《Bioresource Technology Reports》：Synergistic effect of microwave and saponin on solubilization and biohydrogen potential from dairy activated sludge
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能量密集型预处理技术限制乳品活性污泥解聚以生产生物氢。本研究提出微波辅助皂苷预处理（MMSP）作为节能方案，通过响应面法优化参数，使溶解性COD达19.85 g/L（微波功率344 W，时间4.37 min，皂苷0.003 g/g TS）。二维相关光谱证实MMSP改变EPS结构（α-螺旋减少，无序结构增加），促进絮体解体。预处理污泥产氢量达91.1 mL/gCOD，较对照组提高13倍，净节能0.037 kWh/kg固，能源比2.48，凸显经济环保潜力。MMSP为乳品污泥转化为高附加值生物氢提供新范式，降低预处理能耗。
M. Ponmanian | P. Sivashanmugam
印度泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利国家技术学院化学工程系化学与生化过程工程实验室
摘要
高能耗的预处理技术通常限制了乳制品活性污泥的分解，从而阻碍了生物氢气的生产。本研究提出了一种交互式微波介导的皂苷预处理方法（MMSP），作为一种节能手段，以最大化污泥的溶解度和生物氢气的回收率。通过响应面方法（RSM）优化实验条件，发现在344瓦微波功率、4.37分钟处理时间以及0.003克/克干物质的皂苷用量下，可溶性COD的释放量可达到19.85克/升。基于二维相关光谱的结构分析表明，MMSP改变了污泥中的细胞外聚合物组成，减少了α-螺旋结构，增加了无序结构的含量，从而增强了污泥絮体的分解效果。经预处理后的污泥产生的生物氢气产量为91.1毫升/克COD，远高于对照组（6.48毫升/克COD）。该过程的净能量收益为0.037千瓦时/千克固体，能量利用效率达到2.48，显示出较高的经济潜力。研究结果表明，MMSP是一种有前景且环保的方法，能够将乳制品活性污泥转化为高附加值的生物能源，同时降低预处理所需的能量。
引言
食品和乳制品行业在短时间内会产生大量废弃物，这对环境造成不利影响。印度是全球最大的牛奶生产国之一（年产量达1.92亿吨），牛奶加工过程中会产生大量废水和污泥（Dutta等人，2023年；Shi等人，2021年）。由于乳制品活性污泥（DAS）难以处理、运输和处置，其管理和处理仍面临复杂问题。如果忽视对其处理，可能会释放有害的微量污染物（如重金属和有毒化学物质）到土壤和地下水中，对环境和人类健康造成危害（Qian等人，2022年；Streit等人，2024年；Wei等人，2018年）。DAS是生物能源回收的优质来源，因为它含有丰富的有机物，可通过厌氧消化、湿氧化、气化等方式转化为能源（Chen等人，2025年；Liu等人，2025年；Wang等人，2024年）。活性污泥处理占污水处理厂总能耗的25%至50%，每处理一百万升废水所需的能量在300至2100千瓦时之间（Foladori等人，2015年；Singh等人，2020年）。因此，开发高效的污泥管理方案以实现能源回收至关重要。
厌氧消化是一种常用的、生态可持续的污泥处理和处置方法。它能有效减少污泥体积，降低有机残留物，并从DAS中回收生物氢气，是实现可持续发展的关键机制。生物氢气因其清洁、可再生和高效率特性而被视为一种可持续的能源。然而，将污泥中的有机物转化为生物氢气的效率较低，这主要是由于有机物质向可溶相的释放受到限制，从而限制了微生物的利用。此外，利用氢气的微生物（包括产氢甲烷菌和同型醋酸菌）会迅速吸收生成的氢气，进一步降低生物氢气的总产量（Liu等人，2013年；Rashidi等人，2024年）。复杂的异质性细胞外聚合物（EPS）在DAS中有机化合物的聚集过程中起重要作用，而DAS的坚硬细胞壁则阻碍了水解过程（Shao等人，2024年；Xie等人，2024年），这是将底物转化为生物氢气和副产品的第一步，也是限制转化效率的因素（Shi等人，2022年）。因此，厌氧消化需要较长的停留时间，导致生物氢气产量较低。研究人员正在探索经济高效的预处理技术，包括物理、化学、生物和混合方法（Nadaleti等人，2024年；Rajesh Banu等人，2022a；Ye等人，2024年），以优化DAS的生物降解性并促进细胞内有机物向上清液的扩散，从而提高生物氢气的产量。预处理有助于增强污泥与微生物之间的相互作用，增加可供水解酶利用的聚合物（Yukesh Kannah等人，2020年）。
