由Fe、Al和Ca基调节剂引起的污泥干燥行为差异与生物聚合物中疏水基团的暴露程度不同有关

《Water Research》：Contrasting sludge drying behavior induced by Fe, Al, and Ca-based conditioners correlates with differential hydrophobic-group exposure in biopolymers

　　

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  金属残留物通过改变生物聚合物的功能基团来影响污泥的干燥过程。
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  铁的存在减少了C=O/O–C=O键的暴露，从而加速了污泥的干燥。
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  氧化钙（CaO）保留了含氧基团，增强了蛋白质凝胶的保水性。
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  蛋白质的吸水位点控制着调理剂在污泥中的水分迁移。

引言

随着城市化进程的加快，污水处理厂产生的污泥量持续增加，这给污泥的安全处置和资源化利用带来了挑战（Cai等人，2018；Christensen等人，2015；Wang等人，2026b）。污泥是生物废水处理的主要副产品，主要由浓缩的微生物细胞、有机物、无机矿物和胞外聚合物（EPS）组成，具有高含水量、复杂成分和较差脱水性的特点（Deng等人，2011；Tuan等人，2012）。EPS在维持污泥絮凝结构和调节保水性能方面起着关键作用。它可以形成稳定的凝胶状网络，将水分困在污泥絮凝体内，从而限制结合水和间隙水的释放，增加污泥脱水的难度（He等人，2024b；Zhang等人，2024）。随着污泥产量的迅速增加，传统的处置方法（如土地施用、焚烧、厌氧消化、堆肥和热转化）面临着提高效率、环境安全性和资源回收的需求（Awasthi等人，2023；Wang等人，2026a；Wu等人，2020）。因此，有效的污泥调理、脱水和干燥成为必要的预处理步骤，以减少污泥体积、提高处理性能，并便于后续的处置或资源化利用（Ding等人，2026；Yuan等人，2011）。

污泥干燥是减少污泥量和实现资源化利用过程中的关键步骤，其干燥行为受到水分分布、质量传递过程以及有机组分结构变化的影响（Yu等人，2008）。近年来，人们越来越关注污泥有机物在热干燥过程中的转化及其对水分迁移行为的调控。由于EPS和其他生物聚合物成分具有较强的吸水能力，它们的热诱导降解、重新排列和功能基团转化会改变污泥内的水分结合状态，从而影响干燥效率和水分释放特性（Ai等人，2024；He等人，2024b）。例如，Peng等人（2021）的研究表明，干燥温度的变化会改变EPS的组成和结构特性，进而影响污泥的宏观物理性质。我们之前的研究进一步揭示了干燥温度调控污泥生物聚合物分子转化途径的作用。重要的是，提高干燥温度并不一定能够改善干燥效果，因为过高的温度可能引发美拉德反应等反应，导致生物聚合物结构改变，从而影响水分蒸发行为（Ai等人，2024）。然而，目前关于污泥干燥过程中有机物演变的研究主要集中在热过程的影响上，而上游化学调理过程中引入的金属种类（Wang等人，2026a）及其在污泥基质中的残留对后续干燥行为的影响却较少被关注。残留金属如何调控污泥有机组分的结构演变，以及这些分子层面的改变如何进一步影响水分结合特性和热干燥性能的机制仍不清楚。因此，阐明残留金属介导的污泥生物聚合物转化机制及其对干燥行为的影响，对于深入理解化学调理与污泥干燥过程之间的相互作用以及开发更高效的污泥处理策略至关重要。

