污泥EPS高值、高效提取与回收技术发展趋势

　　摘要：污泥有机质(特别是胞外聚合物，EPS)高值产品回收将会推动污水/污泥资源化.然而，EPS典型提取方法效率较低、回收产物成分复杂，限制了EPS目标物质的高效提取、降低了回收物的潜在高值应用.为此，探究高值、高效EPS提取/回收技术极为重要.这就需要改变目前典型的“笼统”EPS提取方法，将“胞外多糖”和“胞外蛋白”这样的模糊提取物(实为“有机物混合物”)转变为单目标物质(如类藻酸盐物质、酸溶性EPS、硫酸盐多糖、淀粉样蛋白质以及透明质酸等)或多目标物质(依靠物理、化学性质差异分离、提纯)，实现产物的定向提取并保证其纯度，从而使回收产物获得高值利用.另一方面，把握进水水质、营养物负荷以及运行环境对污泥EPS形成的影响亦十分重要;同时，需要鉴定易形成EPS的优势菌并掌握其生理、生化特征，这对通过污水处理运行而“原位”增加EPS污泥本底含量具有非常重要的意义.此外，还需要针对高值组分进一步发展优化提取方法(如添加表面活性剂等)，以实现回收物高效提取与高值回收利用.

　　关键词：胞外聚合物(EPS);高值回收;藻酸盐;酸溶性EPS;淀粉样蛋白质;硫酸盐多糖

　　1引言(Introduction)

　　污水资源化已成为污水处理可持续发展的一个重要方向.针对普遍认为棘手的污水处理产物———剩余污泥，目前国际上兴起的污泥有机质转化高附加值产品的研究也已兴起(vanLoosdrechtetal.，2014;Linetal.，2015;Xueetal.，2019;Kimetal.，2020)，传统上仅仅将污泥有机质视作能源载体(转化甲烷/CH4)的观点正受到质疑(Haoetal.，2019).

　　污泥中胞外聚合物(EPS)、藻酸盐、PHA等高附加值有机物转化与提取具有潜在应用前景(Madkouretal.，2013;vanderRoestetal.，2015;Urtuviaetal.，2017;Leeuwenetal.，2018;Nancharaiahetal.，2018;Kimetal.，2020).污泥主要由细胞体和EPS两大部分组成.EPS约占污泥干重的10%～40%(Basuvaraetal.，2015).EPS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，主要为多糖、蛋白质(结构蛋白或胞外酶)、核酸、脂质、腐殖质和其他一些胞内物质(Flemmingetal.，2016).其中，蛋白质和多糖为主要成分，约占EPS总含量的70%～80%.

　　EPS分子相对较低的表面电荷和较高的疏水性可促进微生物聚集;多糖分子富含羟基、羧基等亲水官能团，可以通过吸附架桥等作用形成稳定而具有弹性的网状结构对游离细胞进行交联与固定则有利于污泥絮凝(Wangetal.，2006;Lietal.，2006;Adavetal.，2008a);蛋白质和脂质可维持絮体结构稳定性，相应改善污泥生物絮凝性.这些物质通过静电作用力、氢键结合、离子吸引力、生物化学等作用形成紧致高密网状结构，可作为微生物的保护层，抵御外部重金属和有毒化合物等不利因素侵袭(Shengetal.，2010).EPS成分不同性能和组合方式使其具有多种复杂结构，具有较高的回收与利用价值(Moreetal.，2014).目前，对污泥EPS研究侧重于其在污水处理过程中促进污染物去除机理以及在后续污泥处理处置中承担的作用.一些以提取与回收EPS研究也多采用典型方法“囫囵”提取，提取物仅仅被谓之“胞外聚合物”或“有机物混合物”，并非“高附加值有机物”，较难获得纯度较高的某一类、甚至某一种有机化合物(Seviouretal.，2019).

　　国际上，一些学者已经意识到这些典型方法的缺陷，开展了较多针对颗粒污泥EPS优化提取方法的研究，试图提高EPS纯度与产量，同时保留其理化性质(Pronketal.，2017;Linetal.，2018;Lottietal.，2019;Wangetal.，2020)，这些方法与传统典型方法截然不同.基于此，本文首先阐述EPS在污泥中含量及成分差异，进而分析典型传统EPS提取方法之利弊;以此为基础，阐述基于特定单一或多组分物质“定制”的提取方法(包括胞外多糖与胞外蛋白质)，从而指明高附加值回收EPS发展方向;在总结进水基质、营养物负荷、运行参数、优势菌属等因素对污泥EPS产量产生差异的情况下，提出EPS高效增产技术方案;最后，分析当前EPS回收应用瓶颈，以期为EPS未来广泛回收利用之前景奠定理论与技术基础.