在各种预处理方法中，微波预处理（MP）因其能够提供精确的热能而脱颖而出，促进高效的水解，成为污泥处理的可行选择。多项研究证实了MP对DAS的有效性（Mishra等人，2022年；Mohamed Usman等人，2024年；Rao等人，2025年）。该技术加速了厌氧消化的水解过程，提高了生物氢气的产量。MP增加了微生物可利用的底物，有助于维持其代谢途径，从而实现成功的厌氧污泥生物降解（Pasalari等人，2024年）。加热过程使热量直接作用于DAS，加速了细胞壁的分解（Lo等人，2024年）。此外，MP还能显著增强微波加热效果，促进污泥内部的快速均匀加热（Arman等人，2024年）。除了热效应外，MP还能改变极性分子的偶极取向，这种非热效应也是其优势之一（Rao等人，2022年）。MP的热效应和非热效应的结合使其优于传统方法。尽管具有这些优势，MP仍存在能耗较高的问题，尤其是长时间预处理时。将MP与其他预处理技术结合使用可以有效降低能耗，从而降低DAS处理和生物氢气生产的成本。
将MP与表面活性剂结合使用是一种可行的方法，可在较低能耗下实现所需的溶解度。与合成表面活性剂相比，植物源表面活性剂更具可持续性和效率，因为它们具有更好的生物降解性和成本效益。这些表面活性剂还能降低污泥的表面能，提高溶解度指数。皂苷是一种植物来源的非离子表面活性剂，能在宽pH范围、高温和高盐度等恶劣环境下保持稳定（Shabarish等人，2023年；Zhou等人，2015年）。其成分中的生物活性物质使其具有高生物降解性（Huang等人，2015年；Tamilarasan等人，2024年）。当与MP联合使用时，皂苷可通过吸附在原料表面形成薄膜，显著降低介质的表面张力，促进可溶性有机物质的快速释放，从而减少MP所需的能量。尽管MP与皂苷的协同作用在DAS处理和生物氢气生产方面的影响尚未充分研究，但本研究表明，微波介导的皂苷预处理可以在较低能耗下促进污泥溶解度和底物可利用性，从而提高酸生成发酵和生物氢气产量。因此，本研究旨在：（i）探讨微波介导的皂苷预处理对DAS溶解度的影响；（ii）利用RSM优化预处理参数，以提高可溶性COD的释放量和生物氢气产量；（iii）通过光谱方法分析DAS中蛋白质的二级结构变化。本研究为提高污泥预处理效率提供了新思路，为可持续生物氢气生产及乳制品污泥管理问题提供了解决方案。
部分内容摘录
污泥的收集与处理
样品来自印度Musiri乳制品厂的污水处理设施，收集于密封容器中。通过重力沉降浓缩后，样品在4°C下保存以供后续使用。DAS的初步参数如下：pH值6.98，总化学需氧量39.01±0.33克/升，可溶性化学需氧量0.79±0.01克/升，蛋白质含量0.44±0.03克/升，碳水化合物0.19±0.02克/升，悬浮固体25.32±0.44克/升，总固体31.5±0.08克/升。
微波功率和时间对DASz中SCR的影响
采用OVAT技术优化了DAS的微波功率和预处理时间，分析了预处理时间（0–30分钟）和微波功率水平（90瓦、180瓦、270瓦、360瓦、450瓦）对SCR的影响。图1a显示了不同功率水平下的SCR变化情况，可分为三个阶段：第1阶段（90瓦–180瓦）SCR变化较小，第2阶段（180瓦–270瓦）SCR显著增加，第3阶段（270瓦–450瓦）SCR进一步增加。结论
本研究评估了皂苷辅助微波预处理和单纯微波预处理对DAS的效果，从溶解度、节能效果、碳水化合物释放、蛋白质释放和生物氢气产量等方面进行了分析。结果表明，将植物源皂苷结合到微波预处理中可在较短时间内显著提高污泥溶解度，从而大幅降低能耗。确定了最佳处理条件。
作者贡献声明
M. Ponmanian：负责撰写初稿、方法论设计、数据分析及概念构建。P. Sivashanmugam：负责审稿、编辑、数据可视化及实验监督。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
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利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
