臭氧化在污泥可持续管理中的应用：减量化、脱毒、稳定化及资源回收的进展

《Journal of Environmental Management》：Ozonation for sustainable sludge management: Advances in reduction, detoxification, stabilization, and resource recovery

　　

•臭氧氧化破坏污泥絮体和外源高分子物质（EPS），释放结合水以实现污泥减量。
•臭氧灭活病原微生物并降解有机污染物以实现解毒。
•臭氧促进污泥中重金属形态的转化。
•臭氧促进污泥水解，增强厌氧消化以实现稳定化。
•臭氧释放污泥中的溶解性碳和营养物质，具有资源回收潜力。

引言

随着工业化和城市化的加速发展，污水处理厂规模的扩大导致污泥产量急剧增加。相关研究表明，全球城市污水处理厂每年产生多达4500万吨污泥（Gao等，2020）。在国内，根据中华人民共和国住房和城乡建设部的报告，截至2024年，城市干化污泥年产量已达到1200万吨（住建部，2024）。此外，国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部及生态环境部于2022年9月联合发布的《污泥无害化处置与资源化利用实施方案》强调大力推动污泥无害化处理与资源化利用（国家发改委，2022）。为贯彻落实这一国家政策，各地地方政府近年来发布了更新的支持性指导方针。一个典型例子是宁波市生态环境局于2025年5月发布的污泥管理专项通知，该通知加强了对污泥处置和资源回收的全过程监管（NBEE，2025）。由于污泥中含有丰富的有机物、重金属以及氮（N）、磷（P）、钾（K）等营养元素，未经有效处理直接排放将导致环境污染（Yang等，2021；Yuan等，2024）。因此，在当前污泥处理处置领域，污泥减量、解毒、稳定化和资源回收构成了四大核心目标（Liu等，2025）。然而，每个阶段都面临着巨大困难。

污泥有机质含量高、粒径细、亲水性强，导致污泥减量过程中脱水非常困难（Zhang等，2017b）。传统机械脱水通常只能将含水率降至约80%（Xia等，2023；Zhang等，2022）。有效分离结合水和胞内水需要高级调理技术，但现有技术尚不成熟。例如，电化学调理的氧化能力较弱，导致结合水去除不完全（Gu等，2024；Lu等，2022；Olvera-Vargas等，2019）。Fenton氧化受到强酸性反应条件的限制，且过氧化氢（H?O?）化学稳定性差，影响处理效果的稳定性（Lv等，2025）。

解毒阶段因污泥基质中存在难降解有机污染物（如多环芳烃（PAHs）和抗生素）、无机有毒物质（如重金属）和病原微生物而变得复杂（Lu等，2025；Raczkiewicz和Oleszczuk，2025；Wang等，2023b）。现有技术对目标污染物的去除效率较差，且无法同时处理多种污染物（He等，2024a）。

在稳定化阶段，主流厌氧消化工艺的特点是底物水解慢、反应周期长、甲烷产量不稳定，且受污泥特性和环境条件的影响（Hyder等，2024；Sun等，2024）。好氧堆肥受到处理周期长、重金属和有机污染物残留风险高、堆肥质量不稳定等限制（Chen等，2024b；Wang等，2023a）。

资源回收阶段通常面临资源利用效率低和二次污染风险显著的问题（Ma等，2024）。因此，亟需开发高效、环保的集成工艺以解决上述关键挑战，推动污泥处理与处置。

臭氧（O?）是一种不稳定的三原子分子，也是一种强氧化剂（2.07 V），能有效分解污泥絮体和微生物细胞。其快速的反应动力学和无持久性二次污染物的特点使其成为污泥处理的有吸引力选择（Epelle等，2023；Ge等，2019）。在水溶液中，臭氧可快速分解生成羟基自由基（•OH）和氧气（O? + H?O → 2•OH + O?），该过程在碱性条件下加速（O? + OH? → O? + •OH + O??）。因此，臭氧化通过直接氧化和间接氧化两种途径进行。臭氧分子直接氧化将大分子有机化合物分解为较小的片段（Hu等，2025），而间接氧化由•OH介导，其氧化还原电位（2.80 V）高于臭氧，能有效降解顽固有机污染物（Wu等，2021；Zhang等，2023）。

目前关于污泥臭氧化的综述文章往往采取零散的观点，主要集中在离散的子主题上，未能建立全面的研究框架。例如，Xia等（2022）总结了污泥脱水中高级氧化工艺（AOPs）的应用，但未深入探讨臭氧化在污泥处理中的更广泛背景或相关的环境风险。表1总结了这些代表性综述的范围和局限性。然而，尚无关于臭氧化技术在污泥处理中的性能、机制以及其在污泥减量、解毒、稳定化和资源回收中应用的全面综述。

