同济大学戴晓虎团队ES&T：微量非离子表面活性剂与胞外聚合物疏水性官能团自组装 脱稳污泥微观结构 提高生物质能源回收率
图片摘要
成果简介
剩余污泥（WAS）的资源化处理处置对环境保护和可持续发展具有重要意义，而厌氧消化（AD）是剩余污泥资源化处理的主流技术。AD不仅可改善污泥的脱水性能、大幅灭活病原微生物、提升其肥料性，更能将污泥中的有机物转化为能源物质沼气。然而，生物层面，WAS中微生物胞外聚合物（EPS）和细胞膜形成的多层保护结构显著限制了AD的效率；物质层面，WAS中各种有机组分可通过多作用力结合，形成稳定的大分子复合物，进一步降低了其作为底物的生物可利用性。
近日，同济大学戴晓虎教授团队宋奇博士生、华煜助理教授在环境科学领域期刊Environmental Science & Technology杂志上发表了一篇题为“微量非离子表面活性剂与胞外聚合物疏水性官能团自组装，脱稳污泥微观结构，提高生物质能源回收率”的研究论文。该研究以破坏WAS微观稳定结构为目的，提出了一种新型污泥调质预处理方法，即采用非离子型表面活性剂（以烷基糖苷-APG为代表）作为调质处理剂。以表面活性剂在分散性和靶向疏水作用方面增强效应的为原理出发点，分别以0.05 g/g TS和0.10 g/g TS的剂量进行APG预处理，结果显示，产气量相比对照组分别提高了49.7%和62.9%。机理分析表明，APG中的疏水基团与EPS中的疏水基团相互作用，提高了污泥颗粒的表面自由能，促使致密结合的紧密结合态EPS向外疏散。微生物多样性分析结果显示，APG预处理显著改变了细菌和古菌的群落结构，特别是Azonexus、Syntrophomonas、Lutispora等细菌属及Methanosarcina等古菌属成为新的优势菌群。当APG添加量低于0.10 g/g TS时，污泥微观结构的脱稳，显著提升了甲烷代谢通路中关键酶的自由度和活性。该研究为复杂有机废弃物的界面调控及高效生物质能源回收提供了重要的理论支持与实践参考。
引言
活性污泥法是市政污水处理的主流核心技术，每年全球范围内产生超过1亿吨的WAS，带来了巨大的经济和环境管理挑战。厌氧消化（AD）被认为是一种前景广阔的解决方案，它不仅可改善污泥的脱水性能、杀灭病原微生物、提高其肥料效能，更重要的是，可将有机物转化为沼气，从而作为一种环保的化石能源替代品。然而，污泥有机质主要由好氧活性微生物及其分泌的EPS构成，这些结构在AD过程中构成障碍，抑制了有机物的溶解。在物质属性方面，污泥中疏水性蛋白质的包埋使其微观表界面表现出较差的亲水性，赋予污泥自聚性并捕获AD相关酶类，进一步限制反应进行。此外，腐殖酸中的芳香结构与蛋白质之间的π-π电子相互作用也增强了其疏水性。这些疏水组分间的强相互作用所形成的高稳定性，在WAS的AD过程中严重抑制了物质传递效率。
为突破这一瓶颈，可通过破坏微生物EPS内部组分间的相互作用以及分解由疏水物质形成的胶体状结构来提升有机质的可利用性。其中一种可行策略是修饰污泥固相体上的疏水基团，以提升其亲水性、破坏其微观结构稳定性。表面活性剂在实现这一目标方面表现出较大潜力。本研究选择非离子型表面活性剂烷基糖苷（APG）作为处理剂。其预期作用机制为：APG分子中的烷基疏水链可与WAS中的疏水性有机物结合，而亲水性的糖苷基则暴露于界面外部，从而降低污泥颗粒的表面能，增加与微生物酶的结合位点，进而实现结构破稳。
