COD/N。

Y. V. NANCHARAIAH等〔21〕在3種不同進水成分下運行的SBR反應(yīng)器中，發(fā)現(xiàn)改變進水的COD/N（質(zhì)量比，以下同），ALE產(chǎn)量的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，這說明進水COD/N 很可能直接影響ALE 的合成。當(dāng)COD/N 較高時，顆粒中通常具有較高的ALE 產(chǎn)量，這可能與顆粒中EPS 的高含量有關(guān)；同時該實驗也說明，在一定范圍內(nèi)EPS 產(chǎn)量與有機負荷增加量成正比。但當(dāng)COD/N 大于20 時，可能會出現(xiàn)氮的缺乏，這會刺激絲狀菌的生長產(chǎn)生過多的EPS，從而使顆粒不穩(wěn)定。當(dāng)COD/N在30左右時，ALE的含量顯著降低。因此，必須對COD/N進行優(yōu)化，以實現(xiàn)運行和ALE 回收穩(wěn)定性的統(tǒng)一。

3）鹽度。

M. F. MORADALI 等〔22〕的研究表明，適當(dāng)?shù)柠}度（約1%NaCl）會觸發(fā)假單胞菌中algC基因的表達，從而激活磷酸化異型酶，這是藻酸鹽生物合成機制的一部分。然而，在過度滲透壓的脅迫下，這種酶的激活往往會被抑制。

4）顆粒粒徑。

一般來說，較高的ALE 產(chǎn)量與顆粒化后AGS 體系中大顆粒占主導(dǎo)地位有關(guān)，且成熟顆粒的ALE 含量較高較穩(wěn)定。一般來說，直徑在1.0～1.5 mm 之間的顆粒具有較高的ALE 含量，且ALE 的高產(chǎn)量與顆粒的成熟度有關(guān)。但過大顆粒（直徑＞2.0 mm）的ALE 含量反而較低，可能是由于碳擴散限制導(dǎo)致EPS 含量減少〔23〕。考慮到實際工程中AGS 反應(yīng)器的生物量分層，ALE 高產(chǎn)量的顆粒收集點是可以確定的，一般來說，過大粒徑的顆粒在底部，大粒徑顆粒多停留在過大粒徑顆粒上部，故底部偏上處取出的污泥很可能具有較高的ALE 含量〔24〕。

5）污泥停留時間。

S. L. DE SOUSA ROLLEMBERG等〔25-26〕研究表明，在較長的污泥停留時間條件下，污泥中微生物的內(nèi)源性呼吸速率更高，這導(dǎo)致EPS 作為碳源被消耗。短的污泥停留時間可能會對聚磷菌的生長有益，而聚磷菌主要負責(zé)ALE 的產(chǎn)生，因此，縮短污泥停留時間有利于聚磷菌的生長，從而提高ALE 產(chǎn)量。

3.3 ALE 和其他產(chǎn)物的同步回收

在研究ALE 和AGS 中其他可資源回收產(chǎn)品的同步回收時，應(yīng)關(guān)注ALE 回收全流程中其他產(chǎn)物的存在與去向。到目前為止，即使從AGS 中回收ALE的研究正在逐步增加，也只有少數(shù)研究關(guān)注了ALE和其他AGS 資源化產(chǎn)物的同步回收。以磷回收為例，隨著EPS 中可以積累大量磷被證實，大多研究集中于單一的磷資源回收，而EPS 與ALE 等物質(zhì)回收過程中磷的存在情況一般不清楚〔27〕。在Xingyu CHEN 等〔28〕的關(guān)于ALE 回收過程中磷組成分析實驗中，發(fā)現(xiàn)AGS 中單位質(zhì)量SS 的TP 為（33.43±0.69）mg/g，而以高溫?zé)釅A法從AGS 中所提取的EPS 中單位質(zhì)量SS 的TP 約（25.10±1.85） mg/g，占AGS 中TP的75.1%。同樣，Wenli HUANG 等〔29〕用EDTA-超聲法從AGS 中提取EPS，發(fā)現(xiàn)EPS 提取物中TP 約為AGS 中TP 的73.7%；此外，在ALE 提取物中亦檢測到磷的存在，其單位質(zhì)量SS 中的TP 為0.16 mg/g。因此，在AGS 中ALE 的回收過程中，磷的同步回收也極具潛力。

在ALE 的回收過程中，同樣可以關(guān)注聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoate，PHA）、色氨酸（Tryptophan，TRY）等具有附加值物質(zhì)的回收。一般來說，根據(jù)AGS 中功能微生物的不同，可以從中提取出不同的生物聚合物，這些生物聚合物的產(chǎn)量往往與相關(guān)功能微生物的組分有所聯(lián)系。S. L. DE SOUSA ROLLEMBERG 等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)，部分生長緩慢的異養(yǎng)菌群（即聚磷菌和聚糖菌）可能與ALE 的產(chǎn)生相關(guān)，而其中擬桿菌門（Bacteroidetes）的部分發(fā)酵菌可能與TRY 的產(chǎn)生有關(guān)。在可以回收ALE 的AGS 中，在屬水平上，其黃桿菌屬（Flavobacterium）豐度最高，其次是脫氟球菌屬（Defluorococcus）。且H. M. ROAGER等〔30〕研究表明，擬桿菌門類發(fā)酵微生物含量越高，污泥顆粒中TRY 的產(chǎn)量越高，而黃桿菌屬的一些物種也可能與TRY 的產(chǎn)生有關(guān)。由于可以產(chǎn)生ALE 和TRY的微生物群落具有一定程度的相似性，ALE 和TRY 的同步回收也具有很大的潛力。此外，在高有機負荷率的進水條件下，與聚集PHA 和產(chǎn)生ALE 相關(guān)的聚磷菌的富集也被宏基因測序和顯微鏡染色鏡檢證實〔31〕。結(jié)合TRY 和PHA 的回收情況，圖4 根據(jù)已有的ALE提取方法給出了ALE 的簡單回收流程及同步回收可能存在的副產(chǎn)物的方案，其以回收ALE 為主，對過程中的沉淀和上清液進行回收利用，并從中提取出其他種類的資源化產(chǎn)物。

