科研 | Water Research：利用等电点预处理以强化剩余污泥在厌氧条件下产甲烷的过程：界面热力学、电子转移及微

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

微科盟原创微文，欢迎转发转载。

导读

活性污泥法在水处理中的广泛应用产生了大量的剩余污泥（Waste Activated Sludge，WAS）。剩余污泥中含有大量易腐有机质，如果处理不当，极有可能造成严重的二次污染。通过厌氧消化法处理剩余污泥，既能够削减其造成的污染、降低碳排放，同时能够以甲烷的形式回收生物能源。但是，由于剩余污泥体系复杂且功能微生物群丰度较低，在一定程度上阻碍了其厌氧产甲烷效率，限制了剩余污泥的资源化利用潜力。基于此，研究者开发出了许多手段对剩余污泥进行预处理，以提升厌氧产甲烷效率。本研究通过污泥界面热力学、电子传递和微生物群落的研究，揭示了等电点(pI)预处理对甲烷产率的增强作用。实验结果表明，经pI预处理后，产甲烷潜力、最大产甲烷速率和沼气中最大甲烷占比分别提高了122.2%、154.4%和17.4%，表明pI预处理提高了甲烷的产效率。在170天的产甲烷发酵周期内，分析了pI处理前后，污泥固液界面非共价相互作用能、电子转移能力（ETC）及还原峰电位的变化，结果表明：pI预处理增强了污泥自驱动固液界面疏水性、增加了界面酶反应的非生物驱动力、提高了电子转移效率，并且降低了还原反应的势垒。由此推测，这些变化将会导致甲烷产量的增加，界面自由能(IFE)和ETC与甲烷日产量之间的相关性分析证实了这一点。此外，对发酵过程中添加和不添加pI的污泥样品进行微生物群落分析，结果表明：pI预处理显著(P < 0.05)提高了与水解、酸化和产甲烷等过程相关的功能微生物的相对丰度。进一步的研究表明，污泥表面的疏水引力和较高的ETC值有利于氢营养型产甲烷菌的富集(+29.9%)。这些发现有望为开发第二代预处理方法提供一个概念框架，并为揭示厌氧消化这一“黑箱”过程的细节提供技术理论参考。

论文ID

原名：Enhancing methanogenic fermentation of waste activated sludge viaisoelectric-point pretreatment: Insights from interfacial thermodynamics，electron transfer and microbial community

译名：利用等电点预处理以强化剩余污泥在厌氧条件下产甲烷的过程：界面热力学、电子转移及微生物群落

期刊：Water Research

IF：9.13发表时间：2021.3

通讯作者：戴晓虎

通讯作者单位：同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室；上海市污染控制与生态安全研究院

实验设计

从位于江苏苏州的污水厂收集剩余污泥（WAS）。在实验室条件下，对剩余污泥进行30天的厌氧培养以获得用于产甲烷发酵的接种污泥。不同污泥样品的性质见表S1。pI测量和pI预处理见之前发表的文章以及附录文本S1和S2。不同pH条件下污泥的Zeta电位见图S1。经过pI处理的污泥样本为实验组（EG），未经pI预处理的污泥样本为对照组（CG）。通过为期170天的中温批次试验（37℃，120 rpm）研究了污泥的产甲烷发酵。每个污泥样品使用32个相同的血清瓶（250 mL），每个样品分为两组平行研究。每瓶以1:2的VS比投入接种污泥和基质。对EG组，包含156.8 g基质和72.4 g接种污泥；对CG组，包含176.9 g基质和72.4 g接种污泥；此外，以仅包含72.4 g接种污泥瓶子作为空白样。试验开始前，调节各瓶子中污泥的pH至7，并密封。试验期间，定期测量沼气中的甲烷含量及相应的NCMP值，并取出一定量污泥用于微生物群落分析。使用伪一阶和经过修饰的Gompertz动力学模型拟合前25天的甲烷净累积产量（NCMP）。通过接触角测量、电化学工作站等分析了污泥固液界面的热力学和电化学特性。根据前人研究计算了电子转移能力（ETC）、电子接受能力（EAC）、电子供给能力（EAC）、电导率（σ）、离子强度（μ）。通过高通量测序分析了污泥中细菌和古菌群落。采用标准方法测定了污泥样品的TS、VS/TS比值和主要多价金属含量（Al、Ca、Fe、Mg、Zn、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb）。通过Zetasizer测定了污泥的Zeta电位和σ值。通过马尔文粒径分析仪分析了污泥的粒径分布及Df。通过气相色谱分析了VFA浓度。所有的测试均进行三次，所有的试验数据以平均值+标准差的形式表示。

结果与讨论