好氧颗粒污泥资源化中类藻酸盐胞外多糖研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0101

摘要/Abstract

摘要：

好氧颗粒污泥（AGS）资源化研究已成为AGS技术的重点研究方向之一，从AGS中提取所得的类藻酸盐胞外多糖（ALE）被认为是好氧颗粒污泥中最具价值的可回收资源之一。在污水处理厂技术变革聚焦于高附加值产物回收的背景下，AGS中ALE的回收应用已经形成一条较清晰的通路。首先基于AGS的形成机理及其组分，分析了AGS胞外聚合物（EPS）中所含有的ALE的独特结构和性质，总结了国内外回收和评价ALE的方法，并阐述了废水有机负荷率、碳氮比、盐度、污泥颗粒粒径、污泥停留时间等因素对ALE产量的影响，之后对同步回收ALE和其他附加值产物的研究进行了总结，最后通过对ALE广泛应用范围和实际经济价值的讨论，提出了ALE在AGS资源化方面的潜在研究方向。

关键词: 好氧颗粒污泥, 资源化, 高附加值产物, 类藻酸盐胞外多糖

Abstract:

The research on recycling has become the focus of the research direction of aerobic granular sludge（AGS） technology，and alginate-like exopolysaccharides（ALE） extracted from AGS is considered to be one of the most valuable recyclable resources in AGS. At present，the technological revolution of sewage treatment plant focuses on the recovery of high value-added products，the recovery and application of ALE has formed a clear path. Based on the formation mechanism and components of aerobic granular sludge，this paper analyzed the unique structure and properties of ALE，summarized the recovery and evaluation methods of ALE at home and abroad，and discussed the effects of factors such as organic load rate，carbon to nitrogen ratio，salinity，particle size and sludge residence time on ALE production. Synchronous recovery of ALE and other value-added products was described. Finally，by discussing the wide application range and actual economic value of ALE，the potential research direction of ALE in the reclamation of AGS was put forward.

Key words: aerobic granular sludge, resource recovery, high value-added product, alginate-like exopolysaccharide

中图分类号:

X703

李沛, 万俊锋, 马逸飞, 黄陈明慧, 吴波. 好氧颗粒污泥资源化中类藻酸盐胞外多糖研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(3): 30-36.

Pei LI, Junfeng WAN, Yifei MA, Chenminghui HUANG, Bo WU. Research progress of alginate-like exopolysaccharides in aerobic granular sludge reclamation[J]. Industrial Water Treatment, 2024, 44(3): 30-36.

https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I3/30

图/表 5

图1 2013—2022年发表的关于AGS资源化及其中与ALE相关的文章数量注：通过Web of Science于2023年2月19日进行检索统计。

Fig.1 Numbers of articles published from 2013 to 2022 on the resource utilization of aerobic granular sludge and its relevance to ALE

图2 AGS形成机理及其细胞外生物材料的分布和作用

Fig.2 Formation mechanism of AGS，and distribution and function of extracellular biomaterials

图3 类藻酸盐胞外多糖（a），藻酸盐聚合物的块状组分（b），海藻酸钠凝胶的E-SEM（c）和ALE凝胶的E-SEM（d）

Fig.3 Alginate-like exopolysaccharides（a），block fractions of alginate polymer（b），E-SEM image（c） of sodium alginate hydrogel and E-SEM image（d） of ALE hydrogel

表1 不同AGS系统ALE回收率比较

Table 1 Comparison of ALE recovery rates of different AGS systems

实验规模	进水COD/（mg·L^-1）	体积交换比	污水处理量/（L·d^-1）	污泥产量（以VSS计）/（g·d^-1）	ALE产量/（g·d^-1）	ALE回收率/（g·g^-1）	参考文献
实验室规模	600	50	6	0.17	0.04	0.24	〔12〕
实验室规模	403	54.5	12	—	—	0.16	〔13〕
实验室规模	500	50	15	0.53	0.12	0.23	〔14〕
实验室规模	1 250~5 000	57.9	17	—	—	0.11	〔15〕
中试规模	513	50	220	4.07	0.98	0.24	〔16〕
中试规模	460	60	336	7.92	1.66	0.23	〔17〕

