电化学活化过一硫酸盐预处理强化污泥发酵的机理分析与生命周期评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Mechanism analysis and life cycle assessment of electrochemically activated peroxymonosulfate pretreatment for enhanced sludge fermentation

　　- E-PMS协同作用使VFA产量提高了5.6倍，并加速了产酸动力学。- 电化学活化产生了ROS，升级了DOM，增强了生物可利用性。- LCA证实E-PMS将环境足迹减少了35-50%，节能12%。**引言**活性污泥法作为应用最广泛的废水处理技术之一，会产生大量剩余活性污泥（WAS）[1], [2]。该污泥含有大量病原体、有机物和重金属，若处理不当可能引发严重的环境风险[3]。传统处置方法（填埋和焚烧）不仅占用土地资源，还会导致温室气体排放（例如填埋产生的甲烷、焚烧产生的二氧化碳）和二次污染[4]。在此背景下，污泥管理正从末端处置向资源回收转变，这既受碳减排政策的驱动，也源于循环经济对高效资源利用的内在需求[5], [6]。目前，从污泥中回收资源的主要途径包括厌氧消化产甲烷（CH?）、磷回收（如鸟粪石形式）以及挥发性脂肪酸（VFAs）的生产[7], [8], [9]。其中，VFAs因其高市场价值和广泛应用而备受关注[10], [11]。VFAs可作为污水处理厂生物营养物去除的高质量碳源，从而减少碳足迹并节约外购碳源，进而有助于降低污水处理过程的排放[12], [13]。因此，提高剩余活性污泥厌氧发酵的VFA产量已成为研究热点[14]。在厌氧发酵生产VFA的过程中，该过程包括四个阶段：水解、产酸、产乙酸和产甲烷[15], [16]。其中，水解是限速步骤，因为污泥中的微生物细胞被胞外聚合物（EPS）和细胞壁所包裹，使得水解菌难以接触复杂有机物（蛋白质、多糖）[17], [18]。这种结构屏障导致可溶性化学需氧量（SCOD）释放缓慢，从而限制了VFA产量。因此，有效破坏污泥结构并促进有机物溶解是提高VFA产量的关键[19], [20], [21]。因此，人们开发了各种预处理技术，包括机械法（球磨、超声）、热法（高温水热）、化学法（酸/碱、氧化）和生物法（酶法）[22], [23]。基于自由基的高级氧化工艺（AOPs）因其强氧化能力而备受关注[24], [25], [26]。例如，过一硫酸盐（PMS）和过硫酸盐（PDS）可以通过热、碱或过渡金属活化，产生硫酸根自由基（SO?·?，氧化还原电位2.5-3.1 V）和羟基自由基（·OH，1.9-2.7 V）。这些自由基可以有效破坏EPS和细胞壁，将胞内有机物释放到液相中，从而显著提高后续VFA产量[27]。然而，传统活化方法（例如直接添加PMS或Fe2?/PMS）存在试剂消耗高、自由基利用效率低以及金属离子造成的二次污染等问题[28], [29]。电化学技术提供了一种替代方案，它可以在温和条件下通过阴极电子转移或阳极直接氧化原位活化PMS，无需外部金属催化剂，具有可控性、清洁性和易于集成等特点[30], [31], [32]。然而，大多数污泥预处理研究主要关注SCOD释放和VFA产量等技术指标，很少追踪碳、氮和磷的实际去向，或量化能源和化学输入的环保权衡[33]。因此，需要进行物料平衡分析以评估整体可持续性。基于物料平衡结果，需要进行生命周期评估（LCA）以识别环境热点（例如电力、PMS生产）和净节约（例如避免的碳源生产）。因此，物料平衡和LCA对于确定E-PMS是否在实践中真正可行并进一步应用是必不可少的。因此，本研究建立了一种电活化过一硫酸盐（E-PMS）协同预处理剩余活性污泥的方法。系统研究了厌氧发酵过程中VFA产量的增强效果，并通过淬灭实验、产物表征和高通量16S rRNA测序阐明了其内在机制。此外，通过物料平衡分析和LCA评估了资源回收效率和环境可持续性。研究结果将为污泥资源回收提供理论依据，并对电辅助氧化过程发酵的环境影响进行全面评估。**分节摘要****污泥来源与实验设计**剩余活性污泥取自无南第二污水处理厂（江苏大禹水务有限公司，中国常州）的二沉池。其初始总固体（TSS）浓度为25.87 g/L，挥发性固体（VSS）/总固体比率为54%，pH值为7.13。原料污泥的详细理化特性见附表S1（支持信息，正文S1）。实验系统包括电化学预处理和……**预处理性能与参数优化**E-PMS系统的原理图见图1a。如图1b所示，所有组别的TCOD均保持稳定（约17000-18000 mg/L），表明单独或联合预处理均未引起有机物的显著矿化。相比之下，E-PMS组的SCOD达到约6800 mg/L（图1c），分别比AD、PMS和Elec组高5.6倍、2.3倍和1.7倍。TP和NH??-N的释放也呈现相同趋势（图1d-e）。综上所述，这些结果证实……**结论**本研究证明，电活化过一硫酸盐（E-PMS）协同增强了剩余活性污泥的VFA产量。与单独使用PMS或电化学处理相比，E-PMS将SCOD从约1000提高到约6800 mg/L，并将SCOD/TCOD比从约7%提高到约40%。在最优条件下（0.25 g PMS/g TSS，1 A），VFA产量达到113 mg COD/g TSS，其中乙酸和丙酸占主导地位（超过58%）。一级动力学分析证实……**CRediT作者贡献声明****彭明国：** 写作——审阅与编辑，方法论。**滕杰：** 指导。**商文涛：** 调查。**江超：** 调查。**孟小山：** 调查，数据整理。**赵洋：** 数据整理。**陈志明：** 调查，数据整理。**李普：** 写作——原始草稿，调查，形式分析。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的相互冲突的财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。**致谢**本研究得到国家自然科学基金（52400150和52400069）、江苏省自然科学基金（BK20240984和BK20230645）、常州市领军创新人才引进和培养计划（CQ20240126）、常州市科技计划项目，包括应用基础研究计划（CJ20250051）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515110825）的资助。李普|陈志明|赵洋|孟小山|江超|商文涛|滕杰|彭明国