《Environmental Research》：Reconstructing sludge microstructure for deep dewatering: A critical review of mechanisms and prospects of skeleton construction technology
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污泥深度脱水中的骨架构建技术综述。SCT通过引入刚性材料优化污泥结构，减少压缩性并提高渗透性。本文系统分析了SCT的物理支撑机制与孔隙重构原理，对比了有机无机骨架剂性能，探讨了SCT与絮凝、电脱水等技术的协同效应，并评估其在资源回收与可持续发展中的应用潜力。未来需结合机器学习优化与生命周期评估框架深化研究。
Binqi Rao|Yiqi Zhang|Haoke Zhang|Fudong Gong|Yin Duan|Hao Xu|Fang Zhou|Yulong Wu
中国吉利大学机电工程学院，杭州，310018，中国
摘要
快速的城市化进程导致污泥产量急剧增加，而污泥的高含水量和有害物质进一步增加了处理难度，从而提高了运营成本。由于污泥具有可压缩性和亲水性，传统的机械压滤机在运行过程中容易发生孔隙堵塞，导致脱水效果不佳。骨架构建技术（SCT）作为一种有前景的解决方案应运而生，该技术通过引入刚性材料优化污泥饼的结构，降低其可压缩性并提高渗透性。本文综述了SCT在污泥深度脱水方面的最新进展，分析了SCT所实现的物理支撑和孔隙重构机制，并对比评估了有机和无机骨架构建剂在脱水效果、成本和环境影响方面的优劣。此外，还探讨了将SCT与絮凝、电脱水等技术结合使用的复合脱水方法。同时，系统评估了SCT在污泥处理和处置中的潜在应用前景，并创新性地提出了未来的研究方向，包括利用机器学习进行优化以及建立生命周期评估框架。本文旨在为高效可持续的污泥处理技术的发展提供重要的分析和实践指导。
引言
随着污水处理设施的广泛普及和城市化进程的加速，污泥的产生量持续增加。2024年，中国各市政污水处理厂共产生了8000万吨污泥（含水量为80%），预计到2025年这一数字将超过9000万吨（Zhang等人，2023a）。污泥中含有多种有毒和持久性污染物，如重金属、多环芳烃和多氯联苯，对环境构成严重威胁（Jin等人，2025）。此外，污泥的含水量（MC）通常在80%到99.5%之间，这不仅增加了运输和处置成本，还降低了污泥资源回收的效率。因此，污泥脱水是污泥管理中的关键环节。然而，实现深度脱水仍然是一个长期存在的挑战，因为大量结合水和界面水被困在复杂的污泥絮体结构中。深度脱水过程受到微观结构演变和界面水释放的共同影响，理解这两者之间的相互作用对于提高脱水效率至关重要。
鉴于污泥的胶体结构和高持水能力，直接脱水往往效果不佳。因此，通常会采用调理作为预处理手段来改变污泥特性，从而改善后续的脱水效果。许多综述文章总结了调理方法的进展，这些方法主要分为物理、化学和生物三类（Lin等人，2022b；Wei等人，2018；Yang等人，2015）。这些研究详细介绍了高级氧化、絮凝、超声波处理和生物浸出等技术在破坏污泥结构和提高脱水性能方面的应用机制和效果。表1总结了这三种技术的优势和局限性。然而，大多数传统方法主要通过能量或化学手段来提高脱水效果，但往往忽略了诸如絮体可压缩性和结合水分布等内在结构因素，这些因素决定了最终的脱水程度。
近年来，骨架构建技术（SCT）作为一种创新的调理技术脱颖而出，显示出显著的经济可行性和资源回收潜力（Wójcik和Stachowicz，2019；Zhang等人，2023c；Zhou等人，2023a）。因此，SCT引起了学术界和工业界的广泛关注，相关出版物数量逐年增加（见图1）。这种兴趣的增长表明，研究重点正从单纯的化学或物理改良转向以结构为导向的脱水策略，凸显了对SCT机理理解的必要性。
尽管已有研究探讨了SCT的原理和应用，但全面且基于机理的综述仍然较少。在现有的研究中，Bao等人（2024）的综述提供了重要参考，总结了不同骨架构建剂的类型、调理机制及其对污泥处置的影响。本文在此基础上进一步扩展了研究视角，重点关注微观结构和界面机理、实际应用性以及与机器学习（ML）和生命周期评估（LCA）等跨学科分析框架的系统性整合。
本文提出了一个理论框架，将SCT研究中的微观结构控制、智能优化和可持续性评估联系起来。本文综述了最新进展，特别强调了孔隙尺度现象、骨架构建剂之间的相互作用及其对大规模处理效果的影响，并讨论了机器学习在过程预测中的应用以及生命周期评估在环境影响评估中的作用。通过这种综合方法，将机理理解与实际应用相结合，促进了污泥脱水技术的可持续和高效发展。
污泥成分分布及限制脱水性的关键因素
要实现深度脱水，需要克服多种内在的微观结构和物理化学障碍。SCT通过向污泥基质中引入刚性框架来稳定其结构、保持排水通道并降低可压缩性。限制污泥脱水性的关键因素包括：（i）由细胞外聚合物（EPS）形成的凝胶状、高持水性的基质；（ii）水分的分布和结合状态；以及（iii）...
骨架构建技术在污泥脱水中的作用机制
传统的污泥调理方法主要依靠絮凝和细胞破坏来实现。然而，这些过程往往会损害污泥絮体的机械完整性，降低孔隙率并阻塞排水通道（Yang等人，2023b）。相比之下，SCT通过在污泥基质中嵌入刚性、不可压缩的颗粒来增强结构稳定性，并在压缩过程中保持孔隙开放，从而提高水分传输效率（Qi等人，2011）。
骨架构建技术在污泥处理和处置中的影响
SCT不仅影响污泥的脱水效果，还影响后续的处理和处置过程。通过重构污泥结构并改变其物理化学性质，SCT提高了污泥的强度、稳定性和能源回收潜力，从而提升了整体处理效率和可持续性。以下部分将讨论SCT在各种污泥处理和处置途径中的作用。如图10所示，展示了不同的污泥处理和处置方法。
机器学习
机器学习（ML）使计算机能够自动从数据中提取模式并进行预测，而无需显式编程（An等人，2023）。在污泥处理领域，ML在模拟过程变量之间的非线性和高维相互作用方面表现出色，为过程预测和优化提供了有力工具。例如，极端梯度提升和随机森林等先进算法已被成功应用于可溶性有机物和营养物质的预测。
总结
污泥的高含水量主要是由于其致密的EPS结构，以及高可压缩性和亲水性。污泥调理应着重于重构微观结构和改变水分结合状态。作为一种有前景的调理技术，SCT能够增强污泥饼的硬度和孔隙连通性，最终降低污泥的压缩阻力，实现高效脱水。将SCT与物理和化学方法结合使用...
作者贡献声明
Binqi Rao：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金争取、概念构思。Yiqi Zhang：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据分析。Haoke Zhang：初稿撰写、数据分析。Fudong Gong：资源协调。Yin Duan：审稿与编辑、监督工作。Hao Xu：资源协调。Fang Zhou：监督工作。Yulong Wu：资源协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢浙江省自然科学基金（LZ23E080001、LZ24E060002）、国家自然科学基金（项目编号22378228、52376079）、浙江省重点研发计划（2024C03138）以及金华市重大科研项目（2022-1-014、2023-1-002）的财政支持。