图4 ALE的回收流程及对其他副产物的同步回收

Fig.4 ALE recovery process and synchronous recovery of other by-products

参考文献 37

1	PURBA L D A， KHUDZARI J MD， IWAMOTO K，et al. Discovering future research trends of aerobic granular sludge using bibliometric approach［J］. Journal of Environmental Management，2022，303：114150. doi:10.1016/j.jenvman.2021.114150
2	PRONK M， DE KREUK M K， DE BRUIN B，et al. Full scale performance of the aerobic granular sludge process for sewage treatment［J］. Water Research，2015，84：207-217. doi:10.1016/j.watres.2015.07.011
3	刘凯，刘敏，陈滢，等. 好氧颗粒污泥形成机理［J］. 工业水处理，2010，30（11）：16-19. doi:10.11894/1005-829x.2010.30(11).16
	LIU Kai， LIU Min， CHEN Ying，et al. Formation mechanism of aerobic granular sludge［J］. Industrial Water Treatment，2010，30（11）：16-19. doi:10.11894/1005-829x.2010.30(11).16
4	WU Dan， LI Guifeng， SHI Zhijian，et al. Co-inhibition of salinity and Ni（Ⅱ） in the anammox-UASB reactor［J］. Science of the Total Environment，2019，669：70-82. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.03.130
5	MENG Fansheng， LIU Dongfang， PAN Yuwei，et al. Enhanced amount and quality of alginate-like exopolysaccharides in aerobic granular sludge for the treatment of salty wastewater［J］. BioResources，2018，14（1）：139-165. doi:10.15376/biores.14.1.139-165
6	DAVIS T A， VOLESKY B， MUCCI A. A review of the biochemistry of heavy metal biosorption by brown algae［J］. Water Research，2003，37（18）：4311-4330. doi:10.1016/s0043-1354(03)00293-8
7	SCHAMBECK C M， GIRBAL-NEUHAUSER E， BÖNI L，et al. Chemical and physical properties of alginate-like exopolymers of aerobic granules and flocs produced from different wastewaters［J］. Bioresource Technology，2020，312：123632. doi:10.1016/j.biortech.2020.123632
8	LIN Y M， WANG L， CHI Z M，et al. Bacterial alginate role in aerobic granular bio-particles formation and settleability improvement［J］. Separation Science and Technology，2008，43（7）：1642-1652. doi:10.1080/01496390801973805
9	KARAKAS I， SAM S B， CETIN E，et al. Resource recovery from an aerobic granular sludge process treating domestic wastewater［J］. Journal of Water Process Engineering，2020，34：101148. doi:10.1016/j.jwpe.2020.101148
10	LIN Yuemei， DE KREUK M， VAN LOOSDRECHT M C M，et al. Characterization of alginate-like exopolysaccharides isolated from aerobic granular sludge in pilot-plant［J］. Water Research，2010，44（11）：3355-3364. doi:10.1016/j.watres.2010.03.019
11	FELZ S， AL-ZUHAIRY S， AARSTAD O A，et al. Extraction of structural extracellular polymeric substances from aerobic granular sludge［J］. Journal of Visualized Experiments，2016（115）：e54534. doi:10.3791/54534-v
12	MENG Fansheng， HUANG Weiwei， LIU Dongfang，et al. Application of aerobic granules-continuous flow reactor for saline wastewater treatment：Granular stability，lipid production and symbiotic relationship between bacteria and algae［J］. Bioresource Technology，2020，295：122291. doi:10.1016/j.biortech.2019.122291
13	WANG Zhongwei， VAN LOOSDRECHT M C M， SAIKALY P E. Gradual adaptation to salt and dissolved oxygen：Strategies to minimize adverse effect of salinity on aerobic granular sludge［J］. Water Research，2017，124：702-712. doi:10.1016/j.watres.2017.08.026
14	DE SOUSA ROLLEMBERG S L， SANTOS A F， FERREIRA T J T，et al. Evaluation of the production of alginate-like exopolysaccharides（ALE） and tryptophan in aerobic granular sludge systems［J］. Bioprocess and Biosystems Engineering，2021，44（2）：259-270. doi:10.1007/s00449-020-02439-w
15	YANG Yachun， LIU Xiang， WAN Chunli，et al. Accelerated aerobic granulation using alternating feed loadings：Alginate-like exopolysaccharides［J］. Bioresource Technology，2014，171：360-366. doi:10.1016/j.biortech.2014.08.092
16	SCHAMBECK C M， MAGNUS B S， DE SOUZA L C R，et al. Biopolymers recovery：Dynamics and characterization of alginate-like exopolymers in an aerobic granular sludge system treating municipal wastewater without sludge inoculum［J］. Journal of Environmental Management，2020，263：110394. doi:10.1016/j.jenvman.2020.110394
17	DE SOUSA ROLLEMBERG S L， DE OLIVEIRA L Q， NASCIMENTO DE BARROS A，et al. Pilot-scale aerobic granular sludge in the treatment of municipal wastewater：Optimizations in the start-up，methodology of sludge discharge，and evaluation of resource recovery［J］. Bioresource Technology，2020，311：123467. doi:10.1016/j.biortech.2020.123467
18	DE AMORIM DE CARVALHO C， FERREIRA DOS SANTOS A， TAVARES FERREIRA T J，et al. Resource recovery in aerobic granular sludge systems：Is it feasible or still a long way to go？［J］. Chemosphere，2021，274：129881. doi:10.1016/j.chemosphere.2021.129881