该研究以APG对WAS进行厌氧消化前处理，研究目标包括：（1）评估APG处理对WAS中有机物溶解度和沼气产量的提升效果；（2）从表面自由能、微生物结构和化学角度探究APG对污泥稳定结构的影响机制；（3）分析APG处理后WAS在厌氧消化过程中的微生物群落结构及其功能水平变化。该研究倡导采用非离子型表面活性剂破坏WAS的稳定微观结构，以提升其厌氧资源化潜力。从多角度探讨污泥结构破稳机制，有效填补了现有研究空白，为提升WAS厌氧消化过程中生物能源的回收效率提供了新思路与新路径。
图文导读
3.1 APG处理对WAS中有机物溶解释放与生化产气性能的影响
图1 APG处理下溶解性有机物的变化及厌氧消化沼气生产潜力的差异
随着APG添加量从0.05 g APG/g TS逐步提升至0.10 g APG/g TS与0.15 g APG/g TS，溶解性化学需氧量（S-COD）显著升高，分别达到3,893 mg/L、7,465 mg/L和11,053 mg/L，且S-COD浓度与APG剂量呈明显正相关。溶解性蛋白和溶解性腐殖物也被检出同样的增高趋势。
研究表明当APG投加量为0.05 g/g TS和0.10 g/g TS时，净累积产气量显著提升，分别由对照组的175 mL/g增加至262 mL/g和285 mL/g，相较于对照组提高了49.7%和62.9%。然而，当APG投加量升至0.15 g/g TS时，净累积产气量为176 mL/g，与对照组无显著差异。基于改进Gompertz模型拟合的产气曲线表面，在最大产气速率方面，APG处理组均高于对照组；且在APG投加量为0.05 g/g TS时，产气达到总量80%的时间提前了4天，表明产气速率显著加快，所计算得到的迟滞时间进一步证实了该结果。
3.2 APG对剩余污泥结构的解聚作用
3.2.1 APG处理对WAS表面自由能的影响
图2 不同剂量 APG 处理污泥的扩展 DLVO 曲线
利用DLVO理论计算污泥表面的自由能。原始污泥的附着自由能（ΔGadh）为5.89 mJ/m²，而经APG处理后则显著增加至33.24、32.39和32.49 mJ/m²。ΔGadhAB和ΔGadhLW的升高共同导致了总自由能的上升，其中ΔGadhAB的增加幅度远高于ΔGadhLW，因此是ΔGadh升高的主要贡献项。进一步的X-DLVO理论结果显示，所有样品均未出现能垒现象。在对照组中，当污泥颗粒间距超过3.81 nm时，WTOT为负值，表明颗粒间相互吸引；而当距离低于3.81 nm时，WTOT转为正值，颗粒间呈现排斥趋势。因此，污泥颗粒倾向于在几纳米的间距范围内维持一定距离，从宏观上表现为一种粘稠但无明显团聚的絮体状态。不同APG剂量处理后的污泥，其WTOT曲线大致重合，但相互作用能的零点距离由3.81 nm增大至6.44 ~ 8.15 nm。更重要的是，相比对照组，APG处理组的最大吸引能显著降低，从–553.34 KT降至–20.58、–45.22及–5.10 KT，说明纳米尺度上颗粒间吸引力显著减弱，颗粒分散性与均匀性显著增强。
如图2所示，当两个污泥颗粒距离较近时，总作用能表现为较大的正值，此时WAB为主要贡献项；而随着距离增大，WAB和WR迅速衰减，WA则在较远距离依然发挥作用，使得总表面自由能在某一距离之后转为负值。在比较APG处理前后自由能组成时发现，处理组的WA、WR与WAB均显著高于对照组，三者的共同提升导致总自由能升高，表现为近距离斥力增强，远距离吸引减弱。
3.2.2 APG处理对WAS中EPS的影响
图3 APG 处理对污泥的松散结合胞外聚合物（LB-EPS）和紧密结合胞外聚合物（TB-EPS）的影响