圖4 ALE 的回收流程及對其他副產(chǎn)物的同步回收Fig.4 ALE recovery process and synchronous recovery of other by-products

4 ALE 的回收應(yīng)用前景

從AGS 中回收所得的ALE 在園藝、農(nóng)業(yè)、建筑、醫(yī)療和造紙行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景〔32〕。由于其可以形成穩(wěn)定的水凝膠珠，因此可用于制造不同的催化劑，以用于可持續(xù)和選擇性氧化反應(yīng)〔33〕；A.HAUG 等〔34〕研究表明，海藻酸鈉對二價陽離子的親和力遵循Pb2+＞Cu2+＞Cd2+＞Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Co2+，Ni2+，Zn2+＞Mn2+的順序，故從顆粒污泥中獲得的GG 塊含量較高的ALE 有可能作為吸附劑使用；AGS 中提取所得的ALE 亦可以在食品和紡織工業(yè)中用作增稠劑，作為藥物包封和敷料生產(chǎn)的膠凝劑，并作為薄膜食品保鮮和造紙成型劑〔35〕。此外，從顆粒污泥中回收的ALE 具有羥基和羧酸基的化學(xué)結(jié)構(gòu)和水凝膠形成特性，這也有助于其在材料和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用〔36〕。

自2017 年荷蘭提出國家藻酸鹽研究項目（NAOP），旨在研究和開發(fā)一種可持續(xù)、經(jīng)濟可行的方法，并從Nereda?污水處理廠的污泥中提取ALE以來，可從工程規(guī)模的AGS 系統(tǒng)中回收ALE 的設(shè)施已然存在〔37〕。2019 年，荷蘭聚特芬的第一個提取AGS 剩余污泥中ALE 的工廠開始運行，現(xiàn)場試驗表明，80 kg Nereda?顆粒污泥可產(chǎn)出18 kg ALE，即ALE 回收率為22.5%〔33〕。2019 年，第2 家從AGS 中回收ALE 的工廠在荷蘭埃佩建成，并于2020 年12月開始運營，該工廠預(yù)估每年最低可生產(chǎn)50 t ALE，同時其產(chǎn)量將根據(jù)市場需求增加，直至達到每年產(chǎn)出100 t ALE 的上限。

據(jù)估計，從2030 年起，荷蘭從AGS 中提取出的ALE 總產(chǎn)量將達到每年8.5 萬t，總價值可達每年1.7億歐元，具體的市場價格則取決于產(chǎn)品質(zhì)量和后續(xù)應(yīng)用途徑，預(yù)估每從AGS 中回收1 t ALE，在扣除提取和精煉成本后可產(chǎn)生1 000～2 000 歐元的最終收入。S.L. DE SOUSA ROLLEMBERG 等〔15〕進行分析后得出結(jié)論，規(guī)模為25 萬t/d 的污水處理廠，在采用AGS 工藝處理生活污水（COD 約600 mg/L）時，每天可產(chǎn)生約1～2 t ALE，每年可產(chǎn)生約3.65×105～7.3×105歐元的收入，可極大程度降低污水處理廠的運營成本。

5 結(jié)論和展望

目前，有關(guān)ALE 在AGS 資源化過程中的研究已經(jīng)取得了一些進展，從實驗室到實際工程的研究均已證明了ALE 在AGS 資源化方面的研究和應(yīng)用價值。無論是“以廢治廢”，還是作為高附加值產(chǎn)品來產(chǎn)生新價值，ALE 無疑是AGS 中最有價值的可回收資源之一。事實上，國內(nèi)外關(guān)于ALE 資源化的研究仍處于起步階段，還有更加深入的工作需要開展：

1）在國外ALE 資源化回收設(shè)施已經(jīng)達到工程規(guī)模的情況下，我國AGS 工藝在應(yīng)用研究階段仍需關(guān)注顆粒污泥啟動馴化過程的時效性、運行過程的穩(wěn)定性、排泥過程的選擇性等問題，并在進一步研究AGS工藝運行周期中ALE 組分動態(tài)變化及回收選擇性的同時，關(guān)注解決部分AGS 工藝工程應(yīng)用上的壁壘。

2）在現(xiàn)有的ALE 資源回收方案下，有關(guān)工藝參數(shù)對AGS中ALE 產(chǎn)量的影響、ALE 提取方法等方面的研究比較繁雜，繼續(xù)尋找到統(tǒng)一且適合的標準更有利于正確地衡量ALE 的回收水平，且其在探討ALE 與其他附加值產(chǎn)物的同步回收方案上同樣具有借鑒意義。

3）在國家碳中和背景下，無論是針對我國污泥處理處置方式所帶來的大量剩余污泥，還是針對新興的菌藻顆粒污泥工藝所帶來的菌藻顆粒污泥而言，都應(yīng)加強對ALE 的資源化回收方案在選擇性優(yōu)化和生命周期評估方面的研究，從而找到一條適合我國污水處理廠工程規(guī)模ALE 資源回收的獨特方案。