《Journal of Water Process Engineering》：Simultaneous oxidation-coagulation effects of Fe(II)-activated PDS for enhanced deep dewatering of food waste digestate
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本研究通过Fe(II)-activated PDS氧化-凝聚协同作用提升食品废料厌氧消化产物（FWD）深度脱水性能，最佳条件下毛细管吸水时间（nCST）降低95.3%至1.2 s·L/g TS，饼状水含量（WC）减少37.3%至59.3%，同时实现98.4%总磷（T-P）和95.1%正磷酸盐（PO?-P）去除。Fe(II)活化PDS通过硫酸根自由基氧化溶解有机物（DOM）及胞外聚合物（EPS），并生成Fe(III)参与凝聚，形成200-500 nm纳米颗粒和100-1400 μm絮凝体，显著改善脱水性能。
Sujin Lee|Junghyeon Kim|Sanggyun Kim|Yeojin Kim|Imgyu Byun
韩国釜山国立大学土木与环境工程学院，釜山镇Busandaehak-ro 63beon-gil 2号，46241
摘要
本研究评估了Fe(II)激活的过硫酸盐（PDS）的双重功能，即同时实现氧化和混凝作用，以提升食品废弃物消化物（FWD）的深度脱水效果。来自全规模厌氧消化器的FWD首先使用Fe(II)/PDS进行处理，随后通过实验室规模的压滤机进行脱水。系统地研究了Fe(II)剂量对有机物转化、胞外聚合物物质（EPS）、电化学性质及脱水性能的影响。在最佳条件下（PDS：2 mmol/g TS；Fe(II)：3 mmol/g TS），标准化毛细吸力时间（nCST）和滤饼含水量（WC）分别降至1.2 s·L/g TS和59.3%，相比原始FWD分别减少了95.3%和37.3%。Fe(II)激活的PDS将溶解态有机物转化为颗粒形式，表现为SCOD和TDS的降低以及TSS的增加，并促进了纳米颗粒（200–500 nm）的形成和絮体尺寸从100–1400 μm的增长。EPS分析显示富含蛋白质的紧密结合型EPS（TB-EPS）显著降解，其与CST和WC的相关性最强。Zeta电位从?26.7 mV增加到约?6 mV，表明电荷得到了有效中和并重新形成了絮体。自由基清除实验表明硫酸根自由基是主要的氧化剂，而生成的Fe(III)则促进了混凝过程。此外，Fe(II)/PDS实现了显著的磷去除效果（T-P：98.4%；PO?-P：95.1%）。总体而言，这些结果表明Fe(II)激活的PDS提供了一种实用的氧化-混凝处理策略，能够有效实现FWD的深度脱水及营养物质去除。
引言
全球范围内，人们越来越倾向于将有机废弃物视为可再生资源而不仅仅是可丢弃的材料。欧盟通过《废物框架指令》和《循环经济行动计划》战略性地推动了有机废弃物（包括食品废弃物）的转化和厌氧消化[1]。同样，美国环境保护署（EPA）在其《食品回收层次结构》中推荐了以能源回收为导向的消化过程并优化了副产品管理[2]。顺应这些国际倡议，韩国在2023年颁布了《促进沼气生产和利用法》，为有机废弃物的综合管理和能源回收奠定了基础[3]。因此，各国正努力将现有的污水处理厂改造为能够共同处理多种有机废弃物（包括食品废弃物、污泥和畜禽粪便）的综合性沼气设施。然而，厌氧消化产生的消化物仍主要通过焚烧或地方政府外包处理。随着综合性沼气设施的扩展，相关的处理负担预计将大幅增加，这凸显了先进脱水技术的迫切需求。在综合性沼气设施中，污泥脱水已成为系统层面的瓶颈，因为其性能直接影响下游处理能力、能源消耗和最终处置成本。此外，污泥的沉降性和脱水性不再仅受污泥调理过程的影响，还受到上游水处理过程及细小有机化合物和胶体物质积累的显著影响[4]。
在各种有机废弃物中，食品废弃物因其高有机含量和可生物降解性而被认为是生产沼气的理想原料[5]。然而，食品废弃物消化物中含有高浓度的溶解态有机物（DOM）和胞外聚合物物质（EPS）[6][7]。这些带负电荷的亲水性胶体会严重阻碍污泥的絮凝和脱水[8][9]。最新研究表明，EPS中的亲水功能团（尤其是多糖和蛋白质）会强烈吸附水分，从而对机械脱水造成内在限制[10]。因此，传统的压滤或离心方法通常需要过量的混凝剂，但仍无法充分去除水分。尽管具有这些特性，大多数现有的脱水研究仍将食品废弃物消化物视为普通活性污泥或传统厌氧消化物进行处理，而没有明确检验现有的调理机制是否适用于这种特定基质。
