Weakened adhesion force between extracellular polymeric substances of waste activated sludge caused by rhamnolipid leading to more efficient carbon release

鼠李糖脂使廢活性污泥胞外聚合物之間的粘附力減弱，碳釋放效率提高

來源：Science of the Total Environment 692 (2019) 892–902 《Science of the Total Environment》（2019年，第692卷）

 

論文總結

研究系統探究了生物表面活性劑鼠李糖脂（rhamnolipid, RL）對廢棄活性污泥（WAS）中細胞外聚合物物質（EPS）物理性質的改變，以及這種改變如何增強水解和酸生成過程，從而提高碳釋放效率和短鏈脂肪酸（SCFAs）產量。以下是對論文的詳細總結。

 

摘要概括

摘要指出，RL作為一種生物表面活性劑，能夠顯著改變WAS中EPS的物理特性。研究發現，RL處理（0.04 g RL g?1 TSS）使EPS的粘附力從13.46 nN降低至1.08 nN，導致EPS層層解體，顆粒中值尺寸減少31.57 μm，并釋放大量可溶性有機物。活菌數保持穩定（2.59 × 10? vs. 2.66 × 10? cells mL?1），表明RL對微生物細胞影響最小（僅約2%細菌裂解）。氨氮釋放和SCFA生產的動力學研究表明，RL預處理組的水解和酸生成速率常數分別比對照組高2倍和1.5倍。這些變化顯著促進了厭氧消化過程中的碳釋放和SCFAs積累。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

探究RL對WAS中EPS物理性質（特別是粘附力）的影響機制。

評估RL預處理如何增強WAS的水解和酸生成效率，從而提高SCFAs產量。

量化RL對微生物活性和代謝途徑的影響，確保其環境友好性。

 

通過動力學模型分析RL對水解和酸生成過程的促進作用，為優化WAS處理提供理論依據。

 

研究思路

研究采用“預處理-多參數測量-動力學分析”的系統策略：

 

實驗設計：設置平行批次厭氧消化實驗（900 mL反應瓶，700 mL WAS），添加RL（0.04 g RL g?1 TSS）作為實驗組，對照組無RL。在30°C下運行72天，定期采樣分析。

物理性質測量：使用原子力顯微鏡（AFM）測量EPS粘附力；通過激光粒度儀分析顆粒尺寸分布；通過EPS分層提取（DOM、LB-EPS、TB-EPS）和化學分析（COD）評估EPS組成變化；通過流變儀測量表觀粘度和觸變性。

微生物活性評估：基于ATP濃度絕對定量活菌數；通過EEM熒光光譜分析熒光物質（如色氨酸、酪氨酸類似物）的變化。

化學參數監測：測量SCOD、氨氮、SCFAs（如乙酸）濃度；使用氣相色譜（GC）分析甲烷產量。

動力學建模：應用偽一級（PFO）和偽二級（PSO）動力學模型擬合水解（基于氨氮積累）和酸生成（基于乙酸積累）數據，計算速率常數。

 

數據關聯：將物理性質變化與化學和微生物數據關聯，闡釋RL促進碳釋放的機制。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖/表編號）及研究意義：

 

EPS粘附力數據（來源：Fig. 1）

 

數據：RL處理使EPS粘附力從13.46 nN降至1.08 nN（降低92%）。

 

研究意義：直接證明RL通過表面活性劑作用削弱EPS層間結合力，促進EPS解體和有機質釋放，為增強水解提供物理基礎。

 

顆粒尺寸分布數據（來源：Fig. 2a）

 

數據：RL處理使顆粒中值尺寸從51.47 μm降至19.90 μm（減少61.5%）。

 

研究意義：表明RL導致顆粒分散，增加比表面積，提高酶接觸效率，加速水解過程。

 

EPS組成變化數據（來源：Fig. 2b）

 

數據：RL處理后，DOM相對豐度從4%增至34%，LB-EPS從7%增至22%，TB-EPS從89%降至44%。

 

研究意義：證實RL將結合態EPS轉化為可溶態，增加底物可用性，直接驅動水解和酸生成。

 

流變學性質數據（來源：Fig. 2c, 2d）

 

數據：RL處理使表觀粘度從4.14 × 10?3 Pa·s增至5.24 × 10?3 Pa·s，觸變滯后面積從17.91 Pa·s?1增至45.66 Pa·s?1。

 

研究意義：表明RL提高污泥持水能力和抗剪切性，但降低結構重建能力，有利于有機質持續釋放。

 

微生物活性數據（來源：Fig. 3）

 

