本文摘要：摘要：污泥有機質(zhì)(特別是胞外聚合物，EPS)高值產(chǎn)品回收將會推動污水/污泥資源化.然而，EPS典型提取方法效率較低、回收產(chǎn)物成分復雜，限制了EPS目標物質(zhì)的高效提
摘要：污泥有機質(zhì)(特別是胞外聚合物，EPS)高值產(chǎn)品回收將會推動污水/污泥資源化.然而，EPS典型提取方法效率較低、回收產(chǎn)物成分復雜，限制了EPS目標物質(zhì)的高效提取、降低了回收物的潛在高值應用.為此，探究高值、高效EPS提取/回收技術極為重要.這就需要改變目前典型的“籠統(tǒng)”EPS提取方法，將“胞外多糖”和“胞外蛋白”這樣的模糊提取物(實為“有機物混合物”)轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕宋镔|(zhì)(如類藻酸鹽物質(zhì)、酸溶性EPS、硫酸鹽多糖、淀粉樣蛋白質(zhì)以及透明質(zhì)酸等)或多目標物質(zhì)(依靠物理、化學性質(zhì)差異分離、提純)，實現(xiàn)產(chǎn)物的定向提取并保證其純度，從而使回收產(chǎn)物獲得高值利用.另一方面，把握進水水質(zhì)、營養(yǎng)物負荷以及運行環(huán)境對污泥EPS形成的影響亦十分重要;同時，需要鑒定易形成EPS的優(yōu)勢菌并掌握其生理、生化特征，這對通過污水處理運行而“原位”增加EPS污泥本底含量具有非常重要的意義.此外，還需要針對高值組分進一步發(fā)展優(yōu)化提取方法(如添加表面活性劑等)，以實現(xiàn)回收物高效提取與高值回收利用.
關鍵詞：胞外聚合物(EPS);高值回收;藻酸鹽;酸溶性EPS;淀粉樣蛋白質(zhì);硫酸鹽多糖
1引言(Introduction)
污水資源化已成為污水處理可持續(xù)發(fā)展的一個重要方向.針對普遍認為棘手的污水處理產(chǎn)物———剩余污泥，目前國際上興起的污泥有機質(zhì)轉(zhuǎn)化高附加值產(chǎn)品的研究也已興起(vanLoosdrechtetal.，2014;Linetal.，2015;Xueetal.，2019;Kimetal.，2020)，傳統(tǒng)上僅僅將污泥有機質(zhì)視作能源載體(轉(zhuǎn)化甲烷/CH4)的觀點正受到質(zhì)疑(Haoetal.，2019).
污泥中胞外聚合物(EPS)、藻酸鹽、PHA等高附加值有機物轉(zhuǎn)化與提取具有潛在應用前景(Madkouretal.，2013;vanderRoestetal.，2015;Urtuviaetal.，2017;Leeuwenetal.，2018;Nancharaiahetal.，2018;Kimetal.，2020).污泥主要由細胞體和EPS兩大部分組成.EPS約占污泥干重的10%～40%(Basuvaraetal.，2015).EPS通常來自于微生物細胞自溶、細胞分泌物以及細胞表面脫落物等，主要為多糖、蛋白質(zhì)(結(jié)構(gòu)蛋白或胞外酶)、核酸、脂質(zhì)、腐殖質(zhì)和其他一些胞內(nèi)物質(zhì)(Flemmingetal.，2016).其中，蛋白質(zhì)和多糖為主要成分，約占EPS總含量的70%～80%.
EPS分子相對較低的表面電荷和較高的疏水性可促進微生物聚集;多糖分子富含羥基、羧基等親水官能團，可以通過吸附架橋等作用形成穩(wěn)定而具有彈性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對游離細胞進行交聯(lián)與固定則有利于污泥絮凝(Wangetal.，2006;Lietal.，2006;Adavetal.，2008a);蛋白質(zhì)和脂質(zhì)可維持絮體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，相應改善污泥生物絮凝性.這些物質(zhì)通過靜電作用力、氫鍵結(jié)合、離子吸引力、生物化學等作用形成緊致高密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可作為微生物的保護層，抵御外部重金屬和有毒化合物等不利因素侵襲(Shengetal.，2010).EPS成分不同性能和組合方式使其具有多種復雜結(jié)構(gòu)，具有較高的回收與利用價值(Moreetal.，2014).目前，對污泥EPS研究側(cè)重于其在污水處理過程中促進污染物去除機理以及在后續(xù)污泥處理處置中承擔的作用.一些以提取與回收EPS研究也多采用典型方法“囫圇”提取，提取物僅僅被謂之“胞外聚合物”或“有機物混合物”，并非“高附加值有機物”，較難獲得純度較高的某一類、甚至某一種有機化合物(Seviouretal.，2019).
