提取温度对剩余污泥中类藻酸盐胞外聚合物回收的影响机制及资源化应用研究

推荐：本研究针对污泥资源化回收中的关键参数——提取温度，系统探究了50-95°C对类藻酸盐胞外聚合物(ALE)产量、组分及凝胶性能的影响。结果表明95°C提取时ALE产量达218.6 mg/g VSS，净收益提升至1.046 CNY/kg SS，同时污泥减量达19.8%。通过FT-IR、EEM-PARAFAC等技术揭示了温度对蛋白质/多糖(PN/PS)比例及凝胶力学性能的调控机制，为优化污泥高值化利用工艺提供理论支撑。

　　

随着全球城市化进程加速，污水处理厂产生的剩余污泥(WAS)处理已成为环境领域重大挑战。传统填埋和焚烧方式不仅造成资源浪费，还带来二次污染风险。在此背景下，从污泥中回收高附加值生物聚合物——类藻酸盐胞外聚合物(ALE)备受关注。这种天然高分子与商业藻酸盐结构功能相似，可作为增稠剂、成膜剂应用于食品、医药等领域。荷兰Kaumera公司已实现ALE工业化生产，年产值预计达1.7亿欧元。然而，作为核心工艺参数的提取温度如何影响ALE产量、组分和功能特性，此前缺乏系统研究。

针对这一科学问题，来自青岛的研究团队在《Water Cycle》发表论文，通过多尺度分析揭示了50-95°C温度梯度下ALE的回收规律。研究采用碱热提取法结合冷冻干燥技术获取ALE样品，运用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析官能团特征，三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)解析组分变化，紫外光谱计算E₂
/E₃
、E₂
/E₄
比值评估分子特性，并通过扫描电镜(SEM)和压缩测试表征凝胶微观结构与力学性能。

3.1 ALE产量
温度升高显著提升ALE产量，95°C时达218.6 mg/g VSS，较80°C提高47.4%。经济核算显示净收益从80°C的0.441 CNY/kg SS增至95°C的1.046 CNY/kg SS，利润率从31.98%提升至64.81%。

3.2 多糖与蛋白质
温度对蛋白质提取的影响更显著：95°C时蛋白质产量达92.9 mg/g VSS，而多糖仅25.9 mg/g VSS。PN/PS比从65°C的1.09升至95°C的3.81，这种组分变化赋予ALE更强的粘附性和成膜性。

3.3 光谱分析
FT-IR显示所有温度下ALE官能团与商业藻酸盐高度相似。EEM-PARAFAC鉴定出三类组分：C1(芳香族蛋白)、C2(微生物蛋白)和C3(腐殖质)，其中C1在>75°C时荧光强度急剧增加。UV光谱中E₂
/E₃
、E₂
/E₄
比值随温度下降，表明高温促进ALE腐殖化和分子量降低。

3.4 凝胶微观结构
SEM显示50°C提取的ALE凝胶具有86.28 μm大孔结构，而95°C样品孔径缩小至47.90 μm，形成更致密网络。这种结构变化与蛋白质变性导致的分子构象改变相关。

3.5 凝胶力学性能
压缩模量从50°C的1.45 MPa骤降至95°C的0.11 MPa，表明高温提取的ALE更适合柔性应用场景。

3.6 污泥残渣特性
95°C提取使污泥有机质减少19.8%，但比阻(SRF)升至160×10¹²
m/kg，脱水性能略有下降。

该研究首次系统阐明了提取温度对ALE回收的全面影响：高温(95°C)在提升产量和经济性的同时，通过调控PN/PS比例和分子特性，使ALE适用于不同工业场景。研究提出的温度优化策略，为污泥资源化提供了兼具环境效益与商业可行性的解决方案，对推动循环经济发展具有重要意义。特别是ALE在实现污泥减量(19.8%)方面的突出表现，为污水处理厂降低处置成本提供了新思路。未来研究可进一步探索温度与其他提取参数的协同效应，以及不同来源污泥的ALE回收差异性。