「前沿洞察・第 2 期」首信解读： 解码聚丙烯酰胺过度絮凝机理，首信研究契合国际前沿

首信研发中心

在市政污泥处理中，聚丙烯酰胺（PAM）的投加量控制一直是行业难题：投加不足则絮体松散，过量则引发“过度絮凝”，不仅增加药剂成本，反而导致泥饼含水率升高、过滤性能下降。传统上，过度絮凝仅被视作一种宏观现象，缺乏分子层面的系统解释，这直接制约了PAM产品的精准化设计与现场智能加药的发展。

PAM过量絮凝的“三重面孔”：蛋白质构象从抑制聚集到氢键陷阱的演化密码

首信研发团队长期聚焦于PAM与污泥胞外聚合物（EPS）的界面作用机理，尤其关注EPS中占比最高、对絮凝脱水影响最为显著的胞外蛋白质（PN）。通过系统性的光谱学分析（包括紫外-可见光谱、三维荧光光谱、傅里叶变换红外光谱及X射线光电子能谱），结合主成分分析与冗余分析等多元统计手段，我们对PAM过量投加条件下蛋白质的分子构象进行了深入追踪，取得了以下关键性认识：

阶段性演变规律：PAM过度絮凝并非简单的线性恶化过程，而是呈现“抑制聚集—促进聚集—强化氢键网络”的三阶段特征。在轻度过量阶段，蛋白质的小分子和大分子组分反而增加，亲水性增强；随着剂量进一步加大，蛋白质疏水性回升，最终在重度过量时形成密集的C＝O…N-H氢键网络，絮体虽密实但持水能力反而异常升高。

《Water Research》新视角：PAM过量絮凝中胞外蛋白的“非单调”演化——从抑制聚集到氢键锁水的分子反转剧

令人振奋的是，我们近期关注到国际水处理领域顶级期刊《Water Research》2025年发表的一项研究成果（Liu et al.，论文题为Molecular-scale mechanism of extracellular protein over-flocculation for sewage sludge dewatering by polyacrylamide）。该研究通过紫外-可见光谱、三维荧光光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）及X射线光电子能谱（XPS）等多重手段，结合主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）等多元统计方法，得出以下核心结论：

（1）PN分子量的非单调变化。PAM过度絮凝并非简单的线性过程。当PAM从最佳投加量（11%）增至13%时，LB-EPS（松散结合胞外聚合物）中表征小分子（S275-295）和大分子（S350-400）含量的光谱指标反而上升，表明轻度过量时PAM抑制了PN的聚集与沉降；继续增加至17%时，两类分子指标转而下降，PN聚集显著增强。

图1 LB-EPS 分子量指标随 PAM 投加量的变化曲线

（2）蛋白质官能团的决定性作用。研究证实，C＝O、N-H和O-H基团的比例变化是决定PN-PN相互作用及PN表面亲/疏水性的根本内因。轻度过量时，O-H基团增多增强了PN亲水性，阻碍水分释放；重度过量时，C＝O与N-H之间形成密集氢键网络，PN疏水性升至峰值。

图2 脱水滤饼的官能团特征与蛋白参数变化

（3）PN疏水性先降后升的演变轨迹。过度絮凝过程中，PN疏水性呈现“下降—回升—超越初始水平”的完整路径，这一发现为判断PAM过度絮凝程度提供了关键分子级判据。 

图3 PAM 过絮凝的胞外蛋白转化机理示意图

《Water Research》机理共识，首信率先转化：智能加药模型与靶向改性PAM引领污泥脱水新范式

基于这些机理层面的突破性认知，我们已率先将研究成果转化为实际应用技术：

智能加药指导模型：基于光谱指标与PAM剂量的定量关系，我们开发了简易的剂量判定模型，可协助现场运营人员快速识别是否进入过度絮凝区间，避免无效加药。

官能团靶向改性PAM：针对蛋白质官能团的响应特性，我们优化了PAM的阳离子度、分子量及官能团分布，推出了新一代宽剂量窗口型絮凝剂，有效提升了对不同污泥类型的适应性。

此次我们研究成果与国际前沿论文的“不谋而合”，充分证明了首信在PAM基础研究领域具备国际视野和扎实的科研能力。未来，我们将继续深耕污泥界面化学与高分子设计交叉领域，以分子级机理指导产品迭代，为行业提供更科学、更经济的污泥脱水全流程解决方案。

内容来源：Water Research 287 (2025) 124550

原文标题：

Molecular-scale mechanism of extracellular protein over-flocculation for sewage sludge dewatering by polyacrylamide

原文作者：Minmin Liu, Jiesi Zhang, Yawei Z  hao, Wei Wang, Huihui Zhang, Wenzheng Yu