《Journal of Water Process Engineering》：nZVI@C activated PMS mediated EPS disruption on bacteria pretreatment for efficient waste activated sludge reduction
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本研究开发nZVI@C-PMS协同催化体系与产胞外多糖酶YH14、生物表面活性剂XSC8的微生物协同处理策略，显著提升污泥水解效率（SS去除率22.18%、VSS降解率28.59%、SCOD提升2392.84 mg/L），破坏EPS结构并增强微生物代谢活性。
Kun Pu|谢世成|刘岩|苏俊峰|刘水玉|李辉|程文静|张秦玉婵|李轩
西安建筑科技大学环境与市政工程学院，中国西安，710055
摘要
为了提高污泥好氧消化的效率，本研究开发了一种协同预处理策略，结合了nZVI@C合成催化剂（用于激活过氧化单硫酸盐（PMS））与产生溶菌酶的菌株YH14和产生生物表面活性剂的菌株XSC8，以促进污泥水解。在最佳条件下，悬浮固体和挥发性悬浮固体的去除效率分别提高了22.18%和28.59%，可溶性化学需氧量增加了2392.84 mg/L，多糖和蛋白质的浓度分别增加了72.63 mg/L和842.72 mg/L。研究证实了nZVI@C催化剂在激活PMS和促进活性氧生成方面的有效性，这些活性氧通过破坏氢键和改变细胞外聚合物物质（EPS）中蛋白质的二级结构来破坏污泥絮体结构。同时，生物表面活性剂降低了固液界面亲和力，促进了污泥EPS的分散，从而有利于溶菌酶对微生物细胞的裂解。此外，功能基因预测表明氨基酸和碳水化合物代谢以及膜转运得到了增强，从而显著提高了污泥水解效率。本研究为提高污泥好氧消化效率和发展创新的污泥处理技术提供了理论基础。
引言
传统的活性污泥工艺因其成本效益和高处理性能而被广泛应用于污水处理厂（WWTPs）[1]，[2]。然而，该工艺会产生大量的废弃活性污泥（WAS），其中含有病原微生物、重金属和持久性有机污染物。WAS处理不当会对生态系统和公共卫生造成严重的二次污染风险[3]。好氧消化（AD）因其快速降解动力学、简单的操作要求和较短的污泥停留时间而常用于WAS处理，尤其是在中小型WWTPs中[4]。该技术通过微生物水解和内源呼吸有效降低了生物量浓度，从而显著减少了污泥体积[5]。然而，水解阶段需要持续曝气，导致运营成本增加、能耗增大以及AD效率受限[6]，[7]。因此，开发高效且经济可行的污泥预处理技术是一个紧迫的研究课题。
目前主流的污泥预处理方法大致分为物理、化学和生物方法[8]，[9]，[10]。其中，酶处理因其操作安全性和环境兼容性而受到广泛关注。研究表明，溶菌酶通过催化细菌细胞壁的裂解来促进污泥水解[11]，[12]。Shi等人通过向污泥系统中接种特定的产溶菌酶细菌，将悬浮固体（SS）的去除效率提高了14.60%，可溶性化学需氧量（SCOD）的释放量增加了2.21倍[1]，[13]。然而，构成WAS主要结构成分的细胞外聚合物物质（EPS）形成了一种保护性的凝胶状基质，包裹了大部分微生物细胞，从而限制了污泥的整体水解效率[14]。值得注意的是，Liu等人证明，表面活性剂和溶菌酶的联合处理使SCOD的释放量增加了1196.9 mg/L，蛋白质的释放量增加了792.5 mg/L，多糖的释放量增加了133.5 mg/L，相比之下单独使用表面活性剂或溶菌酶的效果较差[15]。Yan等人还表明，与产生表面活性剂和溶菌酶的细菌共接种，并加入NaCl，可将SS的去除效率提高19.25%，SCOD的释放量增加2588.21 mg/L[10]。
基于过硫酸盐的高级氧化工艺因其高反应性、操作稳定性和广泛的pH适应性而被越来越多地用于污泥调理[16]，[17]。过氧化单硫酸盐（PMS）可以通过多种方法激活，包括热处理、紫外线辐射、超声波处理以及碳基催化剂、过渡金属离子或金属氧化物的应用[18]。碳基材料由于其多孔结构、化学稳定性和可调的表面性质，在PMS激活方面展现出巨大潜力[19]。然而，碳材料本身的电子转移能力限制了其催化性能的进一步提升。相比之下，基于铁的材料（如nZVI）具有丰富的表面活性位点，有利于生成多种活性氧（ROS）[20]。研究表明，将基于铁的材料沉积在碳载体上可以显著提高碳基载体的催化活性。此外，铁物种的掺入赋予了复合材料磁性，便于其分离和回收[21]，[22]。
在本研究中，合成的nZVI@C催化剂与产生溶菌酶的细菌和产生生物表面活性剂的细菌协同作用，以增强污泥处理的性能。研究目标包括：（i）系统评估关键操作参数对由功能菌株介导的污泥水解的影响，从而确定最佳预处理条件；（ii）表征不同预处理条件下EPS组成、溶解有机物（DOM）分布及污泥关键物理化学性质的变化；（iii）阐明各种预处理条件对微生物群落多样性和代谢功能特征的影响。
部分内容
WAS和功能菌株
WAS取自西安的一家污水处理厂，储存在4°C下，并在两周内使用。WAS的特性如下：悬浮固体（SS）为11,150 ± 351 mg/L，挥发性悬浮固体（VSS）为7951 ± 194 mg/L，pH值为7.0 ± 0.2，可溶性化学需氧量（SCOD）为493.14 ± 57.48 mg/L。使用的产溶菌酶细菌Proteus mirabilis sp. YH14和产生生物表面活性剂的细菌Klebsiella pasteuri sp. XSC8均已在之前的研究中分离和纯化。
nZVI@C和PMS剂量对污泥处理效果的影响
nZVI@C和PMS剂量对SS和VSS去除效率的影响如图1a和b所示。所有组的SS和VSS去除效率随时间逐渐增加。C1组在24小时后达到了显著的去除效率，SS去除效率达到15.13%，VSS降解效率达到16.85%。这些数值分别比对照组C0（SS为5.26%，VSS为7.99%）提高了2.85倍和2.11倍。
结论
本研究创新性地开发了一种化学-生物协同预处理方法，通过结合nZVI@C-PMS工艺与功能菌株YH14和XSC8来调理污泥。合成的nZVI@C催化剂显著增强了PMS及其生成的活性氧的氧化能力，破坏了污泥絮体和EPS结构。同时，XSC8菌株降低了固液界面亲和力，促进了EPS的分散，使大量微生物细胞暴露出来，从而促进了后续处理过程。
CRediT作者贡献声明
Kun Pu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件应用，实验研究。谢世成：数据可视化，结果验证。刘岩：数据可视化，结果验证。苏俊峰：实验指导，方法设计，概念构思。刘水玉：实验指导，方法设计，概念构思。李辉：结果验证，软件应用。程文静：数据可视化，软件应用。张秦玉婵：数据可视化，软件应用。李轩：数据可视化，结果验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（NSFC：编号52270167）、国家重点研发计划（编号2022YFC3203605）以及陕西省重点科技创新团队（编号2023-CX-TD-32）的支持。此外，作者还感谢西安建筑科技大学仪器分析中心的Fang Song提供的帮助。
