电化学预处理提升好氧污水处理厂剩余污泥生物降解性与资源化效率的创新研究

本研究针对好氧污水处理厂剩余污泥(WAS)因胞外聚合物(EPS)导致的低生物降解性问题，开发了Ti/RuO2和Ti/RuO2-ZrO2-Sb2O5两种稳定阳极电化学(EC)预处理技术。在10 mA/cm2低电流密度下，三元电极使污泥有机质溶出率提升11%，甲烷产率提高至342 N-LCH4/kgVS，较未处理污泥提升4倍，同时实现1.64 kW-h/kgVS的净能量增益，为污泥资源化提供了高效可持续的解决方案。

　　

好氧污水处理厂每年产生数千万吨剩余污泥(WAS)，其高含水率(约99%)和富含胞外聚合物(EPS)的特性，导致传统厌氧消化(AD)效率低下——甲烷产率仅70 N-LCH₄/kg_VS，远低于理论值350 N-LCH₄/kg_VS。更棘手的是，污泥处理成本占污水处理厂总运营费用的70%，而现有预处理技术如热解法易造成有机质过度矿化，化学法则需添加药剂可能抑制后续生物处理。面对这一全球性环境挑战，墨西哥研究团队在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》发表突破性成果，通过创新电极设计实现了污泥高效资源化。

研究采用三大关键技术：(1)通过Pechini法制备Ti/RuO₂和Ti/RuO₂-ZrO₂-Sb₂O₅电极；(2)在无添加电解质的条件下，以10 mA/cm²电流密度对墨西哥城污水厂污泥进行30分钟EC预处理；(3)采用接种比(ISR)为2 gVS_substrate/gVS_inoculum的批次厌氧消化实验，结合气相色谱分析甲烷产量。

研究结果

1. 表征与未处理污泥甲烷产量

原始WAS的紧密菌胶团结构(图2a)包含187μm长的EPS纤维，导致其甲烷产率仅85 N-LCH₄/kg_VS。SEM显示微生物聚集体尺寸达202×64μm，印证了有机质难降解特性。

2. 溶出与形态变化

三元电极(SPRuZrSb)使溶解性COD(sCOD)提升11.7%，显著高于单金属电极(SPRu)的4.6%。SEM图像(图2c)显示其完全破坏菌胶团结构，而SPRu仅将菌丝宽度从25μm降至5μm。

3. 厌氧消化性能

SPRuZrSb预处理使甲烷产率跃升至342 N-LCH₄/kg_VS，且产气高峰提前至7-10天。关键参数显示其EPS去除率达80%，而导电性仅从2.53增至4.2 mS/cm，避免了对产甲烷菌的抑制。

4. 能量分析与工艺可行性

该系统净能量达1.64 kW-h/kg_VS，远超BDD电极(1.34 kW-h/kg_VS)。三元电极成本仅0.01 USD/cm²，且理论使用寿命达18年，具有显著经济优势。

结论与意义

该研究首次证实Ti/RuO₂-ZrO₂-Sb₂O₅电极在低电流密度下即可高效破解污泥结构，使甲烷产率提升300%的同时，VS去除率达83%。这种"零化学添加"模式避免了二次污染，其能量正收益特性(2.83 kW-h/kg_VS产出)为污水处理厂提供了符合循环经济原则的污泥处置方案。特别值得注意的是，该方法可直接整合至现有污水处理设施，相比传统热解法节省90%能耗，为全球污泥资源化树立了新标杆。