冷冻时间对填埋污泥通过真空预压处理效果的影响：EPS（膨胀聚苯乙烯）对污泥脱水性能、固结作用及微观结构演变的影响

《Journal of Environmental Management》：Freezing-duration effects on landfilled sludge conditioning via vacuum preloading: EPS-mediated dewaterability, consolidation, and microstructural evolution

土地填埋污泥冷冻耦合真空预压工艺中，延长冷冻持续时间可显著降低污泥过滤阻力（57%）和毛细吸水时间（72.8%），促进胞外聚合物（EPS）解体，特别是松散结合EPS（LB-EPS）和溶解性EPS（S-EPS），从而提升脱水性能。冷冻还优化了污泥孔隙结构（大孔和介孔占比增加），降低孔隙率并提高压缩指数，同时增强真空固结系数和渗透性1-2个数量级，实现54.9%的体积减缩和含水率从86%降至57.3%。研究揭示了EPS含量与污泥压缩性、固结特性及微观结构的强相关性，为延长冷冻时间提供理论依据。

　　

杨旭|吴亚军|彭晔|张长松|张旭东

中国江苏省南京市东南大学交通学院低碳与可持续岩土工程江苏省重点实验室，邮编211189

摘要

全球范围内填埋污泥积聚量巨大，因此需要有效的脱水处理和减容措施。冻结结合真空预压是一种已被证明的原位处理技术。以往的研究主要集中在冻结温度上，而对冻结时间的作用关注较少。本研究探讨了冻结时间和细胞外聚合物物质（EPS）的变化如何调节污泥的力学性能、真空固结行为以及微观结构变化。研究结果表明：(i) 过滤比阻（SRF）和毛细吸力时间（CST）随冻结时间的延长而显著降低——96小时后，SRF和CST分别减少了57%和72.8%；(ii) 更长的冻结时间增强了EPS的破坏效果，尤其是在松散结合的EPS（LB-EPS）和可溶性EPS（S-EPS）中，这与改善的脱水性能相关；(iii) 冻结降低了孔隙比，并使压缩指数提高了1-2个数量级，同时提高了固结系数和渗透性；(iv) 96小时后的累计排水量是原始污泥的6.6倍，是0小时时的2.4倍，实现了54.9%的体积减少和水分含量从86%降至57.3%；(v) 延长的冻结时间增加了颗粒的整体尺寸以及大孔和中孔的数量，使得污泥结构更加致密和均匀；(vi) 总EPS含量与压缩性、固结性能、真空脱水特性及微观结构变化之间存在强线性相关，EPS的破坏显著影响了污泥的工程性能。总体而言，延长冻结时间显著提升了污泥的力学性能和固结-脱水性能，为填埋污泥的高效环保原位管理提供了重要指导。

引言

随着全球工业化和城市化的持续发展，污泥的产生量显著增加（Cao等人，2021年）。污泥含有高水分和有机物质，其中包含病原体、有机污染物和重金属，如果处理不当，将带来严重的环境风险（Wu等人，2020a）。在污泥处置方法中，卫生填埋由于操作简单、成本低和处理能力大，历史上一直是全球主要的选择（Zhao等人，2020年）。例如，2007年美国约有30%的污泥被填埋（Seiple等人，2017年），而欧洲的填埋比例约为15%（Kacprzak等人，2017年）。相比之下，中国早期的做法更侧重于污水处理而非污泥管理（“重水处理，轻污泥管理”），导致填埋比例高达65%（Lin等人，2014年）。目前，上海、杭州和深圳等城市的填埋场已严重饱和（Zhang等人，2020年），引发了土地占用、重金属渗漏、渗滤液污染和边坡不稳定等环境与岩土工程问题（Xu等人，2023a）。

为了减轻这些风险并促进后续资源利用，针对填埋污泥（LS）的原位深度脱水和减容策略——将水分含量从约80%降至60%以下——已成为一种经济可行的解决方案（Wu等人，2019年，2022年；Zhao等人，2020年）。与异地处理的潜在二次污染风险相比，结合化学调理和真空预压的原位方法具有更高的工程可行性和环境优势（Zhan等人，2014年；Lin等人，2025年；Zhang等人，2020年）。该方法能有效降低污泥的水分含量并改善其力学性能；然而，它受到高试剂用量、施工复杂性和残留氯化物及铁盐的影响，从而限制了后续的资源利用（Man等人，2026年；Xu等人，2023b；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2025年）。

冻结结合真空预压已被证明是一种高效且环保的填埋污泥原位处理方法（Lin等人，2025年；Wu等人，2020b；Zhang等人，2024年）。冻结过程不仅释放了污泥中的结合水，还促进了颗粒聚集，增加了颗粒尺寸，并提高了渗透性和力学强度（Xu等人，2021年），同时避免了与残留化学物质相关的环境风险和资源回收挑战（Wu等人，2022年）。Wu等人（2020b）证明，与传统FeCl₃调理方法相比，冻结结合真空预压可将污泥的水分含量从73.4%降至53.7%，实现了57.1%的减容比，优于传统化学方法。Wu等人（2022年）发现适当的冻结温度显著改善了污泥的脱水性能和固结行为。Xu等人（2021年）研究了冻处理污泥的固结性能和微观结构，阐明了真空固结的机制，并评估了在不同真空预压条件下的处理效果（Xu等人，2023a，2023b）。

