表面活性剂强化超声波提取剩余污泥中高分子物质

文章亮点

次提出同步从剩余污泥中回收细胞内外聚合物

、无毒、可生物降解CTAB表面活性剂性剂

CTAB显著加强超声提取聚合物

回收聚合物中Al、Na、Ca含量显著降低

回收的高分子对重金属离子吸附性能可与商用吸附剂媲美

文章简介

污水资源化是未来污水处理的发展方向，也是人类可持续发展的必然。多糖、蛋白质、腐殖质、核酸、DNA、磷脂、糖醛酸和矿物质可作为印染原料、珠宝和服装原料、阻燃材料、土壤调节剂、吸附剂、生物絮凝剂、饲料添加剂，应用于水处理、农业、园艺、造纸、医疗、建筑等领域，具有重要的回收价值。

剩余污泥中的微生物种类繁多。因此，从中提取的物质必须是各种聚合物的混合物。它们都有典型的活性基团，如羧基、羟基和磷酸基。这些基团的存在可以使提取的聚合物作为重金属离子吸附剂。因此，该团队首次提出从剩余污泥中同步回收细胞聚合物（Extracellular polymeric substances，EPSs）和内聚合物（Intracellular polymeric substances，IPSs），即混合的高分子物质。

超声波作为一种清洁处理技术，在工作过程中不需要添加化学物质，也不会造成二次污染。超声波可以在水相中分散絮凝剂，空化效应可以将大颗粒破碎成小颗粒。超声波产生的剪切力和孔冲击压力破坏污泥中的生物絮凝结构，破坏细胞壁，促进细胞内物质的释放，促进悬浮溶解，将不溶性有机聚合物转化为可溶性有机物；超声波还可以改变污泥的粒度、脱水和生物降解。

超声波法虽然能有效破碎细胞，但具有效率高、设备简单、操作方便优点，但它是一种能源密集型处理方法，的缺点是运行能耗高，限制了实际应用的可能性。表面活性剂具有溶解作用，可以去除细胞膜上的蛋白质，通过影响渗透压，增加细胞膜的渗透性，加剧对污泥絮凝剂的破坏。此外，表面活性剂可以促进从剩余污泥中提取EPS，改变细胞结构，影响污泥特性。

表面活性剂强化超声波法可用于提取天然聚合物材料或降低能耗的预处理方法。本研究从具有典型官能团的混合物回收开始PSs从表面活性剂强化超声波法同步提取剩余污泥EPSs和IPSs，优化工艺条件，讨论PSs提取前后的材料性能、重金属离子的吸附性能和污泥的过滤脱水性能。本研究可为未来的污水处理技术和污水回收提供思路，限度地提高剩余污泥的利用率，并于2021年9月发表《Chemosphere》国家发明授权(号:ZL201910739281.5）。

主要结果

表面活性剂强化超声法是从剩余污泥中回收的PSs一种有优势的提取方法。优化能耗和提取效率后，超声功率为100 W、有效超声时间为5 min，5145 离心速度r·min-1.十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）浓度为0.1 g·L-1时，PSs提取效率，比超声波法高76.5%。CTAB相较于SDS无毒可生物降解，可减少提取PSs残留物的处理负担。由于超声波破碎细胞，表面活性剂强化超声波法含有IPSs和EPSs的PSs（tp = 5 min，CCTAB= 0.1 g·L-1)提取效率远高于阳离子交换树脂（CER）法。

