通过适度预处理将废弃活性污泥转化为高质量的反硝化碳源：性能、机制及环境效益评估

《Resources, Conservation and Recycling》：Conversion of waste activated sludge into high-quality denitrification carbon source via moderate pretreatment: Performance, mechanisms, and environmental benefits evaluation

　　

孙一凡|宋戈|赵顺安|王芳洲|赵凯|李文伟|刘瑞萍

清华大学环境学院水与生态中心，北京100084，中国

摘要

本研究提出了一种可持续的生物经济策略，通过热处理、酶处理和超声处理将活性污泥（WAS）中的残留有机物转化为碳源，从而提高氮的去除率和活性污泥的处置效率。热处理使WAS上清液中的可溶性化学需氧量从105毫克/升增加到9493毫克/升，增幅是酶处理和超声处理的1.7至2.3倍。预处理促进了有机物（如酪氨酸和色氨酸类蛋白质）从细胞内聚合物转移到细胞外层。使用WAS衍生的碳源，Paracoccus denitrificans的脱氮效率超过97%，而脱氮污泥的效率也超过了90%。与商业醋酸钠相比，热处理衍生的碳源使碳排放减少了26.8%，污泥产量减少了3.3%。本研究为WAS中的碳热定向转化和回收提供了一种实用策略，可以替代市政污水处理厂外部购买的碳源。

引言

随着城市化和工业化的迅速发展，过去几十年中废水排放量（Kamyab等人，2026年）和活性污泥（WAS）的产生量大幅增加（Zhao等人，2023年）。预计到2025年，全球WAS的干重产量将达到2060万吨（Li等人，2023年）。严格的氮控制标准通常需要添加大量的外部碳源以实现脱氮（Ahmad等人，2025b）。这相应地降低了市政污水处理厂（WWTPs）的环境可持续性（Ahmad等人，2025a）。WAS处置和外部碳源添加的成本占WWTPs运营费用的60%以上（Luo等人，2019年）。这些过程还显著增加了WWTPs的温室气体排放（Tong等人，2024年）。因此，减少污泥处置和外部碳源的需求对大多数WWTPs至关重要。

WAS含有大量的高分子有机物，如脂类、多糖和蛋白质（Ren等人，2015年），占其干重的60%-80%（Xin等人，2018年）。将这些化合物回收作为替代碳源在经济和可持续性方面都具有价值（Asava等人，2026年）。WAS中的有机物主要存在于细胞外聚合物（EPS）中，这是污泥的主要成分（Dai等人，2018年），占污泥重量的约60%-80%（Sheng等人，2010年）。EPS的紧密结构阻碍了有机物的释放，使得在正常条件下EPS中的碳源难以被后续利用。

研究表明，热处理、酶处理和超声处理等预处理方法可以破坏EPS结构，裂解微生物细胞，从而提高有机物的溶解度（X. Wang等人，2024年）。热处理能有效分解EPS和细胞（Ariunbaatar等人，2014年），使可溶性化学需氧量（SCOD）增加10到100倍（Hamze等人，2024年），并将可溶性蛋白质和碳水化合物浓度分别提高到2294毫克/升和542毫克/升（Kumar Biswal等人，2020年）。酶处理改变了EPS的传输方式和微生物细胞结构（Xin等人，2016年），以及污泥的界面特性（Song等人，2024年）。超声处理主要利用空化产生的剪切力来分解污泥絮体和小细胞（Li等人，2018年），随着时间的推移，SCOD可超过5515毫克/升（Zhen等人，2017年）。这些发现表明，适当的预处理可以有效破坏EPS和微生物细胞，释放出可生物降解的有机物，这些有机物可以作为脱氮的碳源（Zou等人，2022年）。尽管在污泥溶解方面有共识，但大多数研究集中在下游的发酵过程上，以生产挥发性脂肪酸（VFAs）和甲烷（Wan，2022年），这通常需要5到15天的较长水力停留时间，并可能产生额外的温室气体。这在文献中留下了一个明显的空白，即直接利用预处理后的WAS上清液作为脱氮碳源，从而避免了单独进行长时间发酵的过程。

基于这一知识空白，我们假设在中等程度预处理下从WAS中释放的有机物（本研究定义为在标准大气压和低于水沸点的温度下进行的处理）可以直接作为有效的生物脱氮碳源。传统的热处理通常在高温高压条件下进行（通常≥120–170°C和>1 atm），这些条件由于能耗高和操作要求严格而被认为较为苛刻（Barber，2016年）。相比之下，中等程度的预处理避免了这些严苛条件，同时仍能有效地溶解有机物，从而减少了如美拉德反应在高温下产生的抑制性副产物的形成。

基于这些考虑，本研究进行了WAS溶解实验以释放碳，并进行了典型的脱氮测试，旨在：（1）比较热处理、酶处理和超声处理在有机物释放方面的效果；（2）评估不同预处理方法得到的WAS衍生碳源的脱氮性能；（3）提出合适的可持续处理工艺，即使用热处理衍生的碳源进行脱氮，并通过生命周期评估（LCA）进一步评估其环境影响。本研究为优化污泥预处理和WAS中的碳回收及再利用提供了有价值的见解，提出了一种新颖实用的策略，以降低运营成本和碳足迹，同时提高向低碳标准迈进的环境可持续性。

章节片段

活性污泥和接种物

用于预处理实验的WAS来自中国北京某污水处理厂的二次沉淀池，该厂采用厌氧-缺氧-好氧（A²O）工艺。污泥的基本性质见表S1。脱氮污泥来自中国北京某污水处理厂的缺氧段。热水解污泥（在165°C下处理）也来自中国北京某污水处理厂，其上清液的SCOD浓度为36,300毫克/升。

碳源生产性能

如图1a和b所示，污泥裂解动力学在不同温度下有明显差异。在较低温度（25°C、35°C、45°C和50°C）下，有机物的释放是一个渐进且时间依赖的过程。处理4小时后，溶解度仍然相对有限，裂解率仅达到10小时处理时的约50%，表明在这段时间内溶解度不足。6小时后的裂解率超过了10小时处理时的70%，表明有显著的

结论

碳源的局限性已成为WWTPs普遍面临的挑战，尤其是在出水标准不断严格的情况下。本研究通过多种预处理方法成功地将WAS转化为有效的脱氮碳源，包括热处理、酶处理和超声处理。70°C下的热处理使SCOD增加了90.7倍，SCOD/NH₄⁺-N比率达到了60.1，而热处理和酶处理都表现出有效的碳源效果

CRediT作者贡献声明

孙一凡：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据分析。宋戈：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究。赵顺安：撰写 – 审稿与编辑，方法学，数据分析。王芳洲：撰写 – 审稿与编辑，方法学。赵凯：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。李文伟：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。刘瑞萍：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集，概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：刘瑞萍担任RCR的编辑。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52192683、52300051、52221004和52192681）和北京杰出青年科学家计划（JWZQ20240101005）的支持。