超声与木质素磺酸盐协同预处理增强污泥厌氧发酵短链脂肪酸回收：机理、微生物演替及代谢途径

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced short-chain fatty acid recovery from sludge anaerobic fermentation via ultrasound and lignosulfonate co-pretreatment: mechanisms, microbial succession, and metabolic pathways

　　

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  LS/US30预处理显著提高了WAS产生的SCFAs产量（349.4 mg COD/g VSS）。
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  LS/US30预处理加速了WAS的破碎和有机物的释放。
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  水解酶被激活，而产甲烷菌受到抑制，有利于SCFAs的稳定产生。
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  LS/US30预处理显著富集了水解/产酸细菌。

引言

传统活性污泥法的全球扩张在市政污水处理设施中持续产生大量剩余活性污泥（WAS），在全球范围内带来了严重的经济和环境负担[1]。WAS处置通常消耗整个工厂运营支出的50-60%，构成污水处理的主要成本组成部分，并引发日益严重的环境问题[2]。矛盾的是，WAS是一种富含资源的基质，由50-70%的有机组分（主要是蛋白质和多糖）组成，能够通过适当的生物转化途径转化为高价值的生化产品[3], [4]。厌氧发酵（AF）作为一种有前景的循环生物工艺脱颖而出，通过将有源有机物转化为短链脂肪酸（SCFAs）、生物氢和生物甲烷，同步实现污泥减量化和资源化[5], [6], [7]。特别是，SCFAs是具有经济吸引力的生物产品：它们可以就地回收作为补充碳源，以促进污水处理厂（WWTPs）内的生物脱氮和除磷，同时也可作为生化合成的重要工业原料，使SCFAs导向的WAS回收与全球碳减排目标相一致[8], [9]。

然而，溶解度和水解动力学低下严重阻碍了污泥AF期间SCFAs的高效积累。强大的胞外聚合物（EPS）网络与完整的微生物细胞壁共同构建了一个紧密的胶体基质，将大多数可生物降解有机物锁在污泥絮体内部，并大幅降低了产酸微生物的底物生物利用度[10], [11]。WAS中约60-80%的组分以EPS和完整的微生物生物质形式存在；因此，有效降解EPS交联和细胞包膜是释放结合有机底物和改善后续资源回收的先决条件[9], [12]。为了克服这些障碍，物理（如超声、微波、热处理）、化学（如酸碱处理、游离亚硝酸、高级氧化）和生物（如添加酶和微生物）预处理方法被广泛开发，以破坏坚硬的污泥结构[3], [9], [10]。然而，单一的预处理可能需要大量的能源或化学品投入，并可能产生抑制性或二次污染物，从而限制了其实际应用[10]。这些局限性激发了人们对联合预处理策略的兴趣，该策略利用互补机制来改善污泥破碎和产酸发酵[7], [10], [13]。

超声（US）是一种有吸引力的物理预处理，因为声空化产生局部机械剪切、微射流和压力波动，可以破坏污泥絮体和微生物细胞包膜，从而将胞内和与EPS相关的有机物释放到水相中[10], [14], [15], [16]。空化作用还可以产生活性物种，包括羟基自由基（^•OH），促进污泥组分的转化[10], [16]。然而，US的有效性高度依赖于频率、功率密度、超声时间、污泥固体浓度，特别是单位能量输入[9]。据报道，污泥超声处理的具体能量输入范围约为200-45,000 kJ/kg TS（0.056-12.5 kWh/kg TS），具体取决于反应器、处理目标和污泥特性[17], [18]。Bougrier等人[19]观察到在1,000 kJ/kg TS下沼气产量没有改善，而输入14,000 kJ/kg TS则使沼气产量增加了约40%。在另一项研究中，在119,000 kJ/kg TSS下结合热-US处理使SCFAs产量比未处理对照组增加了230%，而将US输入从1,000增加到10,000 kJ/kg TSS则分别使可溶性蛋白质和碳水化合物浓度提高了2.8倍和4.5倍[20]。如此高的能量需求可能会抵消从增强的污泥溶解中获得的益处，因此是单独使用US预处理的主要制约因素。这种能量与性能之间的权衡为开发联合处理提供了强有力的动力，旨在提高给定超声处理的有效性，而不是单纯依赖逐步增加超声强度或持续时间。