數據：活菌數在RL處理后保持穩定（2.59 × 10? vs. 2.66 × 10? cells mL?1），細菌裂解率僅2%。

 

研究意義：證明RL主要作用于EPS而非細胞完整性，是一種環保的預處理方式，避免細胞內容物釋放導致的二次污染。

 

EEM熒光光譜數據（來源：Fig. 4）

 

 

數據：RL處理后，DOM中酪氨酸類似物熒光強度增加1.3倍（4655 vs. 3699），LB-EPS中檢測到酪氨酸類似物（FI=4603），而TB-EPS中熒光強度降低。

 

研究意義：直觀顯示RL促進蛋白類物質從TB-EPS向DOM遷移，驗證了有機質溶出機制。

 

化學參數數據（來源：Fig. 5）

 

數據：SCOD增加4倍（165.57 vs. 40 mg g?1 VSS），氨氮積累量提高2.3倍（20.22 vs. 8.96 mg g?1 VSS），乙酸產量提高3.6倍（82.11 vs. 32.58 mg g?1 VSS），累積甲烷產量提高35.5%（55.10 vs. 40.63 mL g?1 VSS）。

 

研究意義：量化RL對水解、酸生成和甲烷生產的增強效應，證實RL雖延遲甲烷生產但最終提高產量。

 

動力學模型數據（來源：Fig. 6, Table 4）

 

 

數據：PFO模型擬合顯示，RL組水解速率常數（2.43 × 10?2 h?1）比對照組（1.22 × 10?2 h?1）高2倍；酸生成速率常數（3.18 × 10?2 L mg?1 h?1）比對照組（2.44 × 10?2 L mg?1 h?1）高1.5倍。

 

研究意義：提供定量證據表明RL加速水解和酸生成動力學，為工藝優化提供參數。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

RL預處理顯著降低EPS粘附力（92%減少），導致顆粒分散和有機質釋放，從而增強水解和酸生成效率。

RL提高SCOD、氨氮和SCFAs產量（乙酸提高3.6倍），而不影響微生物活性（裂解率僅2%），表明其環境友好性。

動力學分析證實RL使水解和酸生成速率常數分別提高2倍和1.5倍，雖延遲甲烷生產但最終提高甲烷產量（35.5%增加）。

 

RL通過改變EPS物理性質而非細胞裂解促進碳釋放，為WAS處理提供了一種高效、可持續的預處理策略。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense微電極系統（型號pH-50-5343）測量溶解氫濃度的數據（雖未在圖表中直接展示，但方法部分描述）具有重要研究意義，其解讀如下：

 

測量背景與目的：Unisense電極用于原位測量污泥中的溶解氫濃度，以評估酸生成過程中的氫生產動態。氫是厭氧消化中關鍵中間產物，其濃度反映水解和酸生成活性，并影響產甲烷途徑（如氫營養型甲烷生成）。

技術優勢：Unisense微電極提供高分辨率、原位實時測量，避免取樣擾動，確保數據準確性。溶解氫濃度變化可間接揭示RL對代謝途徑的影響，例如，氫積累可能表明酸生成增強或產氫菌活性提高。

在研究中的角色：盡管數據未在結果部分突出顯示，但溶解氫測量為動力學分析提供支持。例如，RL促進水解和酸生成（Fig. 5），可能導致氫生產增加，但本研究未觀察到氫積累（可能由于快速消耗），這暗示RL可能同步增強氫營養型代謝或氫利用效率。

廣義研究意義：Unisense數據有助于理解RL對代謝網絡的整體影響：

 

水解和酸生成增強：氫生產通常伴隨有機酸生成，溶解氫濃度增加可驗證RL對酸生成的促進作用。

產甲烷途徑調控：氫分壓影響產甲烷菌群落（如氫營養型與乙酸營養型），Unisense數據可幫助識別RL是否改變代謝流向（雖本篇未深入討論）。

 

工藝監控：溶解氫作為實時參數，可用于優化RL投加量和消化器操作條件，以最大化SCFAs回收或甲烷生產。

 

與本研究的關聯：結合其他數據（如乙酸產量增加、微生物活性穩定），Unisense測量可能確認RL不會導致氫過度積累（避免抑制效應），從而支持其安全性和有效性。未來研究可更直接利用Unisense數據關聯氫動力學與群落變化。

 

總之，丹麥Unisense電極在本研究中作為輔助工具，提供溶解氫的定量數據，雖未充分展示，但其應用潛力在于揭示RL預處理對微觀代謝動力學的影響，為機制闡釋增添維度。它強調了多參數監測的重要性，以全面評估預處理策略的效果。