3D-EEM对EPS的检测分析显示，酪氨酸类蛋白、色氨酸类蛋白和腐殖酸类物质在所有样品中均呈现出明显的荧光峰。总体来看，APG处理后，松散结合态EPS（LB-EPS）的厚度明显增加，而紧密结合态EPS（TB-EPS）的厚度则显著下降。具体而言，在LB-EPS中，腐殖物质显著增加，峰值出现在0.05 g APG/g TS剂量时；同时，酪氨酸类蛋白和色氨酸类蛋白也略有增加。相反，在TB-EPS中，腐殖酸类物质、酪氨酸类蛋白和色氨酸类蛋白随着APG剂量的增加而逐渐减少。进一步的蛋白质、腐殖质和多糖的数据检测测提供了更加直接的证据，暗示了大量紧密结合态EPS中有机质向松散结合态甚至溶解性有机质的扩散。
3.2.3 污泥表面官能团的修饰作用
采用傅里叶变换红外光谱对不同APG剂量处理下污泥EPS的化学结构进行了表征。结果表明四条光谱曲线在峰位及数量上高度相似，各化学官能团相对含量的显著差异在于：O–H，C=O，C=C，COO⁻中C=O，及C–O等亲水性官能团标志峰显著增强，验证了EPS含量增加部分来源于APG分子的吸附。FTIR分析结果暗示，APG处理后的污泥EPS中含有更多亲水性官能团，包括酰胺、羧基和糖类结构，从而解释了其增强亲水性和结构扰动的现象。
3.3 APG处理对厌氧微生物多样性及群落结构变化的影响
图4 AD实验结束时，不同样本中来自微生物DNA序列的细菌和古菌的相对丰度
其中，Azonexus、Syntrophomonas和Lutispora的相对丰度明显上升。已有研究指出，Syntrophomonas和Lutispora分别与短链脂肪酸和蛋白质的降解过程密切相关，其丰度上升可归因于液相中蛋白质与腐殖物的大量增加。Azonexus属（尤其是Azonexus hydrophilus）则被认为具有硝酸盐还原能力。其相对丰度的升高可能与大量蛋白质溶解释放，并在微生物作用下转化为硝酸盐相关，从而提升了该菌属的生态位。此结果也间接说明：高剂量APG处理导致大量蛋白质进入液相，在促进微生物营养可及性的同时，也可能带来了氨氮抑制效应，从而影响了厌氧消化性能。
古菌属水平分析的显著差异在于，随着APG剂量的增加，Methanothrix 与 Candidatus Methanofastidiosum的相对丰度分别从36.6%与19.0%下降至21.82%与4.24%。Methanothrix为乙酸型产甲烷菌，而Candidatus Methanofastidiosum为对底物要求较高的甲基还原型产甲烷菌。Methanosarcina的相对丰度由对照组的5.18%上升至0.10 g/g TS组的峰值33.09%。Methanosarcina是唯一可通过三种甲烷生成途径进行代谢的属，且具备良好的甲烷产能和对氨氮、负荷冲击、温度波动和高盐等应激条件的耐受能力。古菌群落的多样性变化表明，部分脂肪酸降解菌受到了抑制，而具有较强甲烷生成能力和耐受能力的产甲烷菌则显著增殖。因此，可以认为APG处理并未对AD系统整体的产甲烷活性产生显著抑制作用，并实现了高效产甲烷活性菌属的富集。
3.4 APG处理对厌氧消化菌群代谢活性的影响
图5 功能基因潜力(a)和表达(b)的变化; 与对拷贝数与CNPS代谢相关的典型基因绝对拷贝数变化c); 产甲烷代谢途径关键生物酶基因的差异(d)
宏转录组和qPCR结果表明，在低剂量（0.05 g/g TS和0.10 g/g TS）下，厌氧系统中与氨基酸代谢和甲烷生成相关的功能基因表达显著提升。尤其在0.10 g/g TS处理组，乙酸脱羧与CO₂还原路径的关键酶（如乙酸激酶、乙酰辅酶A脱羧合酶、甲基辅酶M还原酶等）表达显著增强，表明该剂量最有利于甲烷代谢活性的激发。此外，与胞外呼吸及蛋白质降解相关的基因（如yedZ、mxaf和gdha）绝对拷贝数也呈现上升趋势，说明APG处理增强了电子传递与底物可及性。
