空气阴极电过氧-铁(III)协同调控消化污泥脱水性能的机制研究：EPS组分演变与纳米限域水流动阻力分析

为解决消化污泥(DS)脱水效率低、传统调理方法能耗高且易造成二次污染的问题，研究人员开发了基于空气阴极(AC)的电过氧-铁(III)耦合工艺(EAC-peroxone-Fe(III))。该工艺在优化条件下使污泥毛细吸水时间(CST)降低96.67%，滤饼含水率下降20.92%，并通过调控紧密型胞外聚合物(TB-EPS)的α-螺旋/(β-折叠+无规卷曲)比例提升至25.17%，显著增强污泥疏水性。该研究为污泥减量化提供了高效环保的新策略。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂产生的消化污泥（Digested Sludge, DS）因含有复杂胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）而难以脱水，传统物理化学调理方法存在能耗高、化学添加剂污染等问题。针对这一挑战，北京某高校研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表研究，创新性地将空气阴极（Air Cathode, AC）引入电过氧-铁(III)（E_AC-peroxone-Fe(III)）工艺，系统解析了该工艺对DS脱水性能的调控机制。

研究采用单因素实验优化反应参数，结合EPS组分分析、纳米孔隙水流动阻力计算等技术手段。通过石墨基AC阴极高效产H₂O₂（4.97 mmol/L），与O₃协同生成羟基自由基(^·OH)，并耦合Fe(III)混凝作用。实验所用DS样本采集自北京某污水处理厂，关键检测指标包括毛细吸水时间(CST)、结合水含量及EPS二级结构等。

参数优化
在反应时间50 min、电流50 mA、臭氧流量0.8 L/min、Fe(III)投加量60 mg/g TSS（总悬浮固体）的优化条件下，E_AC-peroxone-Fe(III)使CST降低96.67%，滤饼含水率下降20.92%。AC阴极稳定性测试表明其电压波动仅0.02 V，具备工程应用潜力。

水分形态转变
调理后DS的结合水从45.52 mg/g TSS降至36.72 mg/g TSS，其中邻近水（vicinal water）比例由2.8%降至2.59%，间隙水（interstitial water）比例由97.2%降至96.57%。纳米限域水流动阻力计算显示增强因子从0.689提升至0.831，证实水分流动性显著改善。

EPS结构演变
• TB-EPS中α-螺旋/(β-折叠+无规卷曲)比例从9.65%增至25.17%，疏水性增强
• 松散型EPS（LB-EPS）占比从23.51%降至19.91%
• 粘液层（slime）含量从28.04%锐减至19.21%
这种结构变化促使污泥絮体形成数百微米级致密结构，Zeta电位稳定在-4 mV左右。

经济性分析
该工艺总成本为34.3205 US$/t TSS，较传统方法具有显著成本优势。

研究结论表明，E_AC-peroxone-Fe(III)通过三重机制协同增效：1）AC阴极高效产H₂O₂驱动自由基链式反应；2）Fe(III)混凝重构污泥絮体孔隙结构；3）EPS蛋白质二级结构转变降低水合作用。该工作不仅为DS脱水提供了绿色解决方案，更为电化学-高级氧化耦合工艺在固废处理领域的应用提供了理论依据。作者Meilin Liu等特别指出，未来可进一步探索AC阴极材料改性对H₂O₂产率的提升潜力。