污水中高分子物质的回收

污水资源化是未来污水处理的发展方向，也是人类可持续发展的必然。污水中可回收资源很多； 今后，单纯处理、净化污水的技术研发将不再扮演主角，除再生水外，污水中藻酸盐、纤维素、蛋白质、生物塑料、胞外聚合物、磷，甚至银、金、铜等贵金属亦是回收的目标物。换言之，污水处理将是构建循环经济，乃至循环社会重要的一环。2015年国务院正式发布《水污染防治行动计划》（“水十条”），2021年1月4日十部委又联合发布《关于推进污水资源化利用的指导意见》，市政污泥资源化被提至前所未有的高度。
自污水或污泥中回收的高分子物质不仅包括藻酸盐、胞外聚合物等胞外高分子物质，还有聚羟基脂肪酸酯、聚-β-羟丁酸、核酸等胞内高分子物质。它们可作为吸附剂、土壤改良剂、生物絮凝剂、增稠剂等，应用于水处理、农业、园艺、造纸、医疗、建筑等领域，具有重大的回收价值。为全面阐述、厘清污水处理过程中高分子物质的来源、结构特性、回收方法、潜在应用领域以及关键技术构建，弥补国内外关于污水中高分子回收相关的专著文献资料空白，结合作者的科研成果，以“污水中高分子物质的回收” 为题，系统归纳总结了最新学术成果与研究前沿。
全书共7章，第1章概述污水中物质组成，并论述高分子物质回收的方法与工艺，并展望瓶颈问题突破的研发方向； 第2章论述藻酸盐的来源、特性、微生物合成及膜分离、浓缩与回收； 第3章论述纤维素的来源、特性、归趋、筛分、经济与能源评价、离子液体回收法以及典型案例； 第4章论述污泥中蛋白质来源、合成机理、特性、提取技术、应用及氮循环的启示与意义； 第5章论述生物塑料聚羟基脂肪酸酯的特性、应用、合成机理、提取与纯化、产量与组成的影响因素； 第6章论述胞外聚合物的提取方法、重金属离子吸附性及膜分离、浓缩与回收； 第7章论述污水中其他的可回收资源，包括甲烷、磷、贵金属及热能。
本书出版受到“北京未来城市设计高精尖创新中心”“城市雨水系统与水环境教育部重点实验室”、北京市高水平创新团队“传统村落保护与居民建筑功能提升关键技术研究项目”“北京市科技新星计划项目”“北京市属高校基本科研业务费专项资金”（X20097，X20133） 和国家自然科学基金（51578036） 资助。本书著述的内容大部分来源于王振、宋鑫、杨文宇、方晓敏、靳景宜、杨晓璇、王欣、孙秀珍、田锋、韩佳霖、刘辉、刘小旦、唐凯等研究生的课题成果，感谢田锋同学对书稿格式的修改，以及化学工业出版社编辑在专著撰写过程中的帮助与建议。最后，感谢作者的科研启蒙导师北京科技大学汪群慧教授、日本九州工业大学藤琦一裕名誉教授、日本名古屋大学入谷英司名誉教授，科研方向指引导师北京建筑大学郝晓地教授、荷兰代尔夫特理工大学Mark van Loosdrecht教授。书中内容多为科研成果的总结与观点阐述，读者可结合书中著录的文献资料扩展阅读。
由于笔者水平所限，书中难免有不当之处，希望读者批评指正，提出宝贵意见，帮助我们不断完善，为未来污水处理技术的发展贡献力量。

曹达啟
2021年11月

曹达啟，工学博士，北京建筑大学副教授，硕士研究生导师。2014年9月博士毕业于日本名古屋大学，师从日本过滤学会会长入谷英司教授。主要研究领域为膜分离技术、污水资源化以及痕量有机污染物迁移与转化。

本书系统论述了污水中高分子物质回收和利用的学术成果和研究前沿。首先概述了污水中物质组成，介绍了高分子物质回收的方法与工艺，并展望了五个瓶颈问题突破的研发方向；然后分章节介绍了藻酸盐、纤维素、蛋白质、生物塑料、胞外聚合物，以及污水中其他可回收资源(如甲烷、磷、贵金属及热能等)的回收和提取方法。
本书可供污水处理资源化及其相关领域研究人员以及高等院校相关专业学生参考使用。

第1章　概述　001
1.1　污水中物质组成　001
1.2　污水中高分子物质　002
1.3　污水中高分子物质回收方法与工艺　003
1.3.1 胞外聚合物中多糖的回收 003
1.3.2 剩余污泥中胞内与胞外高分子物质同时回收 004
1.3.3 剩余污泥中胞内与胞外高分子物质分步回收 005
1.3.4 EPS膜回收与重金属去除耦合 007
1.3.5 新型正渗透EPS浓缩方法 009
1.3.6 利用驱动剂反向渗透的正渗透回收藻酸盐 011
1.3.7 高附加值EPS回收的无污染集成化工艺 012
1.3.8 微滤联合超滤回收藻酸盐 016
1.4　展望　019
参考文献　019