以往的研究主要集中在冻结温度的影响上，而对冻结时间这一关键变量的系统研究仍较少。冻结温度和时间是影响污泥脱水性能的两个主要因素（Hu等人，2011年）。冻结温度主要控制污泥的脱水性能；在最佳温度下，冰晶以柱状形态生长，有助于有效压实、颗粒聚集和污泥脱水（Tao等人，2006年；Wu等人，2022年）。相比之下，冻结时间决定了污泥未冻结区域的脱水程度，促进了有机物的释放，从而提高了脱水性能（Hu等人，2011年；Jean等人，2000年；Parker和Collins，1999年；Vesilind和Martel，1990年）。然而，冻结时间对污泥力学性能、真空固结和脱水特性的影响，以及微观结构演变背后的机制仍需进一步探索。

污泥中的细胞外聚合物物质（EPS）是脱水性能的关键决定因素（Liu等人，2021年；Peng等人，2021年；Wang等人，2025年；Zhang等人，2024年）。EPS通常分为可溶性（S-EPS）、松散结合（LB-EPS）和紧密结合（TB-EPS）三种类型，它们是污泥絮体的关键组成部分；其空间分布对脱水性能有显著影响。EPS的主要化学成分是蛋白质（PN）和多糖（PS），占总含量的80%以上（Flemming和Wingender，2001年），它们强烈影响污泥的物理化学性质和脱水性能（Basuvaraj等人，2015年）。然而，冻结时间对EPS结构以及PN和PS释放模式的影响尚未得到充分研究。此外，以往的研究主要集中在EPS如何影响污泥脱水性能上，而忽略了其在压缩固结行为和真空排水中的作用；EPS调节污泥力学行为、真空固结和微观结构演变的协同机制尚未被报道。系统地研究EPS指标、脱水性能、压缩固结行为和不同冻结时间下的真空脱水，将有助于阐明冻结时间如何控制污泥的脱水和固结过程，从而为深度脱水的工程实践提供宝贵指导。

本研究采用毛细吸力时间（CST）测试、真空过滤、EPS提取与表征、压缩固结试验、一维真空排水-固结模型和微观结构分析，探讨了冻结时间如何影响填埋污泥（LS）的脱水性能、EPS变化、压缩固结行为、真空排水-固结响应和微观结构变化。它阐明了延长冻结时间促进LS深度脱水的机制，并建立了EPS指标与LS力学性能、真空排水-固结行为和微观结构演变之间的定量关联。这些发现为冻结结合真空预压在LS处理中的原位应用提供了理论基础和技术指导。

实验部分

污泥样品

实验所用污泥来自中国上海的白龙港污泥填埋场（图S1a）。自2008年以来，上海多家污水处理厂的污泥（初始含水量约为80%）被回填到污泥坑中，并用高强度PVC土工膜或普通土壤覆盖，至今填埋时间约为17年（图S1b–c）。填埋面积约为324亩（约21.6公顷），总污泥质量约为120万吨

污泥脱水性能

根据CST曲线，该污泥的CST为1941秒，远高于典型污泥（图1）；这归因于长时间厌氧消化过程中形成的细小絮体，这些絮体阻碍了自由水通过CST滤纸（Zhao等人，2020年）。在-9°C下冻结并保持0小时后，CST降至320秒。随着冻结时间的延长，CST进一步降低，96小时时降至87秒，相比0小时减少了72.8%

冻结时间对LS脱水性能的影响

如图6所示，当污泥在较高温度下冻结时，自由水首先冻结。生长的冰晶会刺破EPS，部分破坏絮体结构并释放PN和PS（Gao，2011年；Jean等人，1999年）。在冻结初期，一些水分子尚未结晶，导致冰基质内仍存在未冻结区域。因此，大量絮体结构保持完整，EPS未完全破坏，细胞内

结论

• 1.
  延长冻结时间显著提高了污泥的脱水性能，性能参数（SRF和CST）在96小时时趋于稳定。这种改善（SRF减少约57%，CST减少约73%）主要是由污泥絮体的破裂和EPS的释放引起的。
• 2.
  长时间的冻结改变了

作者贡献声明

杨旭：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法学研究，数据分析。吴亚军：撰写——审稿与编辑，监督，方法学研究，资金获取。彭晔：撰写——审稿与编辑，方法学研究，数据管理。张长松：撰写——审稿与编辑，监督，资源协调，资金获取。张旭东：撰写——审稿与编辑，监督，研究设计，资金获取，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：42272320）、国家自然科学基金（项目编号：42207168）、上海2022年科技创新行动计划国际科技合作项目（22230730900）以及东南大学博士生创新能力提升计划（CXJH_SEU 24174）的支持。