为克服传统机械脱水的固有局限性，先进氧化工艺（AOPs）作为一种有前景的技术应运而生，它们能够降解DOM和EPS，从而改善污泥的过滤性能。在各种氧化剂中，过硫酸盐（PDS）因其在过渡金属催化剂作用下能生成高活性硫酸根自由基（SO??）而受到特别关注，这种自由基具有很强的氧化能力[11][12]。基于过硫酸盐的AOPs还具有广泛的pH适用范围、高化学稳定性和较低的副产物生成量，适用于大规模污泥处理[13]。许多研究探讨了基于氧化的调理策略来提高污泥的脱水性能，尤其是针对活性污泥和传统厌氧消化物系统。在这些系统中，Fe(II)激活的过硫酸盐氧化已被证明可以通过氧化EPS、中和电荷和重构絮体来提高脱水性能[14][15]。对于食品废弃物衍生的基质，基于氧化的调理方法的研究尚有限。先前的研究已将基于过硫酸盐的氧化策略（包括热激活系统和生物炭辅助方法）应用于食品废弃物消化物。然而，这些研究主要评估了工艺的可行性和适用性，通常以毛细吸力时间（CST）的减少或有机物的转化作为评价指标，而没有深入探讨其深度脱水行为或EPS转化的机制[16][17][18][19][20]。因此，目前尚不清楚基于氧化的调理策略是否能够有效克服食品废弃物消化物的显著脱水阻力，这种阻力源于其高亲水性和较高的DOM/EPS含量，以及其背后的作用机制。此外，Fe(II)激活的PDS系统不仅生成硫酸根自由基，还可能产生高价铁中间体，从而提供额外的非自由基氧化途径并增强处理效果[21]。具体来说，Fe(II)/PDS过程除了氧化作用外还具有双重优势：反应过程中产生的Fe3?离子也可以作为混凝剂[22]。如方程式(S?O?? + Fe2? → Fe3? + SO?? + SO?2?)所示，Fe3?随后水解形成氢氧化铁沉淀物，这些沉淀物会吸附在污泥表面，使胶体重新絮凝成更密集的聚集体[23]。这大大提高了机械脱水过程中的水分释放效率，多项研究表明，AOP处理过程中污泥脱水性能的改善在很大程度上得益于这种混凝效应[24]。然而，大多数现有研究分别考察了氧化和混凝作用，对其协同效应的实验研究仍然有限。特别是对于那些具有高水分保持能力和较差脱水性的消化物，实现深度脱水仍然是一个关键挑战。本研究旨在通过利用Fe(II)在Fe(II)/PDS氧化过程中同时作为氧化剂激活剂和混凝剂的双重功能，结合压滤机机械脱水，实现食品废弃物消化物的深度脱水。具体而言，系统评估了不同Fe(II)和氧化剂剂量对氧化和混凝作用的贡献。基于这些发现，我们提出了一种实用的脱水策略，以解决现有技术的局限性。
部分内容片段
污泥样品
食品废弃物消化物（FWD）样品来自韩国大邱市的‘S’污水处理厂（WWTP）。这些样品是由食品废弃物产生的中温厌氧消化物。本研究中使用的样品特性总结在表1中。样品未经任何实验室规模的预浓缩或脱水处理，直接用于评估系统在真实高固体条件下的稳定性和实际效率。
污泥基质和表面性质的转变
Fe(II)/PDS调理过程改变了食品废弃物消化物（FWD）基质的有机分布和表面性质。本节评估了Fe(II)激活的过硫酸盐氧化对FWD中有机物转化的影响。图1(a)显示了随着Fe(II)剂量增加，可溶性化学需氧量（SCOD）和总化学需氧量（TCOD）的变化情况。随着Fe(II)剂量的增加，TCOD总体呈上升趋势，而SCOD则下降。
结论
本研究表明，当PDS氧化与压滤机脱水结合使用时，显著提升了FWD的深度脱水效果。在最佳条件下，nCST和滤饼含水量分别减少了95.3%和37.3%。然而，需要确定适当的Fe(II)剂量范围以避免脱水性能下降。总体而言，Fe(II)激活的过硫酸盐处理是一种兼具氧化和混凝功能的脱水策略。
CRediT作者贡献声明
Sujin Lee：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、方法学设计、实验设计、数据分析、概念构建。Junghyeon Kim：撰写 – 审稿与编辑、概念构建。Sanggyun Kim：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。Yeojin Kim：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。Imgyu Byun：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国环境产业技术研究院（KEITI）通过“将非常规废弃物生物质转化为能源的示范技术开发”项目的支持，该项目由韩国环境部（MOE）资助（编号：2022003480001）。