第2章　藻酸盐　022
2.1　藻酸盐来源与特性　023
2.2　藻酸盐纯培养生物合成　025
2.2.1 棕色固氮菌合成藻酸盐 025
2.2.2 假单胞菌合成藻酸盐 026
2.3　污水处理过程中合成藻酸盐　027
2.3.1 污水处理系统中的藻酸盐 027
2.3.2 好氧颗粒污泥中藻酸盐及回收可行性 028
2.4　藻酸盐的超滤/微滤浓缩与回收　030
2.4.1 Ca2+ 作用下藻酸钠溶液的特性 030 
2.4.2 Ca2+ 作用下藻酸钠溶液的超滤行为 032
2.4.3 超滤过滤阻抗 035
2.4.4 Ca2+ 的利用效率 036
2.4.5 过滤压力的影响 040
2.4.6 多糖溶液超滤时蛋白质的影响 041
2.4.7 微滤/超滤中藻酸盐的过滤系数和回收率 042
2.4.8 小结 043
2.5　高价金属离子减轻膜污染及回收材料特性　044
2.5.1 单一和组合金属离子作用下超滤 045
2.5.2 溶解性的藻酸盐浓度和pH 047
2.5.3 Fe3+ 缓解膜污染的机理 048
2.5.4 回收物的材料特性 049
2.5.5 小结 054
2.6　藻酸盐的正渗透浓缩与回收　054
2.6.1 死端正渗透装置开发 055
2.6.2 膜朝向的影响 056
2.6.3 扫流的影响 058
2.6.4 隔板的影响 059
2.6.5 Ca2+ 的影响 060
2.6.6 小结 061
2.7　利用反向溶质扩散的正渗透浓缩藻酸盐　062
2.7.1 原料液侧膜上浓缩物的特性 062
2.7.2 藻酸钠和驱动剂浓度对水通量的影响 065
2.7.3 驱动剂钙盐的反向渗透分析 067
2.7.4 小结 069
参考文献　070

第3章　纤维素　083
3.1　污水中纤维素来源与特性　083
3.2　污水处理厂纤维素的回收　086
3.2.1 归趋 086
3.2.2 筛分 087
3.2.3 经济评价 088
3.2.4 能源评价 089
3.3　离子液体回收初沉污泥中纤维素　090
3.4　典型案例　091
参考文献　093

第4章　蛋白质　096
4.1　污泥中蛋白质来源、合成机理及特性　096
4.1.1 来源 096
4.1.2 微生物合成机理 096
4.1.3 特性 097
4.2　剩余污泥中蛋白质提取技术　097
4.2.1 提取方法 097
4.2.2 蛋白质的分离与纯化 099
4.3　蛋白质资源化应用　100
4.3.1 动物饲料添加剂 100
4.3.2 肥料 101
4.3.3 发泡剂 101
4.3.4 木材胶黏剂 102
4.3.5 瓦楞原纸的增强剂 102
4.4　氮循环的启示与意义　103
4.4.1 单细胞蛋白的利用史 103
4.4.2 世界粮食危机 103
4.4.3 氮素的单向恶性转换 104
4.4.4 变脱氮为机遇 106
4.5　小结　107
参考文献　107

第5章　生物塑料　113
5.1　概述　114
5.1.1 PHAs简介 114
5.1.2 PHAs的材料特性 115 
5.1.3 PHAs的应用领域 116
5.2　污水合成PHAs机理　117
5.3　PHAs产量的影响因素　118
5.3.1 水解酸化阶段 118
5.3.2 菌群富集阶段 119
5.3.3 合成阶段 119
5.4　PHAs的提取与纯化　120
5.4.1 PHAs的提取 120
5.4.2 PHAs的纯化 122
5.5　PHAs组成的影响因素　122
5.5.1 水解酸化阶段 123
5.5.2 提取纯化阶段 125
5.6　结语　125
参考文献　125

第6章　胞外聚合物　131
6.1　EPS的提取方法　132
6.2　EPS的HMIs吸附性　132
6.3　EPS的膜浓缩与重金属吸附　133
6.3.1 Ca2+ 作用下EPS的过滤行为 134
6.3.2 EPS的回收率 136
6.3.3 膜污染减轻策略与机制 136
6.3.4 剩余污泥来源与EPS提取方法的影响 138
6.3.5 回收物对HMIs的吸附 139
6.3.6 小结 142
6.4　EPS回收与HMIs去除耦合的超滤　143
6.4.1 EPS对Pb2+ 的吸附性能 143
6.4.2 EPS滤饼和HMIs的相互作用 144
6.4.3 Pb2+ 和EPS浓度的影响 149
6.4.4 过滤压力的影响 152
6.4.5 膜污染缓解策略 153
6.4.6 EPS-UF去除各种HMIs 158
6.4.7 小结 158
6.5　微滤分离EPS中多糖与蛋白质　159
6.5.1 微滤膜孔径的影响 159
6.5.2 Ca2+ 浓度的影响 162
6.5.3 多糖与蛋白质浓度比的影响 163
6.5.4 微滤膜面剪切的影响 164
6.5.5 EPS中多糖的微滤回收 167
6.5.6 多糖与蛋白质混合物的微滤分离机制 168
6.5.7 小结 169
6.6　表面活性剂强化超声波提取高分子物质与特性　169
6.6.1 提取效率的影响因素 171
6.6.2 高分子物质的特性 175
6.6.3 高分子物质对Pb2+ 的吸附行为 180
6.6.4 污泥特性 182
6.6.5 小结 183
参考文献　184

第7章　污水中其他的可回收资源　193
7.1　污泥厌氧消化产甲烷　193
7.1.1 厌氧产甲烷机制 193
7.1.2 影响因素 194
7.1.3 技术瓶颈与对策 196
7.1.4 小结 199
7.2　磷回收　200
7.2.1 水体中磷的来源 200
7.2.2 除磷机理 201
7.2.3 鸟粪石回收 202
7.2.4 蓝铁矿回收 203
7.2.5 小结 203
7.3　污水中贵金属的回收　204
7.3.1 纳滤 204
7.3.2 吸附 205 
7.3.3 溶剂萃取 206
7.3.4 离子交换 206
7.3.5 小结 206
7.4　污水中热能的回收　207
7.4.1 污水热交换器 207
7.4.2 水源热泵 208
7.4.3 水源热泵膜蒸馏 209
7.4.4 小结 214

参考文献　215