从短暂泡沫到持续泡沫：厌氧消化过程中有机负荷过重时污泥衍生蛋白质和腐殖物质的界面特性

《Bioresource Technology》：From transient to persistent foaming: Interfacial characteristics of sludge-derived proteins and humic substances under organic overloading in anaerobic digestion

　　

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  在厌氧消化过程中，关键的有机负荷率（OLR）阈值能够实现早期泡沫预警。
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  腐殖酸在降低表面张力和促进泡沫形成方面的作用超过了蛋白质。
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  在高OLR条件下，腐殖酸和蛋白质（而非丙酸）是主要的泡沫稳定剂。
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  泡沫形成能力依次为：腐殖酸 > 污泥蛋白质 > 丙酸。
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  泡沫的形成与疏水性氨基酸（如丙氨酸和脯氨酸）有关。

引言

在污水处理厂中，污泥处理对于减少污泥量、稳定污泥以及保障环境安全至关重要（Xu等人，2023年；Zhang等人，2026年）。厌氧消化（AD）能够有效稳定污泥并回收沼气（Wang等人，2023年；Xie等人，2024年；Wang等人，2026年），但其性能容易受到环境因素的影响（Daskiran等人，2025年；Chen等人，2026年）。最近的研究指出，严重的泡沫问题是AD过程中常见的问题，其特征是沼气气泡的积累和稳定泡沫层的形成（Liang等人，2024年）。

由表面活性物质或疏水性颗粒引起的泡沫会降低表面张力，从而降低气液界面的自由能障碍。由此产生的泡沫积累会减少消化器的有效容积，抑制沼气的产生和有机物的去除，并可能引发堵塞、溢出或爆炸等危险。例如，调查显示，在丹麦和德国的沼气厂中，泡沫问题普遍存在，导致沼气损失高达20-50%（Kougias等人，2014年）。因此，研究泡沫形成机制、建立早期预警指标和发展控制策略至关重要。

废活性污泥（WAS）富含表面活性物质（蛋白质和腐殖酸），这些物质会增加泡沫形成的风险（Pang等人，2025年）。厌氧消化器中的泡沫形成受到OLR、中间产物和微生物群落的影响；高OLR会促进蛋白质和腐殖酸的积累，从而显著增强泡沫的稳定性。两亲性污泥蛋白质（约占细胞干重的50%）在气液界面吸附，而类似腐殖质的胞外聚合物物质（EPS）会进一步促进泡沫形成（Karakashev等人，2015年）。高蛋白质含量的底物与甲烷产量呈正相关，但据报道，灵活的小分子蛋白质比刚性蛋白质更有效地降低表面张力（Van Weelden等人，2016年）。大多数研究依赖于合成底物或商业腐殖物质，而忽略了实际污泥的复杂性和微生物间的相互作用。尽管对活性污泥系统中EPS介导的泡沫形成进行了大量研究，但先前的大部分研究存在以下问题：（i）使用的是商业模型化合物而不是来自污泥的天然蛋白质和腐殖酸；（ii）仅关注泡沫形成的潜力，未区分短暂泡沫的初始阶段和持续泡沫的稳定阶段；（iii）缺乏对典型EPS成分在真实OLR驱动转变情景下的相对贡献的系统性评估和量化。因此，从短暂泡沫向持续泡沫转变的机制仍不清楚，特别是污泥来源的蛋白质和腐殖物质的贡献。

最近的研究加深了对厌氧消化中泡沫稳定性的理解，发现疏水性蛋白质和腐殖物质通过不同的物理化学途径稳定泡沫。蛋白质通过界面吸附降低表面张力，而腐殖物质则通过增加液膜粘度来延缓排水和气泡合并（Elkahlout等人，2026年）。底物组成进一步调节了这一行为。例如，富含碳水化合物的原料会提高EPS的粘度，产生更大、更持久的泡沫；而富含蛋白质的底物则通过酶活性降低表面张力，产生较小但不太稳定的泡沫（Vázquez-López等人，2026年）。总的来说，这些发现表明，泡沫的持续性不仅仅取决于气体产量，还取决于特定污泥来源的大分子的积累和界面行为。然而，在实际消化器条件下，单个EPS成分对泡沫形成的定量贡献仍不清楚，这阻碍了预测性早期预警指标和针对性控制策略的研发（Kittiwaraphan等人，2026年）。

