污泥基生物炭活化过一硫酸盐作为废物资源化预处理用于可持续膜污染控制：吸附-氧化协同作用与热力学洞察

《Journal of Cleaner Production》：Sludge-derived biochar-activated peroxymonosulfate as a waste-to-resource pretreatment for sustainable membrane fouling control: Adsorption-oxidation interplay and thermodynamic insights

　　

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  未改性 SBC 实现了污泥资源化利用和 PMS 驱动的膜污染控制。
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  SBC 固有的 Fe/Ca 物种和分级孔隙增强了吸附和 PMS 活化能力。
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  SBC/PMS 表现出受吸附 - 氧化平衡控制的非单调污染响应。
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  增加 SBC 用量将致密凝胶层转化为多孔絮体，使 SFR 降低了 86.6%。
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  热力学分析揭示了从粘附到排斥的转变以及水结合力的减弱。

引言

全球水资源短缺和质量恶化，因人口增长和快速工业化而加剧，亟需可持续的废水处理解决方案 (Suriya et al., 2026; Xu, 2025)。超滤（UF）提供了可靠的分离效果，具有紧凑的占地面积和简单的操作，使其成为关键单元操作 (Ma et al., 2024; Tang et al., 2025)。然而，其更广泛的部署仍受到膜污染的限制，膜污染会导致通量下降、能耗增加、化学清洗频率提高以及膜寿命缩短 (Liang et al., 2024; Shen et al., 2023)。为了克服这一瓶颈，已开发了混凝、吸附和氧化等预处理策略 (He et al., 2024; Wang et al., 2025)。然而，其应用常常受到高化学品需求、操作复杂性和潜在的膜损伤风险的阻碍 (Chen et al., 2025)。因此，开发能够同时减轻膜污染并实现废物资源化的预处理策略对于更清洁的基于膜的水回用来说是高度可取的。

基于过一硫酸盐（PMS）的高级氧化工艺（AOPs）已成为有前景的膜污染控制预处理，因为它们在相对温和的条件下提供强氧化性且几乎没有二次污染 (Chen, T. et al., 2025; Feng et al., 2025)。然而，其在膜污染控制中的有效性关键取决于用于活化 PMS 的催化剂 (Chen, P. et al., 2024; Ren et al., 2025)。虽然过渡金属催化剂和纳米材料显示出有前景的活性，但其应用仍受限于催化剂流失、高成本和潜在的环境风险。严重的金属流失会触发催化失活和二次出水污染，而使用高纯度试剂合成复杂的纳米材料造成了经济瓶颈，阻碍了工业部署 (Qian et al., 2023; Zhang et al., 2025)。从清洁生产角度看，用废物衍生材料替代工程催化剂可以减少材料投入并提高废物的资源价值。因此，开发成本低且环境友好的催化剂对于充分发挥基于 PMS 的预处理在膜污染控制中的潜力至关重要。

污泥衍生生物炭（SBC）作为一种有前景的替代催化剂，用于活化 PMS，引起了越来越多的关注 (Ma et al., 2024)。天然嵌入在污泥中的过渡金属在热解过程中被保留并纳入碳基质，避免了额外的加工步骤。这一固有特征赋予 SBC 双重功能，将吸附与催化 PMS 活化相结合，使其成为废物资源化膜污染控制的理想选择。先前的研究表明，生物炭/PMS 系统提供了足够的氧化强度，将大分子污染物分解成较小的片段 (Xu et al., 2024)。这些片段随后可以被生物炭捕获，这得益于其大的比表面积和丰富的表面官能团 (Chen et al., 2024)。这些协同效应表明，生物炭/PMS 系统在作为膜污染控制的多功能策略方面具有相当大的前景 (Zhang et al., 2025)。然而，一些研究也报道，在某些条件下，催化氧化可能会增强污染物的粘附性，而生物炭吸附可能会加剧孔堵塞，从而加剧膜污染并复杂化膜清洗 (Xie et al., 2026)。大多数以前的研究集中在商业生物炭系统上，并且大多停留在孤立的实验观察水平，导致对 SBC/PMS 预处理影响膜污染机制的理解不完整 (Zhao et al., 2025)。特别是，SBC 的固有表面性质和天然嵌入的 Fe/Ca 物种如何调节吸附、催化氧化、污染物重构以及膜 - 污染物相互作用仍不清楚。这一知识空白限制了 SBC/PMS 预处理作为废物资源化策略的理性设计，该策略旨在结合污泥资源化和可持续的膜污染控制。

