文章信息

原名：Peracetic acid pretreatment improves biogas production from anaerobic digestion of sewage sludge by promoting organic matter release, conversion and affecting microbial community

译名：过氧乙酸预处理通过促进有机物释放、转化和影响微生物群落来提高污泥厌氧消化的沼气产量

期刊：Journal of environment management

5年影响因子：8.4

在线发表时间：2024.01.01

通讯作者：翟云波

第一单位：湖南大学环境科学与工程学院

文章亮点

过乙酸预处理被认为是一种新的、有效的污泥化学预处理方法。

活性氧有效地促进了污泥的分解和溶解，并为后续AD反应提供了更多可生物降解的有机物。

一些与水解、产酸、产醋以及产甲烷有关的功能微生物，在用PAA

处理的反应器中显著富集。

01研究背景

近年来，氧化剂作为预处理技术中的化学品以提高AD的效率和能量回收率而备受关注。过氧化钙（CaO)和高锰酸钾（KMnO)已证明可以破坏污泥细胞壁和EPS，从而将细胞内有机物从固相转移到液相，并增加其溶解度，以便AD系统中的功能微生物有效利用。然而，PMS和H需要用于自由基形成的催化剂分解污泥，从而增加处理成本。除此之外，PMS和CaO价格昂贵，因此其实际应用有限。这些氧化剂或其催化剂用于污泥处理时可能会导致残留物，具有潜在的环境风险。因此，探索低成本、高效、环保的预处理氧化剂对提高污泥的AD性能和经济价值具有重要意义。

02研究方案

因此，本研究的主要目的是探索PAA预处理对污泥AD的影响，并通过物理化学和微生物分析解释PAA预预处理如何影响沼气生产的潜在机制。

03研究结果

批处理实验结果表明，PAA预处理提高了沼气产量，PAA的预处理浓度为2 mM/g VS时，累积沼气产量最高（297.94 mL/g VS（挥发性固体））。动力学模型分析表明，PAA预处理提高了沼气潜力（Pt吨)污泥AD增加，但延迟期延长。活性氧（ROS）（HO•，O two − •, oneO（运行） two和CH threeC（O）OO•）是PAA分解的主要中间产物。这些活性氧有效地促进了污泥的分解和溶解，并为后续AD反应提供了更多可生物降解的有机物。16S rRNA扩增子测序表明，一些与水解、产酸、产醋以及产甲烷有关的功能微生物，如 Romboutsia Hydrogenispora公司 , Longivirga，甲恶唑和 Metacity（Metacity），在用PAA预处理的反应器中显著富集。冗余分析和变异分配分析表明，功能微生物与中间代谢物（可溶性碳水化合物、可溶性蛋白质、可溶性化学需氧量和挥发性脂肪酸）和累积沼气产量显著相关。

污水污泥作为污水处理过程的副产品，是一个多成分、多媒体、多交互的复杂系统，具有“污染”和“资源”的双重特性（Xiang等，2023；Xu等，2022；Zhu等，2022）。厌氧消化（AD）是一种可持续的生物技术，用于从有机废物分解中回收能量，是当今生态处理污泥的最有效方法（Chen等人，2020；Zhang et al.，2023）。然而，胞外聚合物（EPS）和硬细胞壁阻碍了细胞外酶对有机物的分解（Liu et al.，2023a；Lu等人，2020）。微生物难以利用胞内有机物，导致污泥AD的水解能力有限，消化率低。各种预处理方法，包括机械、物理、生物和化学预处理，已被应用于加速AD（水解)的速率限制步骤，并可能提高沼气产量(Carrere等人，2016；Khanh Nguyen等人，2021年；刘等人，2023b；图伦和比尔金，2019年）。在所有被研究的预处理方法中，有化学预处理方法

近年来，氧化剂作为预处理技术提高AD的效率和能量回收率引起了广泛的兴趣。一系列氧化剂过氧单硫酸盐（PMS）、过氧化氢（过氧化氢）、过氧化钙（CaO2）和高锰酸钾（高锰酸钾）可以破坏污泥细胞壁和EPS，从而将胞内有机物从固相转移到液相，提高其溶解度以有效利用AD系统中的功能微生物（凌等人，2022；Wang等人，2019a；Zheng等人，2022a)。然而，PMS和过氧化氢分解污泥需要自由基形成的催化剂，这增加了它们的加工成本（Ling et al.，2022）。除此之外，PMS和CaO2价格昂贵，因此其实际应用有限（Ling等人，2022；Wei等人，2019年）。这些氧化剂或其催化剂在应用于污泥处理时，可能会导致具有潜在环境风险的残留物。例如，H2O2/Fe2+和PMS/Fe2+过程可能产生酸或金属离子的二次污染，以及污泥fr中二氧化锰和Mn2+的残留物

