聚醚消泡剂在厌氧消化后污泥脱水过程中的被忽视的影响

《Water Research》：The Overlooked Impact of Polyether Defoamer on Sludge Dewatering After Anaerobic Digestion

　　

摘要

化学消泡剂被广泛用于降低厌氧消化（AD）系统中的泡沫产生，然而它们对下游污泥脱水性能的长期影响仍然是个未知的谜。本研究揭示了一种普遍使用的聚醚消泡剂（PD）会严重恶化AD污泥的脱水性能。当添加0.3%（体积比）的PD时，毛细吸力时间和结合水含量分别增加了63.9%和536.7%。为了解开这一现象，我们从液体相、固液界面和固体三维尺度等多个方面进行了综合分析。在液体相中，PD导致可溶性COD增加了414.3%，并且亲水性蛋白质的含量也增加了。分子动力学模拟表明，PD与这些蛋白质结合，形成了一个稳定的氢键网络，使水的扩散系数降低了20.0%。在固液界面，PD使污泥的相对疏水性从27.02%下降到5.86%，增强了静电排斥力，从而加剧了水分的滞留。在固体相中，流变学分析显示PD增强了污泥基质的表观粘度和结构网络强度，导致污泥形成了类似凝胶的形态。通过三维CT成像技术观察到，这种结构变化使得原本连通的排水通道被堵塞，有效孔隙率从3.21%降低到0.75%，毛细阻力呈指数级增加。因此，虽然消泡剂有助于维持上游AD过程的稳定性，但其积累却对后续的污泥减量处理造成了严重阻碍。这些发现呼吁优化消泡剂的添加策略，并开发新型的、更有利于脱水的消泡剂，以减轻污水处理厂的运行负担。

引言

厌氧活性污泥（WAS）是污水处理厂（WWTPs）普遍产生的副产品，其年产量现已超过1亿吨（Zheng et al. 2026），对全球生态系统构成了严重威胁。作为一种主要的可持续污泥稳定和能量回收技术，厌氧消化（AD）被广泛采用，因此产生了大量的厌氧消化污泥（You et al. 2024）。因此，AD污泥的脱水成为一个关键的操作任务，以降低处置成本，因为污泥处置通常占WWTP总运营成本的50%（Luo et al. 2026）。迄今为止，已经开发了许多改进的脱水技术，如高级氧化和新颖的化学处理方法（Li et al. 2021, Li et al. 2020a）。然而，这些技术在实际应用中的脱水效果存在显著差异。这种差异的根本原因在于AD污泥基质具有高度复杂和异质的物理化学成分（Liu et al. 2021）。

然而，AD污泥的组成不仅受内源生物物质的影响，还受到上游操作过程中添加的外源添加剂的影响（Wang et al. 2026, Wu et al. 2021）。在AD过程中，生物泡沫的生成常常成为影响反应器稳定性的重大操作问题。为了解决这个问题，实际上广泛且持续地使用了化学消泡剂（例如聚醚消泡剂）（Ye et al. 2025）。这些外源添加剂不可避免地会在消化器中积累，并最终残留在下游的AD污泥中，干扰污泥基质的物理化学平衡（Yang et al. 2022）。尽管消泡剂被普遍使用，但目前关于其在AD系统中应用的研究主要集中在它们的消泡效率和对抗生物气产量的影响上。例如，研究表明，在批次厌氧消化器中添加0.1%（体积比）和0.5%（体积比）的聚醚消泡剂，可以使甲烷产量分别减少18.4%和22.6%（Yang et al. 2023）。然而，消泡剂对后续污泥脱水的影响尚未得到充分研究。