剩余污泥的表面活性剂强化超声PSs有机物释放是由絮体解体和细胞溶解引起的。PSs释放机制可包括以下四种机制中的一种或多种：

表面活性剂可以降低溶液的表面张力，加剧超声波的空化作用，促进细胞内外聚合物的脱附，从而减少超声波过程中的能量消耗；

表面活性剂损坏EPSs与微生物细胞体的非共价键，导致EPSs脱附于细胞膜表面；

表面活性剂增加了多糖、蛋白质等聚合物的溶解度；

磷脂双分子层等表面活性剂中极性官能团破坏细胞膜或细胞壁结构，导致细胞裂解IPSs释放。

PSs蛋白质含量高于多糖、多糖、蛋白质和DNA约占百分比PSs总量的50%。表面活性剂浓度的变化PSs这可能是因为中高分子的百分含量影响较小EPS和IPS各组分的构成相似。DNA百分比保持恒定，表明在相应条件下CTAB浓度的增加并没有促进剩余污泥中细胞的裂解。表面活性剂强化超声提取聚合物(记录为PSus）粒径小于未添加表面活性剂提取的聚合物(记录为PSu），表明剩余污泥的粒径较小EPS超声提取可通过表面活性剂强化；这可能是由于表面活性剂的相似相溶性，导致小粒径IPSs释放，小粒径PSs溶解度增加。PSus和PSu有各种特征的官能团，如O–H、–NH2、C=O、C–N、N–H、COO–、C–O–C、C–OH和P–O，换句话说，两种PSs它含有蛋白质、多糖和脂质DNA以及芳香化合物等聚合物，从剩余污泥中提取表面活性剂PSs特性影响小。

PSus和PSu中C、O、N和P含量差异较小，PSus中金属含量显著降低（Al：0.18% →0；Na：0.15% →0；Ca：0.24% →0.11%)，可能是因为CTAB与剩余污泥中的金属离子发生作用，CTAB结合细胞表面的阳离子作为污泥细胞表面的化学修饰剂，取代细胞表面的阴离子基团（Al3 、Ca2 、Na )。值得注意的是，EPS金属盐等无机物常被研究人员忽视，无机物的存在会影响PSs的理化性质，故PSus可能比PSu性能更好。

分析PSs特征官能团，C–(C,H)主要来自烃类化合物，包括多糖或氨基酸和脂质侧链；C–(O,N)酰胺、醇或胺基来自蛋白质和多糖；C=O和O–C–O羧酸盐、碱、酰胺、缩醛或半缩醛通常存在；O=C–OH和O=C–OR羧基或酯基来自羧酸和糖醛酸；O=C来自基础、羧酸盐、酰胺或酯基；C–O–C和C–O–H存在于醇、半缩醛或缩醛中；Nnonpr存在于酰胺和胺中；Npr氨基酸或氨基糖通常存在。C 1s中官能团含量的差异主要是由于PSus和PSu蛋白质、核酸等有机物的含量不同。O 1s，PSu中的C–O–C和C–O–H高含量可能是由于多糖含量的不同。通过苯酚-硫酸法测定多糖含量，发现两种多糖含量差异不大，但官能团含量百分比差异较大，可能是由于表面活性剂能诱导酸性多糖沉淀，导致多糖官能团含量差异。Npr超声波处理在一定程度上导致部分蛋白质水解，PSus中Npr值大于PSu中Npr值可能来自细胞破裂后释放的IPS。

回收的PSs吸附重金属离子是其典型特性之一。研究发现，PSus和PSu对Pb吸附效率与商用吸附剂相似，PSus、PSu对商用吸附剂Pb526.32 mg·g-1、500.00 mg·g-1和500.00 mg·g-1，与EPSs对Pb吸附量5555 .56 mg·g-1.相似性表明从剩余污泥中提取的PSs对Pb2 的吸附能力受提取方法的影响较小。因此，从剩余污泥中回收的表面活性剂强化超声波法PSs有望作为去除Pb2 替代重金属离子吸附剂。

EPSs对污泥絮凝性能有显著影响，进而影响污泥的相关特性。RSu和RSus超声波作用从剩余污泥中提取PSs残留污泥。RSus小于RSu颗粒尺寸表明表面活性剂的作用不仅更强PSs可以避免提取效果EPSs与微生物细胞的絮凝作用使污泥絮凝更加分散，进一步证实表面活性剂强化超声波法可以从剩余污泥中提取PSs有效的方法。此外，探索RSu和RSus脱水性能发现滤饼含水量接近78.34%和80.98%；两种污泥过滤行为相似，表明表面活性剂从超声波中提取剩余污泥PSs残留污泥的脱水性能影响较小。

结语

表面活性剂强化超声波法提取了剩余污泥PSs方法。建议使用、无毒、可生物降解的0.1 g/L CTAB阳离子表面活性剂为100 W、5 有效超声时间min离心速度为5145 r/min。提取率的增加主要是由于表面活性剂降低了溶液的表面张力和损伤EPSs增加与微生物细胞体的非共价键和相似相溶性PSs细胞裂解引起的溶解性和溶解性IPSs释放。PSs中Al、Na、Ca等待金属含量显著降低。表面活性剂对PSs性能、PSs对HMI污泥的吸附能力和脱水性能影响不大。PSs可作为商用重金属离子吸附剂的替代品。

           
来源：水业碳中和资讯

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