國際上，一些學者已經(jīng)意識到這些典型方法的缺陷，開展了較多針對顆粒污泥EPS優(yōu)化提取方法的研究，試圖提高EPS純度與產(chǎn)量，同時保留其理化性質(zhì)(Pronketal.，2017;Linetal.，2018;Lottietal.，2019;Wangetal.，2020)，這些方法與傳統(tǒng)典型方法截然不同.基于此，本文首先闡述EPS在污泥中含量及成分差異，進而分析典型傳統(tǒng)EPS提取方法之利弊;以此為基礎，闡述基于特定單一或多組分物質(zhì)“定制”的提取方法(包括胞外多糖與胞外蛋白質(zhì))，從而指明高附加值回收EPS發(fā)展方向;在總結(jié)進水基質(zhì)、營養(yǎng)物負荷、運行參數(shù)、優(yōu)勢菌屬等因素對污泥EPS產(chǎn)量產(chǎn)生差異的情況下，提出EPS高效增產(chǎn)技術方案;最后，分析當前EPS回收應用瓶頸，以期為EPS未來廣泛回收利用之前景奠定理論與技術基礎.
2EPS含量與成分差異(ProportionsandcomponentsofEPS)
EPS提取的基礎是了解其在污泥中含量以及成分，并剖析其理化特性.不同種類污泥EPS含量不同，列出了3種典型污泥中EPS含量與組分.一般認為絮狀污泥(～10%)相較顆粒污泥(～20%)而言產(chǎn)生的EPS含量少，而生物膜EPS含量則處于最低水平(Mahendranetal.，2012;Basuvarajetal.，2015;Dingetal.，2015;Zhuetal.，2015).EPS通過改變表面電荷以及疏水性影響污泥絮凝以及造粒過程(Zhuetal.，2015)，而從活性污泥向顆粒污泥造粒轉(zhuǎn)變過程其EPS含量變化機理則存在較大爭議(Tuetal.，2012;Lietal.，2017;Schambecketal.，2020).
研究表明，在絮狀污泥向顆�；D(zhuǎn)化的前后階段(80%絮狀污泥顆�；�)EPS含量并無明顯變化(Schambecketal.，2020);但也存在著相反的研究結(jié)果，認為EPS含量隨著顆�；潭忍岣叨粩嘟档�(Tuetal.，2012;Lietal.，2017).一些研究還認為，較高水平EPS含量有利于顆粒污泥形成與穩(wěn)定(Liuetal.，2009;Tangetal.，2011)，但過量EPS則會限制氧氣、有機物和營養(yǎng)物質(zhì)擴散與傳質(zhì)，這意味著過量EPS對顆粒污泥的穩(wěn)定性是有害的(Corsinoetal.，2016).
不同污泥EPS含量不同，其組分也不一樣，而關于EPS對污泥聚集性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有決定影響的關鍵成分目前還未得到明確界定(Yu，2020).針對生物膜，有人利用熒光原位雜交(FISH)與熒光染色兩種分子生物學方法研究了生物膜EPS與微生物在生物膜表面縱向空間分布;結(jié)果顯示，生物膜中不同組分沿EPS厚度方向上呈梯度變化，表層蛋白質(zhì)含量高，而沿生物膜深度方向逐漸減少，多糖則與之相反(陳園園等，2017).
這可能是因為表層高活性微生物增殖與代謝能力均強于內(nèi)層，導致產(chǎn)生的胞外酶相對較多，而胞外酶則是一種組成EPS的特殊蛋白質(zhì)分子(陳園園等，2017).多糖凝膠特性是作為生物膜的“粘合劑”，有利于微生物粘附聚集到載體表面，尤其對生物膜吸附成膜具有重要作用，這與生物膜內(nèi)沿深度方向粘結(jié)力增大所相對應，導致多糖含量沿生物膜深度方向逐漸增加(殷峻等，2012).
從這些研究可以推測得出，生物膜系統(tǒng)中胞外蛋白和胞外多糖也許是分別作為功能性成分和結(jié)構(gòu)性成分而存在.研究表明，EPS對顆粒污泥形成、結(jié)構(gòu)和功能完整性存在重要影響，可促進顆粒污泥形成(Wangetal.，2005;Shengetal.，2010).但不同于生物膜，研究認為胞外蛋白可能是顆粒污泥EPS的主要結(jié)構(gòu)性成分，而非功能性成分(McSwainetal.，2005;Zhuetal.，2012;Zhuetal.，2015;Lottietal.，2019).
