活性污泥EPS中类藻酸盐物质形成控制因素
·淀粉作为碳源可以提高活性污泥胞外聚合物(EPS)中类藻酸盐(ALE)物质产量
·低温环境更有利于ALE形成，12℃时产量高达303.3±21.5mg/gVSS
·高负荷进水条件可能降低单位有机物ALE产量
·C/N为5.0时，活性污泥ALE物质达137.8±13.2mg/gVSS
·不同因素会影响活性污泥ALE组成与性质
[图文摘要]
[研究背景]
活性污泥EPS中类藻酸盐物质(Alginate like extracellular polymers, ALE)是一种具有替代商业藻酸盐的潜力股。藻酸盐具有特殊分子结构，广泛应用于各类防水、防火材料，广泛应用于食品、医药、纺织、印染、造纸、日化等行业，可用作增稠剂、乳化剂、稳定剂、粘合剂、上浆剂等。因ALE具有与藻酸盐类似的结构与性质，这就使其具有较高的回收与应用潜力；特别是好氧颗粒污泥，从中提取的ALE之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。好氧颗粒污泥提取、回收ALE的工程已经在荷兰实现。
有别于好氧颗粒污泥ALE热点，对普通活性污泥EPS研究更多关注其在污水处理、污泥处理过程所承担的角色，少有侧重回收EPS为我所用的研究。前期我们的实验研究证实，普通活性污泥中ALE物质含量介于9%~19% VSS之间，处于颗粒污泥ALE含量下限(20%~35% VSS)；其性质与颗粒污泥ALE和市售藻酸盐对比发现，其性能略逊于好氧颗粒污泥，但也是潜在市售藻酸盐替代品，特别是普通活性污泥量大、面广的特点使其具有很大的回收潜力(链接)。因此，有必要深入探究提高活性污泥ALE含量的调控策略。
宏观来看，不同进水基质、溶解氧(DO)、温度、pH、污泥停留时间(SRT)和污泥负荷(Ns)都会影响ALE产量和性质。在低碳氮比、氮磷比条件下，细菌可吸收的营养物受限，导致细菌死亡较多；细菌与丝状菌此时出现的竞争现象也会导致细菌量减少甚至死；结果，导致细胞自溶，ALE中蛋白质、多糖和DNA量增加。过量碳源并不能被微生物充分利用并转化，堆积起来会导致EPS总量及多糖含量增加。高DO条件下微生物新陈代谢能力会得到提高，ALE产量自然相应提高。温度和pH值则会直接影响生物新陈代谢活性，导致EPS生成量及成分发生变化。而SRT及HRT则可能直接影响有机负荷和微生物种属变化，进而影响ALE形成。
虽然目前存在一些关于活性污泥ALE提取与回收相关研究，但缺少系统性提高活性污泥ALE产量的运行策略与机理分析。因此，本研究团队基于实验室SBR装置，分别探究不同碳源、污泥负荷(Ns)、C/N比、温度(T)与SRT等五个因素对活性污泥ALE产量影响及其机理，为试图增产活性污泥ALE奠定基础。该成果已发表于《Chemical Engineering Journal》杂志(一区SCI，IF=13.273)。
[主要结果]
不同培养条件下剩余污泥提取ALE产量结果见图1。从图中可以看出，除在低温(T=12℃)下ALE产量高达303.3±12.5mg/gVSS外，其它工况条件下ALE产量均介于120~200mg/g VSS，基本与之前从不同市政污水处理厂污泥提取量(90~190mg/gVSS)相当。整体上来看，温度是影响ALE形成的主要因素，碳源种类次之，碳氮比影响最小，而有机负荷与污泥龄(SRT)对ALE产量影响很小。
图1 不同工况活性污泥ALE提取量（来自原文）
图2 ALE物质中多糖、蛋白质含量（来自原文）
研究进一步分析了不同工况条件下活性污泥ALE的藻酸盐含量(纯度)、不同组成片段(GM、GG和MM)、凝胶特性及化学官能团等性质。实验发现，所有ALE提取物均具有较好的凝胶特性，具有替代市售藻酸钠的市场应用潜力。对ALE物质含量多糖、蛋白质和芳香度腐殖化程度、3D-EEM等特性分析发现，不同工况对ALE提取物物理组成和化学性质均会造成差异。这意味着可以通过调控不同进水水质和运行工况，实现ALE物质定向性质培养，从而提高ALE应用可行性和经济价值。
研究核心之处在于分析了5个不同因素对ALE产量和性质影响，试图厘清其影响机理。整体上，它们都是通过改变污泥培养过程中物质和能量代谢，进而影响不同物质生成和降解，导致污泥ALE物质产量、结构与性质上的差异，不同因素影响详细机理见原文。最终PCA分析结果显示，温度是影响活性污泥ALE产量决定性因素，碳源和C/N比次之，有机负荷影响最小。遗憾的是，本研究仍未完全探明SRT对活性污泥ALE产量影响，有待今后进一步深入研究。
表1 不同碳源条件活性污泥ALE物质紫外-可见光全扫分析
表2 不同负荷条件活性污泥ALE物质产量与3D-EEM结果
表3 不同因素PCA分析（来自原文）
[重要结论]
通过对进水碳源、负荷、营养基质(C/N/P)、温度与污泥龄(SRT)等参数的控制来富集培养活性污泥，提取其中ALE物质并进行成分分析，基本上获知了进水与运行工况对活性污泥ALE物质形成的影响。其中，培养温度和碳源种类对ALE形成影响最大；以淀粉为碳源培养污泥时ALE产量可达220.3±8.0mg/gVSS，高于乙酸钠葡萄糖碳源；低温情况最有利于ALE富集，其ALE含量高达303.3±21.5mg/g VSS；其它工况参数影响并不明显，提取量整体上介于125.0~200.0mg/gVSS之间。对ALE组分分析表明，不同工况下ALE成分存在明显差异，主要体现在不同参数对多糖和蛋白质的影响，二者均受微生物代谢活性影响。
