英文原题：Insights into the Effect of Rhamnolipids on the Anerobic Fermentation and Microalgae Lipid Production of Waste Activated Sludge: Performance and Mechanisms
通讯作者：任宏宇，哈尔滨工业大学
作者：Qingqing Song, Fanying Kong, Bing-Feng Liu, Xueting Song, Nan-Qi Ren, Hong-Yu Ren
近日，哈尔滨工业大学任宏宇副教授课题组研究了一种利用鼠李糖脂促进剩余活性污泥发酵产氢耦合微藻产油的方法。研究表明，鼠李糖脂能够强化剩余污泥发酵产氢效能，并进一步实现了微藻的高效产油，有望为清洁能源的生产提供新思路。
随着城市化进程的加快，剩余污泥的产量也在与日俱增，需合理的处理处置途径。此外，剩余污泥中含有大量的生物质资源，如何合理的利用剩余污泥的营养物质以减少污水处理厂的处理成本仍需进一步的探索。随着化石能源的日益减少，对清洁能源的需求也越来越迫切，氢气的清洁生产也成为了21世纪的研究热点之一。以剩余污泥为底物进行发酵制氢不仅能够利用剩余污泥中的生物质资源，产生清洁能源氢气，还实现了剩余污泥的减量化。
传统燃料的匮乏也使生物柴油的开发利用越来越受到关注。微藻因其受季节和地理位置限制小、生长迅速、光合速率快等优点成为生产生物柴油有潜力的原料之一。尽管添加有机碳源可提高微藻生长速率及油脂产率，但外加碳源的成本高达微藻总培养的成本的80%，因此优选经济有效的外加有机碳源成为了微藻产油的关键。剩余污泥产氢发酵后发酵液中仍含有丰富的氮、磷、蛋白质、碳水化合物、VFA等营养物质，可生化性强，能为微藻的生长提供良好的培养基质。剩余污泥发酵液用于微藻培养不仅促进微藻快速生长并积累油脂，而且同步实现生物质能的回收和清洁能源的生产，是一种具有环境效益和经济效益的生产方式。
本研究将剩余污泥发酵制氢与微藻产油脂过程相结合，不仅实现了剩余污泥中资源的回收利用，而且降低了微藻的培养成本，耦合产氢产油技术体系，对推动剩余污泥的资源化利用与绿色能源的可持续生产具有理论与实际意义。
图1：不同表面活性剂对剩余污泥发酵产氢的影响
由图1可知，剩余污泥（WAS）发酵产氢的效果与表面活性剂的种类有关，鼠李糖脂、烷基糖苷和皂苷对其具有促进作用，其他表面活性剂均抑制了剩余污泥发酵产氢过程。在前32 h内，剩余污泥的产氢速率较快，之后产氢速度缓慢，趋向停止。其中，添加鼠李糖脂的剩余污泥累积产氢量最高，达到17.78 mL/g TS，是对照组的1.16倍，因此选择鼠李糖脂作为强化剩余污泥发酵产氢过程的表面活性剂。
图2：鼠李糖脂浓度对剩余污泥发酵产氢的影响
结果表明，鼠李糖脂的添加明显促进了剩余污泥发酵产氢。剩余污泥发酵累积产氢量随着鼠李糖脂含量的增加而提高，当鼠李糖脂添加量为0.5 g/g TS时，剩余污泥发酵累积产氢量最高，达到185.56 ± 5.60 mL/g TS。
图3. 微生物群落结构组成（A：门水平；B：属水平）
图3显示了含有鼠李糖脂的WAS在微生物门和属分类水平上的组成情况。在门水平上，Day 0的剩余污泥发酵系统中优势门主要是拟杆菌门（24.93%）和变形杆菌门（29.04%）。随着时间的推移，剩余污泥厌氧发酵系统中主要优势门演替为Firmicutes（80.59%-90.53%）。Firmicutes在厌氧发酵的水解酸化阶段具有很强的竞争力，是一种潜在的发酵产氢菌，能够降解蛋白质、多糖和脂肪等有机物，并将乙酸和乳酸转化为H2和CO2。因此，Firmicutes丰度的增加促进了发酵过程的产氢，从而提高了剩余污泥发酵系统的产氢量。
Day 0污泥发酵系统的优势属为Terrimonas（5.13%）。经处理的剩余污泥添加鼠李糖脂发酵后微生物群落系统中的优势属为Clostridium sensu stricto（47.79%-56.18%），其为典型的丁酸型发酵产氢菌群，丰度由原污泥的0.63%增加到56.18%，而随时间变化的氢气产量也与梭菌属的相对丰度成正相关，对应的末端液相中正丁酸的含量也从8.71%增加到58.77%，说明梭菌丰度的提高增强了丁酸型发酵产氢。上述结果表明，鼠李糖脂的加入促进了WAS发酵系统中产氢微生物群落系统的构建。
图4：微藻的生物量与油脂产率
以添加鼠李糖脂的剩余污泥发酵液作为微藻培养基，以不添加鼠李糖脂的发酵液作为对照组。微藻结束时的生长特征如图4所示。经过9天的培养，在添加鼠李糖脂的组中，微藻生物量达到3.19 ± 0.58 g/L，生物量产率达到354.63 ± 4.91 mg/L/d（图4A）。此外，对照组的微藻生物量只有0.55 ± 0.05 g/L，对应的生物量产率为61.33 ± 5 mg/L/d，说明鼠李糖脂处理组的发酵液环境对微藻的生长更有利。同时，如图4B所示，处理组中微藻的油脂产率达到120.56 ± 5.50 mg/L/d，是对照组的11.2倍。处理组的油脂含量为30.26 ± 2.69%，而对照组为23.99 ± 0.67%。这表明鼠李糖脂的存在改变了剩余污泥发酵液的特性，这可能与发酵液中VFAs、溶解多糖和SCOD含量丰富有关，为微藻提供了更多的可用底物，从而促进了微藻的生长和产脂过程。
综上所述，研究表明了厌氧发酵和微藻培养耦合系统利用剩余污泥生产氢气和油脂的可行性和有效性，为剩余污泥的资源化利用、清洁能源的生产奠定了一定的基础。
相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，并被遴选为当期杂志的封面文章（Front Cover）介绍。哈尔滨工业大学博士研究生宋青青为文章的第一作者，任宏宇副教授为通讯作者。
通讯作者简介：
任宏宇 副教授
任宏宇，哈尔滨工业大学环境学院副教授，博士生导师，城市水资源与水环境国家重点实验室成员。主要研究领域为废水废弃物处理与资源化，已在Water Research，ACS ES&T Engineering，Journal of Hazardous Materials，中国环境科学等学术期刊上发表七十余篇论文。
第一作者简介：
宋青青 博士生
宋青青，哈尔滨工业大学博士在读，研究方向为废弃生物质能源化。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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