为了有效消除生物泡沫，化学消泡剂依靠其界面活性降低表面张力，从而快速渗透并扩散到泡沫膜中（Yang et al. 2023）。有趣的是，在污泥脱水领域，降低表面张力的能力被认为是一种有益的特性（Hou et al. 2024）。例如，某些阳离子和生物表面活性剂被故意用作调理剂，因为它们可以有效地减少污泥絮凝网络内的毛细持力，破坏细胞外聚合物的内水化层，将紧密结合的水转化为自由水（Li et al. 2022）。鉴于消泡剂同样能降低表面张力并在界面处富集，一个引人关注的问题是，消泡剂的积累是否会对AD污泥产生有益的调理作用，或者它们的独特物理化学性质反而会引起不利影响。目前，这些特定外源添加剂（如消泡剂）与复杂污泥基质之间的微观界面相互作用机制，以及它们对污泥脱水性能的影响，仍然是一个未解之谜。

值得注意的是，本研究首次发现，添加聚醚消泡剂（PD，一种广泛使用的化学消泡剂）不仅不能改善，反而会恶化AD污泥的脱水性能。为了解释这一负面现象背后的原因，我们建立了一个全面的分析框架来阐明其背后的机制。通过毛细吸力时间（CST）、过滤比电阻（SRF）、污泥滤饼的含水量（WC_SC）和滤液体积等指标评估了脱水性能。随后，我们从三个不同维度揭示了微观界面反应：（1）液体相特性，跟踪了溶解有机物（DOM）的分布和组成变化以及PD与DOM之间的相互作用；（2）固体相特性，包括表征AD污泥的流变行为、凝胶状网络强度和内部孔隙连通性；（3）固液界面相互作用，包括对空间阻力、表面电荷和亲疏水性变化的评估。本研究提供了关于特定外源消泡剂与复杂内源污泥介质之间相互作用的见解，为平衡AD操作的稳定性和下游污泥管理提供了理论指导。

部分摘录

厌氧活性污泥和化学消泡剂

本研究中使用的原始WAS是从中国长沙的国镇污水处理厂（Guozhen WWTP）的二次沉淀池收集的。为了去除粗大杂质（如砂粒和颗粒物），原始污泥在运输到实验室之前立即通过2毫米×2毫米的筛网进行预筛选。随后，筛分后的污泥在重力作用下浓缩24小时，以便分离上清液（Fu et al. 2026）。厌氧消化前的浓缩WAS的主要物理化学特性如下

消泡剂PD对厌氧消化污泥脱水性能的影响

如图1a-b所示，添加PD显著提高了CST、SRF和WC_SC的值，同时减少了滤液体积。这种恶化现象呈现出明显的剂量依赖性，即PD浓度越高，CST、SRF和WC_SC的增加越明显，滤液体积的减少也越显著。例如，当PD剂量从0增加到0.05%时，CST、SRF和WC_SC分别从1633.5秒增加到

总体理解与意义

本研究首次发现，普遍使用的聚醚消泡剂PD会严重恶化而非改善AD污泥的脱水性能。这种恶化主要由液体相、固体相及其界面之间的三重协同机制控制。具体来说，PD在液体相中富集了亲水性生物大分子，增强了界面静电排斥力，并引发了污泥高度凝聚的凝胶状转变

结论

本研究系统地研究了聚醚消泡剂PD对AD污泥脱水性能的影响，并揭示了其跨尺度作用机制。主要发现如下：

• （1）PD的添加恶化了AD污泥的脱水性能。添加0.3%（体积比）的PD时，CST和结合水含量分别增加了63.9%和536.7%，同时滤饼的含水量也增加了。
• （2）PD导致亲水性生物大分子的大量释放。SCOD增加了414.3%

CRediT作者贡献声明

傅奇子：撰写——初稿，可视化，研究设计，资金获取，数据管理。王继勇：可视化，方法论，研究设计，数据管理。孙冰：可视化，软件开发，研究设计。刘旭然：撰写——审稿与编辑，方法论。肖芳：撰写——审稿与编辑，可视化，软件开发，方法论。王东波：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理。

傅奇子|王继勇|孙冰|刘旭然|肖芳|王东波

中南大学湘雅公共卫生学院，长沙，410078，中国