过氧乙酸（PAA）具有高氧化能力（标准还原电位Eh0=1.0-1.96V）和优异的灭菌能力，已广泛应用于消毒、有机污染物去除和病原体灭活（da Silva等，2020；Yang等，2022）。与PMS（76千卡mol−1）和过氧化氢（51千卡mol−1）相比，PAA具有较低的哦键解离（38千卡mol−1）（Lingetal.，2022），因此化学试剂和能量输入激活PAA可以减少和过程成本可以降低。据称，PAA是一种环保的化学剂，可以降解为无毒且容易分解的副产品，因为它可以分解成过氧化氢和乙酸，然后再分解成水、氧气和二氧化碳（Sharma et al.，2020）。PAA在污水污泥处理中的应用，由Fraser等人在1985年首次描述（Fraser等人，1985年）。PAA用于污泥消毒，破坏病原体和寄生虫，同时产生安全、易于生物降解和无毒的残留物（Fraser et al.，1985）。此外，PAA预处理能有效促进污泥溶解

因此，本研究的主要目的是通过探讨PAA预处理对污泥AD的影响，并通过理化和微生物分析解释PAA预处理影响沼气生产的潜在机制。首先，为了阐明PAA预处理对污泥AD性能的影响，我们分析并比较了各厌氧反应器中功能微生物驱动的沼气产量和中间代谢产物的变化。然后，从PAA释放和转化有机物以及产生活性氧（ROS）等方面，探讨了PAA预处理对污泥分解的潜在机理。最后，阐明了不同剂量PAA预处理的厌氧反应器中微生物群落的变化以及功能微生物与环境变量的相关性。本研究扩展了氧化剂影响污泥AD系统性能的机制。

04研究结论

本研究对PAA预处理对污泥AD的影响和机理提供了新的认识，更新了功能微生物对PAA前处理反应的认识，所得结果可能为使用氧化剂对污泥AD进行化学预处理提供了基础依据。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0301479723022156

文章信息

原名：Peracetic acid pretreatment improves biogas production from anaerobic digestion of sewage sludge by promoting organic matter release, conversion and affecting microbial community

译名：过氧乙酸预处理通过促进有机物释放、转化和影响微生物群落来提高污泥厌氧消化的沼气产量

期刊：Journal of environment management

5年影响因子：8.4

在线发表时间：2024.01.01

通讯作者：翟云波

第一单位：湖南大学环境科学与工程学院

文章亮点

过乙酸预处理被认为是一种新的、有效的污泥化学预处理方法。

活性氧有效地促进了污泥的分解和溶解，并为后续AD反应提供了更多可生物降解的有机物。

一些与水解、产酸、产醋以及产甲烷有关的功能微生物，在用PAA

处理的反应器中显著富集。

01研究背景

近年来，氧化剂作为预处理技术中的化学品以提高AD的效率和能量回收率而备受关注。过氧化钙（CaO)和高锰酸钾（KMnO)已证明可以破坏污泥细胞壁和EPS，从而将细胞内有机物从固相转移到液相，并增加其溶解度，以便AD系统中的功能微生物有效利用。然而，PMS和H需要用于自由基形成的催化剂分解污泥，从而增加处理成本。除此之外，PMS和CaO价格昂贵，因此其实际应用有限。这些氧化剂或其催化剂用于污泥处理时可能会导致残留物，具有潜在的环境风险。因此，探索低成本、高效、环保的预处理氧化剂对提高污泥的AD性能和经济价值具有重要意义。

02研究方案

因此，本研究的主要目的是探索PAA预处理对污泥AD的影响，并通过物理化学和微生物分析解释PAA预预处理如何影响沼气生产的潜在机制。

03研究结果

批处理实验结果表明，PAA预处理提高了沼气产量，PAA的预处理浓度为2 mM/g VS时，累积沼气产量最高（297.94 mL/g VS（挥发性固体））。动力学模型分析表明，PAA预处理提高了沼气潜力（Pt吨)污泥AD增加，但延迟期延长。活性氧（ROS）（HO•，O two − •, oneO（运行） two和CH threeC（O）OO•）是PAA分解的主要中间产物。这些活性氧有效地促进了污泥的分解和溶解，并为后续AD反应提供了更多可生物降解的有机物。16S rRNA扩增子测序表明，一些与水解、产酸、产醋以及产甲烷有关的功能微生物，如 Romboutsia Hydrogenispora公司 , Longivirga，甲恶唑和 Metacity（Metacity），在用PAA预处理的反应器中显著富集。冗余分析和变异分配分析表明，功能微生物与中间代谢物（可溶性碳水化合物、可溶性蛋白质、可溶性化学需氧量和挥发性脂肪酸）和累积沼气产量显著相关。

