外聚物去除对微波破解剩余活性污泥的增效作用及生物制氢强化机制

本研究针对剩余活性污泥(WAS)中胞外聚合物(EPS)阻碍微波破解(MWD)效率的问题，创新性采用过硫酸铵(APS)预处理去除EPS，显著提升污泥溶解率(COD solubilization从23.4%增至37.9%)并降低能耗(比能耗从37848降至12616 kJ/kg TS)，最终实现生物氢产率提升60%（81.6 vs 51.1 mL/g VS），为污泥资源化提供了节能新策略。

　　

随着全球城市化进程加速，污水处理厂产生的剩余活性污泥(WAS)处理成本已占运营总成本的三分之一。传统处置方式不仅经济负担重，更浪费了污泥中富含的生物聚合物资源。WAS中的微生物絮体被胞外聚合物(EPS)紧密包裹，这种天然屏障使得微波破解(MWD)等预处理技术能耗居高不下——有研究显示，仅实现41%溶解率就需消耗717,680 kJ/kg TS的巨额能量。如何突破EPS对有机质释放的封锁，成为实现污泥能源化利用的关键瓶颈。

印度泰米尔纳德邦的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中，开创性地将化学氧化与物理破解相结合。通过低剂量过硫酸铵(APS)预处理选择性去除EPS，使后续微波能量精准作用于暴露的微生物絮体。技术路线包含三步关键创新：采用APS产生高氧化性硫酸根自由基(SO₄
•^-
)温和分解EPS；优化微波参数实现深度破解；最终通过暗发酵(DF)将释放的有机质转化为清洁氢能。

EPS去除机制
APS在0.006 g/g SS剂量下作用45分钟时达到最佳EPS去除效果，此时蛋白质、多糖等EPS组分释放量提升3倍。自由基攻击破坏了EPS的网状结构，使后续微波穿透深度增加200%，这通过扫描电镜观察到絮体表面孔隙率显著提升得以验证。

协同破解效能
EPS去除组(APS-MWD)的COD溶解率较传统MWD提升62%（37.9% vs 23.4%），同时破解时间从30分钟缩短至10分钟。能效分析显示比能耗下降66.7%，每吨污泥净产能从-288.25 kWh逆转至+16.06 kWh，实现了能量收支平衡的突破。

生物制氢增益
暗发酵实验证实，预处理后WAS的氢气产率达81.6 mL/g VS，较对照组提升59.7%。气相色谱检测显示氢气在生物气中占比提高至64%，归因于EPS去除后更多挥发性脂肪酸(VFA)被有效转化为H₂
而非甲烷。

这项研究的意义在于：首次证实低剂量APS预处理可打破EPS的能量屏障效应，使MWD技术经济可行性发生质变。建立的"化学-物理"协同破解新范式，为污水处理厂"以废制氢"提供了可推广的解决方案。研究团队特别指出，所用APS剂量远低于环境风险阈值，且反应后生成的NH₄
⁺
可作为氮源回用，体现了绿色化学理念。该成果不仅推动污泥处理从耗能型向产能型转变，更为实现废水处理设施的能源自给提供了关键技术支撑。