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本研究提出NaAc耦合碱解工艺（NaAc-AL-WAS）以改善废活性污泥中难降解有机物的生物可利用性。结果表明，5% NaAc-AL-WAS使BOD5和SCOD分别提升1.3倍和1.1倍，同时降低腐殖物质（HS）61.0%和蛋白质10.3%，促进反硝化和甲烷生成，其机制包括NaAc维持强碱性环境、促进絮凝及诱导铁离子沉淀，从而抑制铁介导的腐殖化过程。
徐长文|杨静|沈浩|霍学宇|董芳|丁磊|何春华|王伟
合肥工业大学土木工程学院市政工程系，中国合肥230009
摘要
废活性污泥（WAS）资源化利用中的碱解（AL）过程常常受到难降解有机物形成的阻碍。本研究开发了NaAc耦合的碱解-WAS（NaAc-AL-WAS）技术以提高其生物可利用性。与传统的AL-WAS相比，添加0.5%、1%和5% NaAc的WAS在5天内的生化需氧量（SCOD）和可溶性化学需氧量（BOD5）分别增加了0.9倍、1.1倍和1.3倍。具体而言，5% NaAc-AL-WAS使腐殖质（HS）和高分子量蛋白质的含量减少了10.3%和61.0%。反硝化速率和潜力分别提高了5.1倍和0.4倍，而产甲烷速率和最大甲烷潜力分别提高了3.4倍和1.2倍。机制上，NaAc维持了强碱性环境并促进了絮凝作用，从而持续释放有机物。NaAc诱导的铁沉淀（Fe2?/Fe3?）使上清液中的铁浓度降至检测限以下，并降低了污泥中的Fe(III)含量（减少了24.5%），这削弱了铁对腐殖质前体的结合和催化作用，从而增强了生物可利用性。这些发现为优化污泥中碳资源的回收提供了一种新方法。
引言
废活性污泥（WAS）是生物废水处理的必然副产品，随着全球人口的增长和需处理废水量的增加，其产生量也在持续增加（Zhang等人，2025年）。由于其高有机质含量，如果管理不当，WAS可能导致土壤和地下水污染以及温室气体的排放（Qi等人，2025年）。人们普遍认识到，WAS中的高有机质部分具有巨大的资源回收潜力（Wang等人，2025年）。具体来说，这些有机物质可以作为反硝化的外部碳源（Qi等人，2025年），或者通过厌氧消化转化为甲烷（Zheng等人，2024年）。然而，大部分有机质被包裹在致密的微生物细胞内，与细胞外聚合物（EPS）和坚硬的细胞壁紧密结合，这严重限制了其生物可利用性，阻碍了碳的有效转化（Wang等人，2024b年）。
污泥的破解方法包括机械法、热处理法、化学法、生物法和联合处理法（Dong等人，2025年；Sun等人，2025年）。碱解WAS具有操作简单、成本效益高和效率高的优点（Machhirake等人，2024年）。在pH 12条件下用NaOH预处理污泥1.5小时，可分别使蛋白质和多糖在EPS结合部分中的溶解率达到15.1%和58.6%（Yang等人，2023a年）。尽管碱解已成为最有效的方法之一，但仍然存在产生难降解有机物的瓶颈。
在碱解过程中从污泥细胞中释放出的简单化合物（如氨基酸、糖类和酚类）容易发生二次聚合，形成深棕色的腐殖质（HS）（Zhang等人，2017年）。研究表明，强碱性条件有助于分解污泥中的有机物质并溶解腐殖酸和木质素（Yang等人，2023b年）。腐殖质结构复杂，富含羧基、酚基、羟基、酮基和醌基等官能团（Xu等人，2020年），这些特性严重限制了其作为碳源的潜力。当用作反硝化的碳源时，由于其复杂的分子结构、潜在的毒性和较低的生物可利用性以及微生物的有限接触性，腐殖质的性能往往较差（Dai等人，2025年）。在厌氧消化过程中，低浓度的腐殖质可以通过促进电子转移而发挥有限的促进作用（Zhu等人，2023年），但过量的腐殖质会通过改变污泥结构而严重抑制水解和产甲烷过程（Li等人，2021年）。以往的研究通过沉淀、与金属盐的络合或离子交换来去除腐殖质（Liu等人，2025年）。然而，这些方法未能从根本上控制WAS分解过程中腐殖质的形成。如何在不影响碱解效果的前提下调节难降解有机物质（rDOM）如腐殖质的形成仍不清楚。