蛋白質(zhì)含有較多疏水性官能團、且能有效降低細胞表面電負性容易凝聚成細小生物聚集團體，最終幫助成核;輔之以反應器水力篩選作用，最終富集獲得大顆粒污泥(Boleijetal.，2019;Lottietal.，2019).研究人員采用原位熒光染色、輔以激光共聚焦顯微鏡(CLSM)技術觀測到顆粒污泥的最內(nèi)核主要是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，推測蛋白質(zhì)是形成顆粒污泥的基礎(McSwainetal.，2005).
有人利用三維熒光光譜(3D⁃EEM)和十二烷基硫酸鈉⁃聚丙烯酰胺凝膠電泳法(SDS⁃PAGE)也得到同樣結(jié)論，認為芳香蛋白、色氨酸蛋白等高分子量蛋白是顆粒污泥中關鍵組分，其蛋白結(jié)構(gòu)上多種官能團可以提供更多與陽離子和其他有機物結(jié)合位點和作用點，對顆粒污泥形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起著重要作用(Zhuetal.，2015);進一步對EPS成分多糖和蛋白質(zhì)量化分析發(fā)現(xiàn)，胞外蛋白含量在絮狀、好氧顆粒污泥以及厭氧顆粒污泥LB⁃EPS(松散型EPS)中含量分別為(8.5±1.5)、(33.6±9.7)以及(27.1±2.8)mg·g-1，而在TB⁃EPS(緊密性EPS)中分別為(43.1±2.7)、(96.8±11.9)以及(61.6±4.2)mg·g-1，表明不論在TB⁃EPS還是LB⁃EPS中，顆粒污泥中胞外蛋白含量都要遠高于絮狀污泥;而胞外多糖含量在三者之間卻無明顯差異，平均約為30mg·g-1(Zhuetal.，2015).
胞外蛋白與胞外多糖之比(PN/PS)也能更好評價污泥EPS成分特征;顆粒污泥PN/PS值分別為3.3(好氧)和4.2(厭氧)，遠遠高于活性污泥絮體的1.6(Zhuetal.，2015)以及生物膜的1.2(Mahendranetal.2012)，推測可能較高的PN/PS比更有利于污泥顆粒化轉(zhuǎn)變和穩(wěn)定性保持(Zhuetal.2012).但也有研究認為，胞外蛋白并非EPS主要結(jié)構(gòu)成分;因為胞外多糖具有凝膠性質(zhì)，它可能才是主要促成和保持污泥顆�；闹饕煞�(Seviouretal.，2010a;Linetal.2010).
3典型EPS提取方法(ConventionalEPSextractionmethods)3.1方法評價
不同種類污泥EPS含量與組分差異較大，EPS主要結(jié)構(gòu)與功能組分還存在較大爭議，直接影響到EPS在污水處理過程促進污染物去除的角色與機理探究.為此，大部分提取、分析EPS的研究均期望能得出有關EPS的準確結(jié)論.綜合來看，這些研究中有關污泥典型EPS提取方法主要包括物理法、化學法及其組合方法.
其中，物理法通常是采用外力(如，剪切力、離心力等)將EPS與細胞分離，并將其溶解后實現(xiàn)固、液兩相分離，包括超聲波處理、高速離心和熱提取法;化學法是通過添加化學試劑(如，酸、堿、有機溶劑等)實現(xiàn)與EPS所含某些特殊官能團螯合而實現(xiàn)EPS的分離與提取，包括陽離子交換樹脂(CER)、甲醛⁃氫氧化鈉(HCHO⁃NaOH)法、乙二胺四乙酸(EDTA)法、高溫碳酸鈉(Na2CO3)法和甲酰胺⁃氫氧化鈉(HCONH2⁃NaOH)法等(Shengetal.，2010).典型EPS提取方法原理與優(yōu)缺點比較(方曉敏，2019).
4EPS提“純”策略(StrategiesforhighpurifiedEPS)
優(yōu)化方法直接影響到提取效率以及提取組分.目前，EPS典型提取方法只是將EPS作為一種籠統(tǒng)研究對象，并沒有針對其中某種組分或結(jié)構(gòu)予以提取并分離(Seviouretal.，2019).高效優(yōu)化方法則改變固有觀念，在考慮EPS組分的物理、化學性質(zhì)差異基礎上，“定制”基于產(chǎn)物的提取方法，有可能分離出某種或幾種高純度EPS物質(zhì)，使EPS高值回收成為現(xiàn)實.
