钢渣协同臭氧催化氧化强化污泥脱水性能的机理研究

为解决污泥中胞外聚合物(EPS)强持水性和致密结构导致的脱水难题，研究人员创新性地采用转炉钢渣(SS)协同臭氧(O3)进行污泥深度脱水。研究表明，SS通过物理骨架作用与催化O3生成·OH的协同效应，使污泥比阻(SRF)降低55.03%，含水率(WC)降至78.79%，同时提升污泥破解度(DDSCOD)82.18%。该技术以工业固废SS为媒介，兼具低成本与绿色可持续性，为污泥资源化提供新思路。

　　

随着城市化进程加速，工业和生活污水产生的大量污泥成为环境治理难题。这些污泥含水率(W_C)常超90%，富含有机物、微生物和重金属，其高持水特性导致运输处理成本高昂，资源化利用受限。传统脱水技术如离心过滤难以去除内部结合水，核心问题在于胞外聚合物(EPS)的强亲水性和污泥致密结构。尽管臭氧(O₃)氧化等高级氧化工艺(AOPs)能破坏EPS，但单独使用存在臭氧利用率低、污泥压缩性增加等缺陷。

针对这一挑战，安徽某研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表论文，创新性地将转炉钢渣(SS)与O₃联用，系统探究了其对污泥脱水性能的协同增强机制。研究通过优化O₃曝气量(3 L/min)、SS粒径(80目)和投加量(40%干污泥)等参数，结合污泥理化性质与微观结构分析，揭示了SS的多重作用机理。

关键技术方法
研究采用响应面法优化工艺参数，通过测定比阻(SRF)、含水率(W_C)和沉降速度(SV)评价脱水效果。利用三维荧光光谱分析EPS组分变化，红外光谱检测蛋白质二级结构转变，扫描电镜(SEM)观察污泥孔隙结构。通过测定可溶性化学需氧量(SCOD)和污泥破解度(DD_SCOD)量化有机物溶出，并采用X射线衍射(XRD)鉴定SS中MnO_X和Fe₂O₃的催化活性组分。

研究结果

SRF与W_C的变化
在最优条件下(O₃ 56.25 mg/g DS，SS 40% DS)，SRF从14.91×10¹² m/kg降至6.30×10¹² m/kg，W_C从95.28%降至78.79%。SS的骨架作用显著降低滤饼压缩性，而O₃催化氧化使EPS中蛋白质α-螺旋结构减少43.6%，亲水性官能团断裂。

SCOD与DD_SCOD提升
协同处理使SCOD峰值浓度提升56.83%，DD_SCOD增加82.18%，表明SS负载的MnO_X催化O₃产生·OH，Fe₂O₃触发类Fenton反应，共同破解EPS网络释放结合水。

微观机制
SEM显示SS形成疏水通道，比表面积增加2.3倍。FTIR证实多糖C-O-C键和蛋白质酰胺键断裂，亲水性下降。XPS分析表明Fe²⁺/Fe³⁺循环加速·OH生成，Mn⁴⁺还原促进O₃分解。

结论与意义
该研究证实SS协同O₃通过"物理骨架-化学氧化"双路径实现污泥深度脱水：一方面SS构建刚性疏水网络，改善滤饼通透性；另一方面其金属氧化物催化产生·OH，高效降解EPS并改变蛋白质构象。相比生物炭等昂贵材料，SS作为工业固废兼具成本优势与环境效益，可减少38.7%的O₃用量。该技术为污泥处理提供了"以废治废"的新范式，对推动循环经济发展具有重要意义。