19	甘微. 从活性污泥胞外聚合物中回收类藻酸盐［D］. 北京：北京建筑大学，2021.
	GAN Wei. Recovering alginate like extracellular polymers（ALE） from EPS of conventional activated sludge［D］. Beijing：Beijing University of Civil Engineering and Architecture，2021.
20	FRANCA R D G， PINHEIRO H M， VAN LOOSDRECHT M C M，et al. Stability of aerobic granules during long-term bioreactor operation［J］. Biotechnology Advances，2018，36（1）：228-246. doi:10.1016/j.biotechadv.2017.11.005
21	NANCHARAIAH Y V， KIRAN KUMAR REDDY G. Aerobic granular sludge technology：Mechanisms of granulation and biotechnological applications［J］. Bioresource Technology，2018，247：1128-1143. doi:10.1016/j.biortech.2017.09.131
22	MORADALI M F， GHODS S， REHM B H A. Alginates and their biomedical applications［M］. Singapore：Springer，2018：1-26. doi:10.1007/978-981-10-6910-9_1
23	DE SOUSA ROLLEMBERG S L， DE OLIVEIRA L Q， BARROS A R M，et al. Effects of carbon source on the formation，stability，bioactivity and biodiversity of the aerobic granule sludge［J］. Bioresource Technology，2019，278：195-204. doi:10.1016/j.biortech.2019.01.071
24	MUHAMMAD A， WANG Zhongwei， SALAM KHALED W，et al. Importance of species sorting and immigration on the bacterial assembly of different-sized aggregates in a full-scale aerobic granular sludge plant［J］. Environmental Science & Technology，2019，53（14）：8291-8301. doi:10.1021/acs.est.8b07303
25	DE SOUSA ROLLEMBERG S L， FERREIRA T J T， FIRMINO P I M，et al. Impact of cycle type on aerobic granular sludge formation，stability，removal mechanisms and system performance［J］. Journal of Environmental Management，2020，256：109970. doi:10.1016/j.jenvman.2019.109970
26	DE SOUSA ROLLEMBERG S L， BARROS A R M， DE LIMA J P M，et al. Influence of sequencing batch reactor configuration on aerobic granules growth：Engineering and microbiological aspects［J］. Journal of Cleaner Production，2019，238：117906. doi:10.1016/j.jclepro.2019.117906
27	LI Wenwei， ZHANG Hailing， SHENG Guoping，et al. Roles of extracellular polymeric substances in enhanced biological phosphorus removal process［J］. Water Research，2015，86：85-95. doi:10.1016/j.watres.2015.06.034
28	CHEN Xingyu， WANG Jixiang， WANG Qian，et al. Simultaneous recovery of phosphorus and alginate-like exopolysaccharides from two types of aerobic granular sludge［J］. Bioresource Technology，2022，346：126411. doi:10.1016/j.biortech.2021.126411
29	HUANG Wenli， HUANG Weiwei， LI Huifang，et al. Species and distribution of inorganic and organic phosphorus in enhanced phosphorus removal aerobic granular sludge［J］. Bioresource Technology，2015，193：549-552. doi:10.1016/j.biortech.2015.06.120
30	ROAGER H M， LICHT T R. Microbial tryptophan catabolites in health and disease［J］. Nature Communications，2018，9：3294. doi:10.1038/s41467-018-05470-4
31	CETIN E， KARAKAS E， DULEKGURGEN E，et al. Effects of high-concentration influent suspended solids on aerobic granulation in pilot-scale sequencing batch reactors treating real domestic wastewater［J］. Water Research，2018，131：74-89. doi:10.1016/j.watres.2017.12.014
32	郝晓地，赵梓丞，李季，等. 污泥EPS作为阻燃剂的机制归纳与潜力分析［J］. 环境科学，2021，42（6）：2583-2594. doi:10.13227/j.hjkx.202010178
	HAO Xiaodi， ZHAO Zicheng， LI Ji，et al. Mechanisms summary and potential analysis of EPS as a flame retardant［J］. Environmental Science，2021，42（6）：2583-2594. doi:10.13227/j.hjkx.202010178
33	NASROLLAHZADEH M， SHAFIEI N， NEZAFAT Z，et al. Recent progresses in the application of cellulose，starch，alginate，gum，pectin，chitin and chitosan based（nano） catalysts in sustainable and selective oxidation reactions：A review［J］. Carbohydrate Polymers，2020，241：116353. doi:10.1016/j.carbpol.2020.116353
34	HAUG A， SMIDSRØD O， HÖGDAHL B，et al. Selectivity of some anionic polymers for divalent metal ions［J］. Acta Chemica Scandinavica，1970，24：843-854. doi:10.3891/acta.chem.scand.24-0843
35	CAO Lianqi， LU Wei， MATA A，et al. Egg-box model-based gelation of alginate and pectin：A review［J］. Carbohydrate Polymers，2020，242：116389. doi:10.1016/j.carbpol.2020.116389
36	FERNANDO I P S， LEE W， HAN E J，et al. Alginate-based nanomaterials：Fabrication techniques，properties，and applications［J］. Chemical Engineering Journal，2020，391：123823. doi:10.1016/j.cej.2019.123823
37	ROEST B， LOOSDRECHT M V， LANGKAMP E J，et al. Recovery and reuse of alginate from granular Nereda sludge［J］. Water 21，2015，170（2）：48.

