从食品废弃物水解物中培养的黑曲霉（Aspergillus niger）产生的绿色絮凝剂，用于提高污泥脱水效果

《Bioresource Technology》：Green flocculant of Aspergillus niger fungus cultured from food waste hydrolysate for enhanced sludge dewatering

黑曲霉以食品废料水解液为唯一基质培养，通过碱性改性提升其疏水性及电荷排斥能力，协同FeCl3使污泥脱水性能显著增强，Dx(90)提高至1542.9μm，过滤阻力降低75.7%，实现食品废料资源化与可持续污泥处理。

　　

孙英飞|张一娇|王玉璇|陈佐红|梁竹|陈娇|李冰|王永成|李晓燕|林琳

清华大学深圳国际研究生院环境与生态研究所，中国深圳518055

摘要

污泥脱水对于减少体积和能耗至关重要，但传统的化学调理剂受到成本和环境问题的限制。本文通过使用食物废弃物水解物作为唯一培养基来培养黑曲霉（Aspergillus niger），开发出一种绿色真菌絮凝剂，其生物量产率为140.3毫克/克化学需氧量（mg/g-chemical oxygen demand）。碱性修饰通过降解亲水性酰胺基团有效改变了表面化学性质，增强了疏水性、表面电荷排斥力以及菌丝分散性。当与3%的FeCl₃一起作为助凝剂使用时，这种经过碱改性的真菌絮凝剂显著改善了污泥脱水效果，将Dx(90)从102.0微米提高到了1542.9微米，并将过滤阻力降低了75.7%，最终滤饼含水量为56.8%。机制分析表明，真菌网络孔隙度的提高、疏水作用的增强以及真菌功能基团与Fe³⁺离子之间的协同作用共同促进了水分的释放。这种基于生物的方法提供了一种可持续的替代方案，既能利用食物废弃物，又能替代合成聚合物絮凝剂用于污泥处理。

引言

全球污泥产量是废水处理过程中的不可避免的副产品，预计每年将达到约4500万吨干吨（Ferrentino等人，2023年）。因此，高效的污泥脱水是减少污泥体积、降低干燥、运输和焚烧等后处理过程中的能耗和运营成本的关键前提（Liu等人，2024年；Nylen和Sheehan，2023年）。传统的脱水技术依赖于化学调理，其中铝盐或铁盐作为主要混凝剂，而聚丙烯酰胺（PAM）通常被用作助凝剂以增强絮体聚集和水分去除（Cao等人，2021年；Hadj Mansour等人，2023年）。典型的金属盐（干固体质量的10–25%）和PAM（干固体质量的0.5–2%）用量使得处理成本约为每吨干固体150–200美元（Zhang等人，2022年）。然而，PAM中的残留丙烯酰胺单体由于其毒性及可能渗入水体的风险而带来环境风险（Guezennec等人，2015年；Tao等人，2023年）。

随着对可持续发展的日益重视，人们投入了大量努力来开发合成聚合物絮凝剂的绿色和可生物降解替代品。源自植物、动物和微生物的生物基絮凝剂通常具有可生物降解性和低毒性。例如，从动物明胶中提取的壳聚糖在酸性条件下可以破坏带负电荷的胶体（Mnif和Ben Rebah，2023年）。然而，其复杂的提取过程和狭窄的有效pH范围限制了其实用性。已有研究表明，包括Mucor sp. GY-1、Penicillium Corylophilum和Aspergillus Niger在内的多种微生物真菌菌株可以通过促进细胞外聚合物物质（EPS）的降解从而增强絮体聚集，从而改善污泥脱水效果。以往的研究主要将真菌的絮凝性能归因于其酶活性，因为像Penicillium、Aspergillus和Trichoderma这样的丝状真菌能够产生参与EPS转化的细胞外多糖修饰酶（例如纤维素酶和葡聚糖相关酶）（Murugesan等人，2014年；Sankaran等人，2010年；Wang等人，2015年）。然而，EPS的产量本身较低（3.18–11.65毫克/克底物），且依赖于生物驱动的过程，这对其规模化生产和经济可行性构成了重大限制（Balasubramanian等人，2019年；Bisht和Lal，2019年）。