在厌氧消化器中，当表面活性物质降低气泡形成的能量障碍时会产生泡沫，而当界面膜抵抗排水、合并和破裂时泡沫会持续存在。虽然蛋白质、腐殖物质、挥发性脂肪酸和微生物群落都与AD中的泡沫形成有关（Delahaije等人，2022年），但它们在泡沫初始形成和稳定过程中的具体作用在真实的污泥基质中仍不明确。以往的研究经常使用商业模型化合物或合成底物，这些模型和底物无法准确反映污泥来源物质的分子异质性、功能基团、聚集行为和界面特性（Yang等人，2021年；Zhao等人，2024年）。

一个尚未解决的关键问题是，在有机负荷增加的情况下，泡沫的形成仅仅是气体产量增加的结果，还是反映了消化物中更广泛的物理化学变化。有机负荷过载可能会促进EPS、蛋白质、类腐殖质大分子和挥发性脂肪酸（VFAs）的积累（Krasowska等人，2019年），从而改变表面张力、粘度、气泡捕获、排水和界面膜的稳定性。然而，这些因素在从短暂泡沫向持续泡沫转变中的相对贡献，以及它们与微生物群落变化之间的关联，仍不够清楚。

在这项研究中，所研究的类腐殖质物质是从经过热处理的污泥消化物中提取的，因此代表了评估过程中操作相关的成分。一个半连续的嗜温厌氧消化器在逐步增加的OLR下处理经过热碱处理的废活性污泥，以诱导和监测泡沫的形成过程。研究目标是：i）确定泡沫形成和持续泡沫的OLR阈值；ii）表征泡沫形成过程中污泥来源的EPS、蛋白质和腐殖物质的积累和成分变化；iii）使用特定成分的检测方法区分污泥来源的蛋白质、腐殖物质和丙酸对泡沫形成和稳定性的单独贡献；iv）将泡沫稳定性与表面张力、粘度、气泡大小变化和排水行为联系起来；v）评估与泡沫形成相关的微生物群落变化。通过结合实验室规模的反应器观察和特定成分及界面的证据，本研究为理解和预测污泥AD反应器中的持续泡沫提供了机制框架。

章节片段

废活性污泥和接种物

底物来自中国无锡一家污水处理厂（WWTP）收集的脱水污泥。脱水污泥在-18°C下储存，使用前在4°C下解冻，以最小化底物特性的变化并保持实验的一致性。然后对污泥进行热碱处理，调整水分含量至96.0%，用1M NaOH将pH值提高到10.0，并在105°C下加热12小时。处理后

消化器中的反应器性能和泡沫演变

脱水污泥（TS为16.3±0.1%，VS为7.4±0.1%，TCOD为111910±642 mg/L）以碳水化合物为主（干物质中707.8±0.8 mg/g），蛋白质和脂肪含量相对较低（见补充材料）。在7个OLR阶段（1至15 g COD/(L·d)）内，甲烷产量从第38天开始稳定在大约50.0%（图1a）。甲烷产量的持续下降（图1b）与持续泡沫的形成同时发生。在OLR为5 g COD/(L·d)时，生物气体产量达到峰值

结论

本研究系统地阐明了在逐渐增加有机负荷率的半连续厌氧消化器中泡沫形成的机制。泡沫的形成和持续泡沫的转变分别发生在OLR范围为3–5 g COD/(L·d)和5–7 g COD/(L·d)的情况下。在这些负荷条件下，腐殖酸的积累量达到约600 mg/L，是导致泡沫形成的主要EPS相关因素

CRediT作者贡献声明

Zhang Xuedong：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，资源管理，项目规划，概念化。Sun Huimin：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，研究，数据管理。Huang Shaocong：可视化，验证，软件开发，方法论，研究，形式分析。Li Xin：数据管理。Liu Hongbo：撰写——审阅与编辑。Zhu Ze：撰写——审阅与编辑。Liu He：撰写——审阅与编辑，监督，资金提供

未引用的参考文献

Delahaije和Wierenga，2022年；Ganesan Narsimhan，2018年；Karakashev和Manev，2015年；Kubyshkin和Rubini，2024年；Lexis和Willenbacher，2014年；Laspidou，2022年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了太湖人才计划——创新个人（2022年）、江苏省“双创博士人才”（2022年）（编号JSSCBS20221049）、苏州科技大学水处理技术与材料合作创新中心（编号XTCXSZ2022-15）、太原科技大学科研启动资金（编号20252224）以及山西杰出博士人才资助计划的支持。

Zhang Xuedong|Sun Huimin|Huang Shaocong|Li Xin|Liu Hongbo|Zhu Ze|Liu He