在本研究中，主要目标是通过采用污泥衍生生物炭（SBC）作为过一硫酸盐（PMS）活化剂，实现膜污染减轻和污泥资源化的同步进行。选择藻酸钠作为代表性的有机污染物进行间歇污染实验，以评估 SBC/PMS 预处理过程在膜污染减轻中的作用并阐明其潜在机制。使用 X 射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱和扫描电子显微镜（SEM）表征了 SBC 和商业生物炭之间的物理化学差异。此外，建立了一个多尺度框架，将实验表征与 XDLVO 和弗洛里 - 哈金斯（Flory-Huggins）热力学分析相结合，以阐明吸附、催化氧化以及 Fe/Ca 介导的污染物重构如何共同控制膜污染的演变。这项工作贡献了一个新颖的多尺度评估框架，并为设计资源高效的 SBC/PMS 预处理系统提供了机制指导，该系统衔接了污泥资源化和膜污染控制过程。

章节摘要

样品制备

市政污泥采集自中国大连小沙河处理厂。原污泥水分含量约为 80%，在干重基础上包含碳（48.72%）、氢（36.37%）、氮（1.38%）和磷（1.89%），铁（7.95%）和钙（3.55%）为主要无机成分 (表 S1)。如图 1 所示，污泥在 105°C 下烘箱干燥，研磨，并在管式炉（TF55035，美国赛默飞世尔科技公司）中于连续 N₂ 流（10.0 mL min^?1）下热解。温度

不同 SBC/PMS 预处理条件下的膜污染

图 2(a) 说明了 SFR 对 SBC 和 CB 不同用量的响应。随着 SBC 用量从 0 增加到 0.1 g/L，SFR 最初上升，然后在 0.1 和 0.5 g/L 之间保持相对稳定（1.22 × 10¹⁵ 至 1.97 × 10¹⁵ m kg^?1）。相比之下，CB 在整个浓度范围内诱导 SFR 线性增加（4.57 × 10¹⁴ 至 1.89 × 10¹⁵ m kg^?1）。这一结果可归因于生物炭上丰富的吸附位点，这些位点促进了藻酸钠的聚集并导致

结论

本研究提出了一种“废物资源化”策略，通过采用未改性 SBC 来活化 PMS，以实现膜污染减轻。系统地调查了 SBC/PMS 预处理的性能和机制，主要发现总结如下：

• (i)
  与 CB/PMS 相比，SBC/PMS 表现出更优异的膜污染控制性能。这一优势归因于其分级孔隙结构、丰富的表面缺陷以及天然嵌入的 Fe²⁺/Fe³⁺ 和 Ca²⁺

CRediT 作者贡献声明

Mingjing Xie：撰写 - 原稿，形式分析，数据整理，概念构思。Biyan Wang：形式分析，数据整理。Jiaqi Liu：可视化，验证，数据整理。Xiao Xu：调查研究，经费获取，数据整理。Hanmin Zhang：指导，调查研究。Meijia Zhang：调查研究，数据整理。Xiang Cai：软件，方法论。Leihong Zhao：项目管理，方法论。Bisheng Li：验证，概念构思。Liguo Shen：方法论，

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 (编号：52400061)，浙江省自然科学基金 (编号：LQ24E080017)，浙江省重点研发计划 (编号：2026C02A1013，2026C02A1003 和 2024C03124)，以及 浙江省生态环境科技计划 (编号：2026HJB1001) 的支持。

Mingjing Xie|Biyan Wang|Jiaqi Liu|Xiao Xu|Hanmin Zhang|Meijia Zhang|Xiang Cai|Leihong Zhao|Bisheng Li|Liguo Shen|Jiaheng Teng|Hongjun Lin