与基于EPS的絮凝剂相比，真菌生物质本身作为一种可持续的助凝剂受到了越来越多的关注。除了酶介导的EPS降解外，真菌生物质本身的丝状结构提供了另一种常被忽视的机制。真菌菌丝的丝状结构增强了物质传输，并提供了丰富的功能基团（如羟基和含氮基团），这些基团有助于絮凝和吸附（Luo等人，2019年；Pei等人，2021年）。然而，高昂的培养成本仍然是限制其实际应用的关键瓶颈（Wang等人，2015年）。

真菌絮凝剂的经济可行性很大程度上受到传统培养基（如马铃薯葡萄糖琼脂）的高成本限制，其价格高达每吨85,000美元（López Zavala和Ramos Patlan，2016年）。作为一种替代方案，食物废弃物是一种成本低廉且营养丰富的培养基，含有氮、磷和钾等必需元素（Gao等人，2021年）。越来越多的人认识到将其用于微生物培养是一种可持续的解决方案（Bansfield等人，2023年；Escaramboni等人，2022年；Troiano等人，2022年）。当食物废弃物经过热水解处理后，其营养成分的溶解度显著提高（C > 38%，N > 40.0%，P > 50%），有利于真菌生长（Pánek等人，2024年）。

本研究首次尝试完全用食物废弃物水解物替代传统培养基来培养黑曲霉（A. niger），从而实现低成本和废物资源化的制备路线。除了其生物来源外，所得真菌材料还被作为一种结构功能性的絮凝剂加以利用，利用其内在的丝状菌丝结构来探索替代的污泥调理策略。随后对改性的真菌生物质进行了进一步化学修饰，以提高其絮凝性能。这种改性的真菌絮凝剂既可作为独立的调理剂使用，也可与金属盐结合使用作为助凝剂，并系统评估了其污泥脱水效果。这种策略提高了污泥处理的效率，同时促进了食物废弃物的资源化再利用，为可持续污泥管理提供了经济环保的解决方案。

实验样品和材料

本研究使用的污泥来自中国深圳某市政污水处理厂的浓缩池，该厂采用活性污泥工艺处理污泥并配合煤炭焚烧。经过筛分和沉淀等预处理后，污泥的含水量为97.5±0.2%，混合液体悬浮固体含量为25.6±1.8克/升，混合液体挥发性悬浮固体含量为21.6±3.0克/升，pH值为6.6±0.1。

真菌絮凝剂及其改性产品的表征

研究表明，食物废弃物水解物是一种有效的黑曲霉培养基。它富含关键的生长成分——主要是以多糖和蛋白质形式存在的碳和氮，支持了真菌的旺盛生长（Chong等人，2021年；Sindhu等人，2019年；Wongsirichot等人，2022年）。图1a的数据表明，在3天的发酵过程中，A. niger消耗了38.0%的COD，从111.3克/升降低到69.0克/升，并利用了53.6%的

结论

本研究证明，食物废弃物水解物可以作为有效的、低成本的培养基，用于培养A. niger作为污泥脱水的真菌絮凝剂。碱性修饰通过降解亲水性CONH₂基团，显著提高了絮凝剂的性能，增强了表面疏水性、表面电荷排斥力、孔隙体积（1.868立方厘米/克）和比表面积（1737.0平方米/克），从而促进了更分散和多孔的菌丝网络的形成。当与3%的FeCl₃结合使用时，

CRediT作者贡献声明

孙英飞：撰写——初稿撰写、可视化处理、方法论设计、数据整理。张一娇：方法论设计。王玉璇：方法论设计。陈佐红：方法论设计。梁竹：方法论设计。陈娇：方法论设计。李冰：监督工作、方法论设计。王永成：资源提供。李晓燕：撰写——审稿与编辑、监督工作、方法论设计。林琳：撰写——审稿与编辑、方法论设计、概念构思。

利益冲突声明

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