　　2EPS含量与成分差异(ProportionsandcomponentsofEPS)

　　EPS提取的基础是了解其在污泥中含量以及成分，并剖析其理化特性.不同种类污泥EPS含量不同，列出了3种典型污泥中EPS含量与组分.一般认为絮状污泥(～10%)相较颗粒污泥(～20%)而言产生的EPS含量少，而生物膜EPS含量则处于最低水平(Mahendranetal.，2012;Basuvarajetal.，2015;Dingetal.，2015;Zhuetal.，2015).EPS通过改变表面电荷以及疏水性影响污泥絮凝以及造粒过程(Zhuetal.，2015)，而从活性污泥向颗粒污泥造粒转变过程其EPS含量变化机理则存在较大争议(Tuetal.，2012;Lietal.，2017;Schambecketal.，2020).

　　研究表明，在絮状污泥向颗粒化转化的前后阶段(80%絮状污泥颗粒化)EPS含量并无明显变化(Schambecketal.，2020);但也存在着相反的研究结果，认为EPS含量随着颗粒化程度提高而不断降低(Tuetal.，2012;Lietal.，2017).一些研究还认为，较高水平EPS含量有利于颗粒污泥形成与稳定(Liuetal.，2009;Tangetal.，2011)，但过量EPS则会限制氧气、有机物和营养物质扩散与传质，这意味着过量EPS对颗粒污泥的稳定性是有害的(Corsinoetal.，2016).

　　不同污泥EPS含量不同，其组分也不一样，而关于EPS对污泥聚集性和结构稳定性具有决定影响的关键成分目前还未得到明确界定(Yu，2020).针对生物膜，有人利用荧光原位杂交(FISH)与荧光染色两种分子生物学方法研究了生物膜EPS与微生物在生物膜表面纵向空间分布;结果显示，生物膜中不同组分沿EPS厚度方向上呈梯度变化，表层蛋白质含量高，而沿生物膜深度方向逐渐减少，多糖则与之相反(陈园园等，2017).

　　这可能是因为表层高活性微生物增殖与代谢能力均强于内层，导致产生的胞外酶相对较多，而胞外酶则是一种组成EPS的特殊蛋白质分子(陈园园等，2017).多糖凝胶特性是作为生物膜的“粘合剂”，有利于微生物粘附聚集到载体表面，尤其对生物膜吸附成膜具有重要作用，这与生物膜内沿深度方向粘结力增大所相对应，导致多糖含量沿生物膜深度方向逐渐增加(殷峻等，2012).

　　从这些研究可以推测得出，生物膜系统中胞外蛋白和胞外多糖也许是分别作为功能性成分和结构性成分而存在.研究表明，EPS对颗粒污泥形成、结构和功能完整性存在重要影响，可促进颗粒污泥形成(Wangetal.，2005;Shengetal.，2010).但不同于生物膜，研究认为胞外蛋白可能是颗粒污泥EPS的主要结构性成分，而非功能性成分(McSwainetal.，2005;Zhuetal.，2012;Zhuetal.，2015;Lottietal.，2019).

　　蛋白质含有较多疏水性官能团、且能有效降低细胞表面电负性容易凝聚成细小生物聚集团体，最终帮助成核;辅之以反应器水力筛选作用，最终富集获得大颗粒污泥(Boleijetal.，2019;Lottietal.，2019).研究人员采用原位荧光染色、辅以激光共聚焦显微镜(CLSM)技术观测到颗粒污泥的最内核主要是蛋白质结构，推测蛋白质是形成颗粒污泥的基础(McSwainetal.，2005).

　　有人利用三维荧光光谱(3D⁃EEM)和十二烷基硫酸钠⁃聚丙烯酰胺凝胶电泳法(SDS⁃PAGE)也得到同样结论，认为芳香蛋白、色氨酸蛋白等高分子量蛋白是颗粒污泥中关键组分，其蛋白结构上多种官能团可以提供更多与阳离子和其他有机物结合位点和作用点，对颗粒污泥形成和结构稳定性起着重要作用(Zhuetal.，2015);进一步对EPS成分多糖和蛋白质量化分析发现，胞外蛋白含量在絮状、好氧颗粒污泥以及厌氧颗粒污泥LB⁃EPS(松散型EPS)中含量分别为(8.5±1.5)、(33.6±9.7)以及(27.1±2.8)mg·g-1，而在TB⁃EPS(紧密性EPS)中分别为(43.1±2.7)、(96.8±11.9)以及(61.6±4.2)mg·g-1，表明不论在TB⁃EPS还是LB⁃EPS中，颗粒污泥中胞外蛋白含量都要远高于絮状污泥;而胞外多糖含量在三者之间却无明显差异，平均约为30mg·g-1(Zhuetal.，2015).

　　胞外蛋白与胞外多糖之比(PN/PS)也能更好评价污泥EPS成分特征;颗粒污泥PN/PS值分别为3.3(好氧)和4.2(厌氧)，远远高于活性污泥絮体的1.6(Zhuetal.，2015)以及生物膜的1.2(Mahendranetal.2012)，推测可能较高的PN/PS比更有利于污泥颗粒化转变和稳定性保持(Zhuetal.2012).但也有研究认为，胞外蛋白并非EPS主要结构成分;因为胞外多糖具有凝胶性质，它可能才是主要促成和保持污泥颗粒化的主要成分(Seviouretal.，2010a;Linetal.2010).