近年来，傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）作为一种强大的分子层面的分析工具，被用于阐明各种处理过程中污泥有机物的复杂分子组成和转化途径。由于其超高的质量分辨率和出色的质量精度，FT-ICR MS能够准确识别复杂环境基质中的数千种分子，提供有关分子组成、杂原子特性和有机物质结构演变的详细信息（Fu等人，2022；Gonsior等人，2014）。通过将分子分类方法与Van Krevelen图等图形分析相结合（Kim等人，2003），FT-ICR MS可以进一步表征不同化合物类别（如蛋白质类、碳水化合物类、脂质类和木质素类物质）的转化行为。因此，该技术已被广泛应用于研究污泥热解（Du等人，2022）、堆肥（Zhang等人，2022）、好氧消化（Wang等人，2025）和水热转化（Usman等人，2019）过程中的有机物演变。例如，FT-ICR MS结合分子反应网络分析揭示了污泥堆肥过程中溶解有机物从脂肪族/蛋白质类化合物向木质素类化合物和富含羧基的环状分子的转化，为腐殖化途径提供了分子层面的证据（Cai等人，2022）。此外，FT-ICR MS与多组学方法的结合还揭示了特定微生物群落对有机物转化的贡献（Wang等人，2021）。

为了解决上述知识空白，本研究旨在结合基于FT-ICR MS的分子表征和宏观干燥行为分析，研究残留钙（Ca）、铝（Al）和铁（Fe）对污泥干燥行为的影响机制。同时，利用FT-ICR MS阐明了在不同残留金属物种影响下污泥有机物的分子组成特性和转化途径，揭示了金属介导的生物聚合物转化与污泥干燥行为之间的分子相关性。本研究的具体目标是：i）研究在不同金属（Fe、Al、Ca）基化学调理过程中污泥固体和生物聚合物的空间分布特性；ii）研究不同金属（Fe、Al、Ca）基化学调理过程中污泥中生物聚合物的转化途径；iii）评估残留金属与污泥生物聚合物之间的相互作用及其对水分蒸发效率和污泥干燥行为的影响。这些发现可以为污泥调理和热干燥过程的优化和改进提供理论基础和科学指导。

部分摘要

材料与化学品

污泥样本来自中国北京的某市政污水处理厂（WWTP），储存在4°C条件下；使用含铁（Fe）、钙（Ca）和铝（Al）的调理剂对污泥进行预处理，并用于评估这些金属对污泥干燥行为的影响。污泥样本的详细信息见支持信息（SI）中的表S1。本研究中使用的所有化学品均为...

不同调理剂对污泥水分蒸发速率、生物聚合物组成和分布的影响

通过批次实验比较了用CaO、FeCl₃和PAC调理剂处理前后污泥的水分蒸发和干燥行为。我们之前的研究表明，最佳的干燥条件为80°C至150°C（Ai等人，2024），其中120°C效果最佳，选择该温度来研究金属掺杂调理剂对污泥干燥行为的影响。如图1(A)所示，...

结论

总之，通过多光谱分析和FT-ICR MS明确了传统调理剂中的金属残留物（Fe、Al、Ca）在调理和后续干燥过程中对生物聚合物分子转化的影响机制。结果表明，调理剂中产生的金属物种通过改变生物聚合物的结构特征、水合作用行为和分子演化途径来影响污泥干燥。

未引用参考文献

He等人，2024a；Wang等人，2026a；Wang等人，2026b

CRediT作者贡献声明

Peng Yang：正式分析、概念构思。Bairun Song：撰写初稿、数据管理。Wencan Cao：数据可视化。Ziwei Zhang：方法论、实验研究。Hang He：实验研究。Lanfeng Li：指导、概念构思。Hao Zhou：验证、指导。Chao Zhang：实验研究。Jing Ai：撰写、审稿与编辑、资金争取。Qilin Wang：指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的利益冲突或个人关系。

5. 致谢

本项目得到了中国国家自然科学基金（项目编号52300177）、湖北省技术创新计划项目（项目编号2024BCA006）和广西重点研发计划（AB24999030）的财务支持。王启林教授还获得了澳大利亚研究委员会的未来奖学金（FT200100264）。

Peng Yang|Bairun Song|Wencan Cao|Ziwei Zhang|Hang He|Lanfeng Li|Hao Zhou|Chao Zhang|Jing Ai|Qilin Wang