[1]	刘飞飞, 武彦巍, 王文涛, 唐彤, 马海龙. 膜技术与蒸发结晶工艺在VB₁₂高盐废水零排放中的应用[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 219-226.
[2]	谭东东, 聂光华, 邓强. 预氧化酸性矿山废水制备硫酸亚铁镁[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 146-152.
[3]	薛罡, 刘建奇, 强志斌, 王永刚, 郭尧, 陈红. 煤矿矿井水处理和资源化利用的关键问题及对策[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 1-8.
[4]	师雅琪, 孟广源, 陈鹏, 张芯婉, 付涛, 杨正武, 张连胜, 张乐华. 基于神经网络精准预测含铬废酸电氧化再生效果[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 131-138.
[5]	高林利, 何成达, 程琪. 小球藻-好氧污泥耦合颗粒的培养及处理特性研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 160-168.
[6]	刘畅益, 田佳旺, 张浩东, 秦哲. 改性芦苇材料的吸附脱氮性能及其资源化探究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 122-132.
[7]	肖飞, 王世民, 贾壮壮, 赵峰德. Ni²⁺诱导好氧颗粒污泥形成及处理高盐废水脱氮除磷研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 178-186.
[8]	杨术刚, 王庆吉, 张坤峰, 陈宏坤, 刘双星, 蔡明玉, 王毅霖. 我国气田采出水处置面临的关键挑战与对策建议[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 13-20.
[9]	晋银佳, 王绍曾, 郭栋, 尤良洲, 衡世权. 基于双极膜电渗析的矿井浓盐水资源化处理工艺研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(3): 104-111.
[10]	余波, 李箫宁, 严寒, 张名, 沈鹏飞, 赵浩, 万丽. 市政污泥热解残渣中磷回收及鸟粪石合成研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(3): 177-183.
[11]	宁欣强, 胡嘉伦, 彭金湄, 黄渊铭, 彭微, 唐棠, 郑佳, 罗惠波. 白酒酿造废水强化好氧颗粒污泥颗粒化及效能研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 175-183.
[12]	肖飞, 刘鹏元, 赵峰德, 王世民. 间歇性施泥诱导超高盐环境中好氧污泥颗粒化及性能研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 106-114.
[13]	李福勤, 王世奕, 梁桢, 王瑾. 扩散渗析-纳滤分离工艺资源化钢铁酸性脱硫废水的研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 74-81.
[14]	张亚斌, 党腾飞, 李志国, 郭笑盈, 郭琼, 王岩, 万俊锋. 菌藻共生技术在畜禽养殖沼液资源化治理领域的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 32-39.
[15]	孙旭, 谢彤, 张超杰, 张亚雷, 周雪飞. 光合微生物在畜禽养殖废水资源化处理中的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 40-51.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容