然而，当APG剂量增至0.15 g/g TS时，系统中多种关键功能基因（如gcd、acsE、acsA）表达量大幅下降，甲烷代谢相关酶的表达也出现普遍抑制。同时，“氨毒性”相关基因表达上升，推测过量APG溶解了EPS和胞内蛋白，导致氨氮积累进而抑制菌群活性。
4 讨论
4.1 APG处理对剩余污泥（WAS）解稳定机制的作用
图6 APG 处理对WAS影响的机制：从污泥颗粒表面变化到微生物 EPS 改变以及分子相互作用
根据研究结果， APG处理通过多重机制破坏污泥稳定结构，提升其生物可利用性和沼气产能。其由表观至微观的主要作用包括： APG显著提高污泥颗粒表面的排斥力，降低远距离吸引力，导致污泥微粒表面自由能增加，颗粒解聚、流动性增强；APG促使TB-EPS中蛋白质和腐殖质迁移至LB-EPS及液相，破坏了关键稳定屏障；APG的疏水链与污泥中的疏水基团（如甲基、异丙基、吲哚等）结合，使疏水结构解离，释放促使稳定的核心组分。
4.2 APG处理对厌氧微生物群体生理活性的影响
功能基因和代谢途径分析有助于深入了解微生物的 AD 活性。总体功能分析显示，除修复基因略有增加外，各组功能基因无明显差异，表明 APG 对微生物代谢活动的抑制作用有限。甲烷代谢途径的酶分析表明，酶活性显著增强，在APG 剂量为 0.10 g APG/g TS 时达到峰值。这表明 APG 可作为一种酶调节剂，在低剂量时可提高酶活性，但在高剂量时效果相反。其潜在机制包括促进有机物溶解，为酶反应提供更多底物，以及削弱 EPS 与酶的结合，提高酶的自由度和活性。生物酶活性的提高为经 APG 处理的污泥中厌氧发酵效率的提高提供了另一种解释。
5 环境影响
长期以来，WAS 在微生物蛋白质粘附作用下的胶体稳定性阻碍了生物质的高效回收。本研究采用APG来破坏 WAS 的稳定性，获得了高效的产甲烷活性，并研究了其深层次的科学机制。低剂量 APG 能显著提高 WAS 的厌氧消化沼气产量，当 APG 剂量为 0.05 g/g TS 和 0.10 g/g TS 时，沼气产量分别提高了 49.7% 和 62.9%。与其他方法相比，APG 预处理在应用潜力和经济可行性方面都具有显著优势。虽然 APG 预处理在提高 WAS 沼气产量方面的效率可能低于热水解法，但由于热水解法需要过多的能量，其总体产能效率高于热水解法。此外，APG 预处理比高安全系数的热水解反应器更易于操作，只需配料和搅拌设备即可。
在实践中，具有成本效益的非离子表面活性剂可与 WAS 结合使用，以改善厌氧资源转化。值得注意的是，与表面活性剂生产和使用设施（如化妆品厂和洗涤剂厂）产生的废物共同消化是一种可行的策略。表面活性剂的广泛使用，尤其是 APG 的广泛使用，导致其产量巨大。例如，中国山东的一家洗涤剂公司每年生产多达 10 万吨洗涤剂，每天产生 16.7-30 吨废物，这些废物可浓缩至 1.67-9 吨。与此同时，中国安徽省的一家污泥厌氧消化厂每天处理 300-540 立方米污泥（含固量为 7%），按本研究的用量计算，估计需要 1.05-3.78 吨非离子表面活性剂。这表明，来自大型洗涤用品厂的浓缩废物可以充分满足大规模厌氧消化工厂对表面活性剂的需求。不过，还需要进一步研究，以优化表面活性剂的剂量，并为大规模实施开发实用的工程解决方案。