污水污泥作为污水处理过程的副产品，是一个多成分、多媒体、多交互的复杂系统，具有“污染”和“资源”的双重特性（Xiang等，2023；Xu等，2022；Zhu等，2022）。厌氧消化（AD）是一种可持续的生物技术，用于从有机废物分解中回收能量，是当今生态处理污泥的最有效方法（Chen等人，2020；Zhang et al.，2023）。然而，胞外聚合物（EPS）和硬细胞壁阻碍了细胞外酶对有机物的分解（Liu et al.，2023a；Lu等人，2020）。微生物难以利用胞内有机物，导致污泥AD的水解能力有限，消化率低。各种预处理方法，包括机械、物理、生物和化学预处理，已被应用于加速AD（水解)的速率限制步骤，并可能提高沼气产量(Carrere等人，2016；Khanh Nguyen等人，2021年；刘等人，2023b；图伦和比尔金，2019年）。在所有被研究的预处理方法中，有化学预处理方法

近年来，氧化剂作为预处理技术提高AD的效率和能量回收率引起了广泛的兴趣。一系列氧化剂过氧单硫酸盐（PMS）、过氧化氢（过氧化氢）、过氧化钙（CaO2）和高锰酸钾（高锰酸钾）可以破坏污泥细胞壁和EPS，从而将胞内有机物从固相转移到液相，提高其溶解度以有效利用AD系统中的功能微生物（凌等人，2022；Wang等人，2019a；Zheng等人，2022a)。然而，PMS和过氧化氢分解污泥需要自由基形成的催化剂，这增加了它们的加工成本（Ling et al.，2022）。除此之外，PMS和CaO2价格昂贵，因此其实际应用有限（Ling等人，2022；Wei等人，2019年）。这些氧化剂或其催化剂在应用于污泥处理时，可能会导致具有潜在环境风险的残留物。例如，H2O2/Fe2+和PMS/Fe2+过程可能产生酸或金属离子的二次污染，以及污泥fr中二氧化锰和Mn2+的残留物

过氧乙酸（PAA）具有高氧化能力（标准还原电位Eh0=1.0-1.96V）和优异的灭菌能力，已广泛应用于消毒、有机污染物去除和病原体灭活（da Silva等，2020；Yang等，2022）。与PMS（76千卡mol−1）和过氧化氢（51千卡mol−1）相比，PAA具有较低的哦键解离（38千卡mol−1）（Lingetal.，2022），因此化学试剂和能量输入激活PAA可以减少和过程成本可以降低。据称，PAA是一种环保的化学剂，可以降解为无毒且容易分解的副产品，因为它可以分解成过氧化氢和乙酸，然后再分解成水、氧气和二氧化碳（Sharma et al.，2020）。PAA在污水污泥处理中的应用，由Fraser等人在1985年首次描述（Fraser等人，1985年）。PAA用于污泥消毒，破坏病原体和寄生虫，同时产生安全、易于生物降解和无毒的残留物（Fraser et al.，1985）。此外，PAA预处理能有效促进污泥溶解

因此，本研究的主要目的是通过探讨PAA预处理对污泥AD的影响，并通过理化和微生物分析解释PAA预处理影响沼气生产的潜在机制。首先，为了阐明PAA预处理对污泥AD性能的影响，我们分析并比较了各厌氧反应器中功能微生物驱动的沼气产量和中间代谢产物的变化。然后，从PAA释放和转化有机物以及产生活性氧（ROS）等方面，探讨了PAA预处理对污泥分解的潜在机理。最后，阐明了不同剂量PAA预处理的厌氧反应器中微生物群落的变化以及功能微生物与环境变量的相关性。本研究扩展了氧化剂影响污泥AD系统性能的机制。

04研究结论

本研究对PAA预处理对污泥AD的影响和机理提供了新的认识，更新了功能微生物对PAA前处理反应的认识，所得结果可能为使用氧化剂对污泥AD进行化学预处理提供了基础依据。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0301479723022156