利用EDTA螯合与好氧后消化耦合工艺同步去除污泥重金属并回收磷：封闭循环系统的构建与机制解析

本研究针对污水厂厌氧消化污泥(ADS)中重金属(TMs)污染阻碍其农业回用的问题，开发了一种结合乙二胺四乙酸(EDTA)螯合与好氧后消化(PAD)的新型处理工艺。通过CaO碱化实现EDTA回收（回收率74.4%）和过程溶液(PS)循环使用，在12天处理中同步去除Zn(74%)、Cu(61%)、Cr(26%)和Pb(43%)，并零价铁(ZVI)添加使重金属浸出降低55-88%。该封闭流程无废水产生，磷保留率提升15%且植物有效性提高1.8倍，为污泥资源化提供了可持续解决方案。

　　

随着全球磷矿资源的日益枯竭，污水污泥(Sewage Sludge, SS)作为一种重要的磷回收载体受到广泛关注。然而，污泥中富集的重金属(Toxic Metals, TMs)如锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)和铅(Pb)等严重制约其农业利用。现有处理技术如热解法能耗高且导致养分损失，生物浸出法耗时过长，而化学提取法虽能去除重金属却会同步溶解磷元素。更棘手的是，常用螯合剂EDTA价格昂贵且环境持久性强，其回收利用一直是技术难点。

针对这一难题，来自斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的研究团队在《Water Research》上发表了一项创新研究，他们开发了一种将EDTA螯合与好氧后消化(Post-Aerobic Digestion, PAD)相结合的集成工艺，实现了厌氧消化污泥(Anaerobically Digested Sludge, ADS)中重金属的高效去除与磷养分的同步保留。该工艺的核心在于构建封闭循环系统：利用CaO碱化使用后的过程溶液(Used Process Solution, uPS)，使重金属以氢氧化物形式沉淀并回收EDTA，通过添加厌氧消化液(Anaerobically Digested Liquor, ADL)补偿水分损失，最终实现试剂循环与零废水排放。

研究采用的关键技术方法包括：1）从斯洛文尼亚某污水厂（处理规模15万人口当量）获取ADS和ADL样本；2）在PAD生物反应器中控制pH 5.8-7.6、温度28-33°C进行12天好氧消化；3）ICP-OES分析重金属与养分含量；4）EDTA浓度光谱测定法；5）零价铁(ZVI)添加抑制重金属浸出实验。

3.1 EDTA浓度与PAD条件对重金属去除的影响

研究发现EDTA浓度显著影响重金属去除效率。当浓度从5 mM提升至35 mM时，Zn和Cu的去除率分别提高至74%和61%，而Cr和Pb因与有机质结合紧密，去除率仅26%和43%。值得注意的是，EDTA在好氧条件下未被微生物降解，保证了其回收可行性。10 mM EDTA被确定为最佳浓度，兼顾效率与经济性。

3.2 新型ADS处理工艺的机制与性能

通过CaO将uPS碱化至pH 12.5，成功实现EDTA与重金属的分离（回收率74.4%）。关键机制在于Fe3?的存在促进重金属共沉淀：Fe-EDTA与Ca2?反应生成Ca-EDTA和金属氢氧化物沉淀。过程中添加的H?SO?与过量Ca2?形成石膏(CaSO?)沉淀，进一步净化溶液。五批次重复实验证实PS质量稳定，Na?浓度未出现累积现象。

3.3 固体减量与重金属去除效率

PAD过程使污泥总固体(Total Solids, TS)减少23.2%，其中82%归因于污泥碎片化而非矿化作用。尽管EDTA处理略微降低污泥脱水性（水分从71.8%增至78.6%），但最终稳定化脱污污泥(Stabilised and Decontaminated Sludge, SDS)中Zn、Cu、Cr、Pb的去除率分别达74%、61%、26%和43%。控制组实验显示，无EDTA添加时重金属浓度反而上升，证明EDTA的关键作用。

3.4 EDTA与PAD对磷养分的影响

工艺成功保留并富集了磷养分：SDS中磷浓度提升15%，植物有效性（铵乳酸提取法）增加1.8倍。磷的积累源于好氧微生物对磷的生物固定，而碎片化过程未造成磷损失。对比不同提取方法，酸性铵乳酸法(AL)测得的有效磷显著高于碱性奥尔森法(OLS)，表明工艺更利于铁铝结合态磷的释放。

3.5 材料成本分析

处理每吨干污泥的材料成本为73欧元，其中EDTA补充占50%。与焚烧（355欧元/吨）和填埋（21-560欧元/吨）相比，新工艺不仅成本更低，且产出物具有肥料价值。SDS中所含磷、钾、氮的营养价值可达58.9欧元/吨，覆盖81%的处理成本。

该研究通过巧妙的工艺设计，将EDTA螯合、好氧消化与试剂回收有机结合，成功破解了污泥处理中“除重金属”与“保磷”难以兼得的技术困境。封闭循环系统避免了二次污染，零价铁的添加进一步降低了环境风险。尽管铬和铅的去除效率仍有提升空间，但本研究为污水厂污泥资源化提供了可直接集成于现有设施的技术方案，对推动循环经济发展具有重要意义。未来研究需关注工艺放大效应和不同来源污泥的适应性优化。