5高EPS含量策略(StrategiesforhighEPScomposition)
5.1本底增量高質(zhì)
EPS提取僅從提取物純度角度出發(fā)，試圖提高EPS應用的附加值.但污泥EPS提取效率受限于污泥本底EPS含量，這又決定于進水基質(zhì)、營養(yǎng)物負荷、運行參數(shù)、優(yōu)勢菌屬等諸多因素.探究這些條件下污泥EPS產(chǎn)量差異，將有助于高效提取EPS，增加其回收效率.
5.1.1進水基質(zhì)
進水水質(zhì)及比例會影響EPS產(chǎn)量及組分.人工配水活性污泥EPS產(chǎn)量明顯低于實際生活污水，而摻混一定比例工業(yè)廢水污泥EPS含量則會發(fā)生明顯變化.這與Pronk等(2017)研究結(jié)果一致，以乙酸鹽作為碳源的顆粒污泥獲得的ALE僅為1.4%VSS，遠低于實際污水顆粒污泥的17.8%VSS.
這可能是因為污水作為營養(yǎng)基質(zhì)，某些微生物能分解得到或直接合成某些營養(yǎng)物質(zhì)而被其他微生物所利用，這些共生關系微生物菌株處于產(chǎn)生EPS有益環(huán)境之中，可提高EPS產(chǎn)量.如垃圾滲濾液中高濃度氨氮會導致胞外蛋白增加(Wilénetal.，2003;Pengetal.，2012)，而染料、釀酒廢水中的高碳水化合物則可促進胞外多糖生成(Sponza，2002;Wilénetal.，2003)，進水成分若含有較多硫酸根離子則易生成硫酸鹽多糖物質(zhì)(Xueetal.，2019).
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6結(jié)論(Conclusions)
1)高附加值回收產(chǎn)物是污水/污泥資源化成功與否的關鍵，而EPS作為天然有機高聚物所表現(xiàn)出的輕質(zhì)阻燃特性使之有可能作為飛機等航空器的表面涂層.這就是為什么近年來國際上對污泥EPS研究一下上升為高效提取、高值利用的主要原因.然而，污泥EPS提取方法非常復雜，典型提取方法所提取獲得的往往是“籠統(tǒng)”有機物混合物，無法實現(xiàn)回收物的高值利用.
2)傳統(tǒng)提取方法存在物理低效性和化學低值性等缺陷.于是，針對污泥EPS組分胞外多糖(類藻酸鹽物質(zhì)、酸溶性EPS、硫酸鹽多糖以及透明質(zhì)酸等)和胞外蛋白(淀粉樣蛋白質(zhì)等)的深度分離與提純技術開始出現(xiàn).類藻酸鹽物質(zhì)提取、分離技術發(fā)展歷程表明，隨著物質(zhì)檢測與分析手段不斷完善，基本上可以實現(xiàn)目標回收物純度提高的愿望，并建立高效的提取、回收技術體系.為此，通過研究制定出基于單一目標或多目標產(chǎn)物的提取技術策略，這對提高分離回收產(chǎn)物純度，實現(xiàn)其高值利用意義重大.
3)此外，EPS高效回收也受限于其污泥本底含量.不同進水基質(zhì)(生活污水、工業(yè)廢水等)、營養(yǎng)物負荷(碳、氮、磷元素均衡)以及運行工況(溶解氧、溫度、pH、污泥停留時間和污泥負荷等)、系統(tǒng)優(yōu)勢菌屬等都會影響污泥EPS的生成與性質(zhì).目前，EPS增量機理并無統(tǒng)一結(jié)論，需統(tǒng)一考量實際過程諸因素對EPS的影響，因地制宜地針對具體EPS組分進行過程優(yōu)化，以實現(xiàn)目標物污泥系統(tǒng)中“原位”增產(chǎn).同時，應借鑒其他協(xié)同手段(如，表面活性劑增溶)進一步優(yōu)化提取方法，以實現(xiàn)回收物高效提取與高值回收利用.
未來基于EPS研究則需要更加關注EPS檢測與分析的方法，以深入透徹了解EPS在污泥中的功能與結(jié)構(gòu)影響，不僅指導污水處理提質(zhì)增效，同時也進一步明晰EPS提取與應用之路.
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作者：郝曉地∗，甘微，李季，吳遠遠
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