因此，本研究比较了单臭氧化、催化臭氧化、物理耦合臭氧化以及其他组合臭氧化工艺处理污泥的有效性。同时，还解释了控制污泥胞外聚合物（EPS）分解、有机污染物降解、重金属形态转化以及臭氧化与厌氧消化和好氧堆肥协同效应的机制。此外，还汇总了中试和全规模运行数据，评估能耗和运行成本，并提出优化策略以提高能效。此外，本综述主要关注市政污泥活性污泥，而所综述技术对工业污泥或混合污泥的适用性仍有待进一步探索。

各章节片段

臭氧化在污泥处理中的优势

臭氧对污泥的氧化作用主要通过两步微观破坏反应实现（Xia等，2022）。臭氧首先与污泥外层的EPS反应，氧化分解多糖和蛋白质。这破坏了EPS的包裹能力，使大的污泥絮体聚集体破裂为较小的絮体或单个细胞（Dong等，2024；Sui等，2011；Zhang等，2021）。随后，臭氧穿透……

污泥脱水

改善污泥脱水性能对于减少污泥体积和降低运输及处置成本至关重要（Pirouzi等，2024）。然而，污泥中的EPS具有高持水能力，阻碍了结合水的释放。因此，离心脱水和压滤等传统脱水方法在没有预处理的情况下往往难以取得令人满意的效果（Chen等，2022；Zhang等，2025）。臭氧化已被广泛研究作为一种……

多环芳烃的去除

由于其持久性、致突变性和致癌性（Han等，2019），16种多环芳烃已被美国环境保护署和中国环境当局列为优先污染物，其中七种被列为致癌物（Cai等，2007；Li等，2017a）。由于其疏水性和抗生物降解性，大量多环芳烃倾向于吸附在污泥絮体上，使污泥成为这些污染物的重要汇（Li等，……

厌氧消化

厌氧消化是一种广泛应用的污泥稳定化技术，其中有机物依次通过水解、酸化、产乙酸和产甲烷作用转化为甲烷（Wan等，2022）。由于水解通常是速率限制步骤，增强污泥可降解性的预处理策略被广泛认为是提高甲烷回收率和总体消化效率的有效方法（Jang和Ahn，2013）。臭氧化预处理……

臭氧化在污泥资源化利用中的应用

臭氧化可以通过溶解颗粒态有机物和提高营养物质的生物有效性来促进污泥资源回收。主要途径包括内碳源回收用于生物脱氮和稳定化污泥的农业再利用。对于溶解性碳源的回收，臭氧化可以产生富含碳的上清液，部分替代传统外碳源并增强反硝化脱氮。Zhang等（2024a）将……

成本和能耗分析

污泥臭氧化的关键限制在于污泥减量和下游工艺改善的收益能否抵消臭氧产生的能源需求。现有的中试和全规模研究表明，其技术经济性能主要由臭氧投加量、工艺配置和气液传质效率决定。在实践中，臭氧化仅在适当的运行范围内具有吸引力，此时污泥处理与处置成本的降低……

技术前景

典型臭氧化耦合工艺的优势、劣势及成本对比见表10和表S5。尽管臭氧化在污泥减量、解毒、稳定化和资源回收方面显示出巨大潜力，但仍有一些挑战限制了其更广泛的使用。首先，臭氧利用效率低和气液传质不足严重限制了工艺性能，导致氧化剂需求量大且处理……

结论

本综述批判性地考察了臭氧化在污泥处理中的角色，涉及污泥减量、稳定化、解毒和资源回收。臭氧化促进污泥解体、EPS降解和水解，从而提高脱水性能并促进后续的厌氧消化和堆肥。它还能够实现持久性有机污染物的降解和病原微生物的灭活，同时回收溶解性碳和营养物质，改变重金属……

CRediT作者贡献声明

高源璋：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，调查研究。余亚林：撰写——审阅与编辑，可视化，方法学。朱楠文：方法学，概念化。李文浩：可视化，调查研究。梁佳琳：撰写——审阅与编辑，可视化。黄守强：可视化，软件。Amin Mojiri：撰写——审阅与编辑，软件。葛冬冬：撰写——审阅与编辑，监督指导，项目管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（22306078）、江苏省自然科学基金（BK20230714）、江苏省高等教育机构自然科学研究（23KJB610006）以及江苏省科技协会青年人才支持项目（JSTJ-2025-196）的资助。

词汇表

AA2/O —厌氧-缺氧-好氧工艺
ARGs —抗生素抗性基因
As —砷
AOPs —高级氧化工艺
ATZ —阿特拉津
AT4 —4天好氧呼吸活性指数
BBaP —苯并[a]芘
BMP —生物甲烷潜力
BOD? —五日生化需氧量
Cd —镉
CaO? —过氧化钙
C/N —碳氮比
CST —毛细吸水时间
CT —壳聚糖
COD —化学需氧量
Cr —铬
CBP —累积产气量
Cu —铜
DDOF —溶解臭氧浮选
DS —干固体
DW —干重

EEPS：高源璋 | 余亚林 | 朱楠文 | 李文浩 | 梁佳琳 | 黄守强 | Amin Mojiri | 葛冬冬