关于有机质的腐殖化过程，研究表明，在FeCl?和KOH的协同催化作用下，生物质热解通过脱氧、脱羰基、羟基/酮酰基酰化和美拉德反应途径促进腐殖化（Kong等人，2026年）。在污水处理厂中，常使用FeCl?和FeSO?等铁盐絮凝剂来提高污染物去除效率，但这会导致WAS中残留的铁基化合物大量积累。这些铁盐通过催化或络合机制与有机物反应，进一步加剧了WAS碱解过程中的腐殖质形成（Chen等人，2024年；Michalska等人，2022年）。然而，碱解过程中的铁催化腐殖化是一个尚未得到系统研究的机制瓶颈。减少碱解过程中的可溶性和催化活性铁将是抑制腐殖化产生的有效策略。
乙酸钠（NaAc）是一种常用的缓冲剂，由强碱和弱酸组成。它有助于稳定碱性环境，并通过促进弱碱性金属阳离子（包括铁）的沉淀或固定来影响金属的形态。此外，NaAc还广泛用作冷藏鱼的有机防腐剂，并具有一定的抗氧化性能（Akhtar等人，2025年）。抗氧化剂如维生素、抗坏血酸和多酚可以通过清除自由基和螯合金属离子来抑制难降解有机质的形成（Jia等人，2023年；Wang等人，2024a年）。值得注意的是，尽管NaAc的缓冲能力、金属相互作用能力和抗氧化性能已分别被报道，但它们在调节WAS碱解过程中铁诱导的腐殖化中的作用尚未得到系统研究。
鉴于铁催化的腐殖化是WAS碱解过程中rDOM形成的关键但常被忽视的驱动因素，本研究提出了一种利用NaAc辅助的碱解新策略，以抑制铁诱导的腐殖化，从而减少惰性物质的产生并实现对DOM成分的靶向控制。这种方法提高了上清液的反硝化性能和脱水处理后WAS的厌氧产甲烷潜力。分析了WAS细胞裂解液的组成及其性质，并阐明了NaAc与WAS碱解结合以提高其生物可利用性的潜在机制。这一新方法为提高WAS碱解过程中有机碳的资源利用效率提供了新途径。
部分内容摘录
乙酸钠耦合的WAS碱解（NaAc-AL-WAS）
WAS取自合肥 Zhu Zhuanjing 污水处理厂的生物处理池。首先让WAS沉淀24小时以去除上清液，获得初步浓缩的污泥。WAS的主要特性总结在表S1中。
将WAS的pH值调整至12，使用NaOH溶液处理1小时，然后分别加入0.5%、1%、5%和20%（w/w，相对于WAS的NaAc）的NaAc，继续反应
NaAc-AL-WAS释放的有机物分析
随着pH值和反应时间的增加，上清液中的SCOD和BOD5总体呈上升趋势（图S1）。在pH 11时，尽管BOD5/SCOD（B/C）比值较高，但有限的SCOD限制了可生物降解有机物的总量。相比之下，在pH 12时，大部分污泥分解和有机物释放发生在第一小时内，延长反应时间仅带来微小的额外收益。因此，证明在pH 12条件下进行1小时的WAS碱解是有效的
结论
经过NaAc-AL-WAS处理后，上清液的DOM生物可利用性得到提高，反硝化性能得到改善，产甲烷潜力增强。这些改进源于NaAc增强的碱解作用和诱导的DOM结构变化。具体来说，NaAc通过两种机制提高了WAS的生物可利用性：（1）作为pH缓冲剂，NaAc维持了高效细胞裂解所需的强碱性环境，并促进了絮凝作用，确保了有机物的持续释放
CRediT作者贡献声明
徐长文：撰写——初稿；正式分析；数据整理。杨静：撰写——审稿与编辑。沈浩：撰写——审稿与编辑。霍学宇：撰写——审稿与编辑。董芳：撰写——审稿与编辑。丁磊：撰写——审稿与编辑。何春华：撰写——审稿与编辑。王伟：撰写——审稿与编辑；监督；概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了安徽省生态环境保护科学研究项目（2023hb0003）、中央高校学术人才自主创新项目（JZ2024HGTG0304）、国家自然科学基金（52300022）以及教育部生物膜水净化与利用技术研究中心开放项目（BWPU2024KF02）的支持。
作者感谢余军先生和杨瑾女士的支持
