《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Inhibition and flotation of anaerobic granular sludge induced by long-chain fatty acid sodium salts
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LCFA通过改变污泥表面性质、EPS结构及微生物活性导致气泡附着增强，是污泥浮选的关键机制。
钱高|朱思佳|蒋凯阳|翟文霞|卢鹏|杨秋林|张伟|宋海农|王志伟
广西大学轻工与食品工程学院清洁纸浆与造纸及污染控制重点实验室，中国南宁530004
摘要
长链脂肪酸（LCFA）的过量会导致污泥浮选、生物量损失以及反应器不稳定，这主要是由于气体的产生和释放引起的。尽管现有研究主要将LCFA引起的污泥浮选归因于内部气体的滞留（导致空化作用和密度降低），但外部气泡的附着影响仍被忽视。外部气泡在污泥表面的滞留是LCFA引发污泥浮选的关键因素。本研究探讨了污泥表面性质、特征与外部气泡滞留之间的关系，并使用Spearman相关性（Rs）评估了它们与污泥浮选潜力（SFP）的关联。SFP浓度与LCFA浓度呈正相关趋势。此外，与葡萄糖相比，添加LCFA共同消化后，污泥的表面性质（粗糙度和疏水性增加）、污泥特征（密度降低、孔隙度增加、机械强度下降）、EPS分泌减少以及PN/PS比率增加。分子动力学模拟发现LCFA能够破坏EPS的结构。此外，LCFA还会导致微生物活性降低、细胞死亡以及乙酸代谢途径减弱。这些因素共同促进了污泥浮选。
引言
乳制品、屠宰场和造纸厂的废水中含有长链脂肪酸（LCFAs），这对上流式厌氧污泥床（UASB）反应器的稳定运行构成了挑战[1]。LCFAs的存在会导致大量污泥浮选，从而造成生物量流失，显著降低反应器的污染物去除能力，最终可能导致反应器因活性生物量严重损失而失效[2]。先前的研究已将污泥浮选确定为UASB反应器的一个关键技术障碍[3],[4]，强调了阐明LCFAs引发这一现象的机制的必要性。
关于污泥浮选的研究将潜在原因分为内在因素和外在因素。外在因素包括底物过载[5]、蛋白质或油脂负荷过高[6]、反应器混合不足[2]、温度过低[5]以及pH值过酸[7]。这些不利条件可能导致污泥颗粒发生意想不到的内在变化，如气体产生增加、颗粒内部形成空洞、丝状细菌增殖、异常的胞外聚合物物质产生以及粘附表面的形成[8]。这些内在变化可以通过降低颗粒密度和促进气体捕获来增强污泥的浮选潜力[3]。然而，LCFA引发厌氧颗粒污泥（AnGS）浮选的机制尚未完全明了。目前的主流假说认为，LCFA在颗粒污泥表面的吸附形成了一层稳定的油膜，阻碍了颗粒与周围液体之间的物质传递。这种限制可能导致由于营养匮乏或扩散受限而引起的胞外酶积累，从而导致污泥内部细胞裂解[8]。同时，气体产生效率降低，使气泡在污泥中积聚，尤其是在细胞破裂形成的空间内，从而触发浮选[9]。然而，这些研究忽略了AnGS与外部气泡之间的相互作用在污泥浮选中的作用。
厌氧反应器是由气体、液体和固体颗粒组成的复杂三相系统[10]。在这些系统中，AnGS具有多孔结构，包含促进营养物质、代谢产物和气泡传输的通道和空腔[11]。在AnGS内部形成的沼气微气泡扩散到较大的通道中，最终在污泥表面形成可见的气泡。随着时间的推移，这些气泡脱落，在AnGS表面形成坑洞[12]。气泡与AnGS之间的界面相互作用对于决定污泥在厌氧反应器中的沉降和冲刷行为至关重要[10]。气泡产生与释放之间的平衡是决定气泡滞留程度和污泥浮选潜力的关键因素[13],[14]。这种平衡是动态的，受多种因素影响，包括废水组成、操作条件以及UASB生物反应器运行过程中的污泥特性。先前的研究表明，LCFA通过产生更稳定、更不易破碎的气泡来促进泡沫形成，其烃基和羧基起到表面活性剂的作用，降低表面张力并增强泡沫分散[15],[16],[17]。利用这一特性，油酸钠在工业上常被用作低品位煤炭浮选的有效捕获剂[18]。
在本研究中，以油酸钠为例，我们全面探讨了长链脂肪酸（LCFAs）引发厌氧颗粒污泥（AnGS）浮选的主要机制。油酸钠是一种具有强表面活性的阴离子表面活性剂。其两亲结构可以降低表面张力，提高乳液的稳定性，并增强气泡的稳定性。我们研究了污泥表面性质、污泥特征与外部气泡和内部气体滞留之间的关系，以及它们对污泥浮选潜力（SFP）的影响。我们探讨了代谢活性、胞外聚合物物质（EPS）的组成和含量，并对LCFA和EPS进行了分子动力学模拟。通过结合LCFA对AnGS中微生物和酶活性的影响，我们进一步阐明了LCFA引发污泥浮选的内在原因。研究结果表明，LCFA引发AnGS浮选的关键因素是气泡在污泥表面的滞留增加，这对厌氧反应器的稳定性和优化具有重要意义。
部分内容摘要
化学品和材料
本研究中使用的AnGS来自广西贵港一家造纸厂的厌氧反应器。该污泥的挥发性悬浮固体与总悬浮固体（VSS/TSS）比率为83.9%，平均粒径为0.78毫米。实验中使用了合成废水（详见表1），其成分经过精心调节以保持在最佳范围内。先前的研究表明，LCFAs对AnGS的抑制作用与其浓度呈正相关
气泡在污泥表面的滞留
在实验过程中，与仅使用葡萄糖作为底物相比，添加LCFA和葡萄糖共同消化时观察到不同程度的污泥浮选现象。实验14天后测量发现，当添加浓度为1.0克/升时，浮游污泥层占反应器污泥层的59%；当添加浓度为2.0克/升时，浮游污泥层占反应器污泥层的30%（见图S1a）。此外，浮游污泥层的高度随着时间的推移进一步增加
结论
在本研究中，以油酸钠为模型，系统地探讨了长链脂肪酸引发污泥浮选的原因，重点关注了污泥的代谢活性、表面性质、污泥特征、EPS组成以及LCFA的降解途径。结果表明，LCFA的暴露会引发厌氧颗粒污泥的一系列结构和物理化学变化，其中外部气泡的滞留是关键的触发机制，直接降低了AnGS的密度
CRediT作者贡献声明
王志伟：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、概念构思。张伟：资源提供。宋海农：资源提供。朱思佳：研究、正式分析、数据管理。蒋凯阳：研究。钱高：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念构思。卢鹏：资源提供。杨秋林：资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家重点研发计划（2022YFC2105505）、广西省人才项目（GXR-1BGQ2424002）、国家自然科学基金（21868004）、广西自然科学基金（2022GXNSFAA035486和2023GXNSFGA026001）、广西科学技术基地与人才计划（AD23023006）以及广西清洁纸浆与造纸及污染控制重点实验室的支持