一种潜在的方法是将US与一种添加剂结合，该添加剂通过不同于声空化的机制使EPS基质失稳。传统的合成表面活性剂（鼠李糖脂、十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠）可以通过改变固-液界面相互作用和/或破坏参与EPS稳定的多价阳离子桥来促进污泥破碎[13], [21], [22]。同样，联合预处理策略也越来越多地受到研究，因为互补的物理化学机制可以改善颗粒底物的可及性，并增强随后的AF。然而，常见的表面活性剂可能存在与生产成本、化学合成或来源微生物相关的缺点[21], [23], [24]，这促使人们寻找成本更低和更可持续的替代方案。作为环保替代品，木质素磺酸盐（LS）是一种可负担的工业副产品，收获于亚硫酸盐纸浆制造，具有天然的两亲性，并对絮体桥接阳离子（Ca2?、Mg2?、Fe3?）具有很强的螯合能力。LS螯合多价金属交联，使EPS框架坍塌并改善有机物溶解，从而加速WAS有机物的顺序水解和酸化[25]。值得注意的是，Wang等人[25]评估了20-80 mg/g VS的LS剂量，报告60 mg LS/g VS使最大SCFAs产量从93.1 ± 2.7增加到185.0 ± 1.0 mg COD/g VS，直接证明了LS可以在污泥AF期间增强SCFAs产量。然而，LS增强的污泥AF背后的微生物群落响应和功能代谢潜力仍未得到充分理解。LS与US耦合的原理源于其独特但可能互补的污泥坍塌机制。LS可以与参与EPS交联的多价阳离子相互作用，促进污泥解絮，从而可能松动EPS基质并增加嵌入有机物对US空化的可及性。US随后可以通过空化产生的剪切力和微射流提供快速的机械破坏，促进失稳的EPS基质和微生物包膜的进一步降解。这种化学-物理耦合的可行性得到了以前污泥预处理研究的支持。例如，碱调节增强了随后的US介导的污泥坍塌[10]，而柠檬酸钠辅助的US将化学需氧量（COD）溶解从单独使用US的18.6%提高到26.07%，据报道可将达到相同处理性能所需的US能量减少约50%[26]。然而，LS和US结合用于SCFAs导向的WAS发酵的研究仍不充分。特别是，尚不清楚LS辅助的US在EPS破坏、有机物溶解、水解、酸化和SCFAs产量方面是否能比相应的单独预处理提供额外的改善。此外，LS/US预处理后SCFAs形成背后的相关微生物群落响应和功能代谢潜力尚未得到系统阐明。因此，解决这些知识空白对于建立LS/US耦合的机制基础和实践意义，以及区分实验证明的联合作用与从单独预处理推断的机制至关重要。

本研究旨在系统评估联合LS/US预处理在提高污泥AF期间SCFAs产量方面的性能及其潜在机制。首先，研究了污泥物理化学特性、有机物转化和破碎的变化，以阐明LS/US预处理改善底物可及性的机制。随后检查了关键酶活性，以评估其对水解和发酵过程的影响。此外，采用宏基因组测序来表征微生物群落演替以及与SCFAs生物合成相关的功能代谢潜力和关键基因的变化。据其所知，这是首次对用于SCFAs导向的WAS发酵的LS辅助US预处理进行的系统调查。研究结果提供了机制见解和技术基础，为进一步开发LS/US预处理以实现可持续的污泥资源化和碳资源回收提供了支持。

章节片段

原始WAS、接种物和LS的来源与制备

原始WAS取自位于中国南京的污水处理厂（WWTP）的二次沉淀池。新收集的污泥通过1厘米筛网去除大颗粒固体杂质。随后在4 °C下重力沉降24小时进行浓缩，弃去上清液。所得浓缩污泥保存在4 °C下备用。厌氧接种物取自在稳定状态下运行的实验室规模半连续消化器。

LS/US联合预处理对SCFAs回收和底物转化效率的影响

图1A说明了在不同预处理条件下WAS AF期间SCFAs产量的时间变化。所有组均表现出相似的模式，其特征为SCFAs最初积累，随后在长时间发酵期间逐渐下降。未处理的对照组在第7天达到最低的SCFAs最大产量，为115.9 ± 3.4 mg COD/g VSS，这可归因于在没有预处理的情况下污泥破碎和分解受到限制[10]。然而，未处理的

结论

本研究证明了联合LS/US预处理在增强污泥AF期间SCFAs回收方面的有效性。在所测试的条件中，LS/US30实现了最高的SCFAs产量，为349.4 mg COD/g VSS，分别比对照组和仅LS处理组增加了3.01倍和2.15倍。尽管因子分析未显示出显著的LS × US30交互作用，但联合处理增强了污泥絮体破碎、EPS重分布、有机物溶解和

CRediT作者贡献声明

曹晓龙：资源，调查。高磊：方法论，数据整理。林日辰：写作 – 审阅与编辑。Eid S. Gaballah：写作 – 原稿，方法论，调查，形式分析，概念化。Mahmoud M. Ali：写作 – 审阅与编辑，数据整理。Mohamed Samer：写作 – 审阅与编辑。朱广灿：写作 – 审阅与编辑，可视化，监督，资金获取。杨彪：方法论，数据整理。Mostafa Sobhi：写作 – 审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的财务利益竞争或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作由中国西藏自治区科技项目（XZ202501ZY0067）提供资金资助。

利益冲突

作者声明，关于本出版物没有利益冲突。

Eid S. Gaballah|Lei Gao|Richen Lin|Xiaolong Cao|Biao Yang|Mostafa Sobhi|Mohamed Samer|Guangcan Zhu|Mahmoud M. Ali