　　3典型EPS提取方法(ConventionalEPSextractionmethods)3.1方法评价

　　不同种类污泥EPS含量与组分差异较大，EPS主要结构与功能组分还存在较大争议，直接影响到EPS在污水处理过程促进污染物去除的角色与机理探究.为此，大部分提取、分析EPS的研究均期望能得出有关EPS的准确结论.综合来看，这些研究中有关污泥典型EPS提取方法主要包括物理法、化学法及其组合方法.

　　其中，物理法通常是采用外力(如，剪切力、离心力等)将EPS与细胞分离，并将其溶解后实现固、液两相分离，包括超声波处理、高速离心和热提取法;化学法是通过添加化学试剂(如，酸、碱、有机溶剂等)实现与EPS所含某些特殊官能团螯合而实现EPS的分离与提取，包括阳离子交换树脂(CER)、甲醛⁃氢氧化钠(HCHO⁃NaOH)法、乙二胺四乙酸(EDTA)法、高温碳酸钠(Na2CO3)法和甲酰胺⁃氢氧化钠(HCONH2⁃NaOH)法等(Shengetal.，2010).典型EPS提取方法原理与优缺点比较(方晓敏，2019).

　　4EPS提“纯”策略(StrategiesforhighpurifiedEPS)

　　优化方法直接影响到提取效率以及提取组分.目前，EPS典型提取方法只是将EPS作为一种笼统研究对象，并没有针对其中某种组分或结构予以提取并分离(Seviouretal.，2019).高效优化方法则改变固有观念，在考虑EPS组分的物理、化学性质差异基础上，“定制”基于产物的提取方法，有可能分离出某种或几种高纯度EPS物质，使EPS高值回收成为现实.

　　5高EPS含量策略(StrategiesforhighEPScomposition)

　　5.1本底增量高质

　　EPS提取仅从提取物纯度角度出发，试图提高EPS应用的附加值.但污泥EPS提取效率受限于污泥本底EPS含量，这又决定于进水基质、营养物负荷、运行参数、优势菌属等诸多因素.探究这些条件下污泥EPS产量差异，将有助于高效提取EPS，增加其回收效率.

　　5.1.1进水基质

　　进水水质及比例会影响EPS产量及组分.人工配水活性污泥EPS产量明显低于实际生活污水，而掺混一定比例工业废水污泥EPS含量则会发生明显变化.这与Pronk等(2017)研究结果一致，以乙酸盐作为碳源的颗粒污泥获得的ALE仅为1.4%VSS，远低于实际污水颗粒污泥的17.8%VSS.

　　这可能是因为污水作为营养基质，某些微生物能分解得到或直接合成某些营养物质而被其他微生物所利用，这些共生关系微生物菌株处于产生EPS有益环境之中，可提高EPS产量.如垃圾渗滤液中高浓度氨氮会导致胞外蛋白增加(Wilénetal.，2003;Pengetal.，2012)，而染料、酿酒废水中的高碳水化合物则可促进胞外多糖生成(Sponza，2002;Wilénetal.，2003)，进水成分若含有较多硫酸根离子则易生成硫酸盐多糖物质(Xueetal.，2019).

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　　6结论(Conclusions)

　　1)高附加值回收产物是污水/污泥资源化成功与否的关键，而EPS作为天然有机高聚物所表现出的轻质阻燃特性使之有可能作为飞机等航空器的表面涂层.这就是为什么近年来国际上对污泥EPS研究一下上升为高效提取、高值利用的主要原因.然而，污泥EPS提取方法非常复杂，典型提取方法所提取获得的往往是“笼统”有机物混合物，无法实现回收物的高值利用.

　　2)传统提取方法存在物理低效性和化学低值性等缺陷.于是，针对污泥EPS组分胞外多糖(类藻酸盐物质、酸溶性EPS、硫酸盐多糖以及透明质酸等)和胞外蛋白(淀粉样蛋白质等)的深度分离与提纯技术开始出现.类藻酸盐物质提取、分离技术发展历程表明，随着物质检测与分析手段不断完善，基本上可以实现目标回收物纯度提高的愿望，并建立高效的提取、回收技术体系.为此，通过研究制定出基于单一目标或多目标产物的提取技术策略，这对提高分离回收产物纯度，实现其高值利用意义重大.

　　3)此外，EPS高效回收也受限于其污泥本底含量.不同进水基质(生活污水、工业废水等)、营养物负荷(碳、氮、磷元素均衡)以及运行工况(溶解氧、温度、pH、污泥停留时间和污泥负荷等)、系统优势菌属等都会影响污泥EPS的生成与性质.目前，EPS增量机理并无统一结论，需统一考量实际过程诸因素对EPS的影响，因地制宜地针对具体EPS组分进行过程优化，以实现目标物污泥系统中“原位”增产.同时，应借鉴其他协同手段(如，表面活性剂增溶)进一步优化提取方法，以实现回收物高效提取与高值回收利用.

　　未来基于EPS研究则需要更加关注EPS检测与分析的方法，以深入透彻了解EPS在污泥中的功能与结构影响，不仅指导污水处理提质增效，同时也进一步明晰EPS提取与应用之路.

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　　作者：郝晓地∗，甘微，李季，吴远远

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