电化学氯化副产物（ECBPs）：废活性污泥电化学处理过程中的潜在盲点

《Journal of Hazardous Materials》：Electrochemical Chlorination Byproducts (ECBPs): A Potential Blind Spot in Electrochemical Treatment of Waste Activated Sludge

　　

钱定康|朱倩|袁梦娇|徐子明|张金文|李娜|彭明|曹立琼|龚建宇|胡静萍|侯慧洁|杨家宽|布鲁斯·E·洛根

中国华中科技大学环境科学与工程学院长江流域多媒体污染协同控制重点实验室，中国湖北省武汉市珞喻路1037号，430074

摘要

随着废弃活性污泥（WAS）产量的迅速增加，人们对电化学处理用于污泥减量和资源回收的兴趣也在不断增长。然而，一个重要的安全问题尚未得到充分解决：含氯WAS的电化学处理可能会产生氯化副产物，这些副产物与已知的消毒副产物（DBPs）有重叠，但在这种情况下更适当地称为电化学氯化副产物（ECBPs）。这些副产物最好在相关的但不同的电化学污泥处理背景下进行考虑，在这种背景下，活性氯物种会在一个高度复杂、富含蛋白质的基质中持续生成。我们认为，ECBPs的形成，特别是可能具有更大毒理学关注的含氮物种，是电化学污泥处理中的一个重要盲点。来自废水盐度、化学添加剂和共处理废物的氯提供了这一过程的卤素来源。然而，对于实际电化学WAS系统中ECBP的发生和物种组成的直接测量仍然缺乏。因此，我们提出了一项研究议程，重点是基于情景的测量、特定于污泥的机制澄清以及基于安全性的优化，以支持更可靠和更有根据的电化学污泥处理规模扩大。

引言

由于全球城市化和废水基础设施的扩展，废弃活性污泥（WAS）的产量正在迅速增加。全球WAS的产量从2017年的每年4500万吨（干质量）增加到2024年的超过1亿吨[31]，[5]。由于WAS的复杂组成，包括高水分、难降解有机物和各种污染物（图1a），管理这种原始污泥带来了重大挑战。因此，处理和处置可能占污水处理厂（WWTP）总运营成本的50%[31]。虽然厌氧发酵是将WAS转化为甲烷、挥发性脂肪酸（VFAs）和生物燃料的核心技术，但其效率受到限速水解步骤的严重限制。由于传统的预处理方法（如热处理、化学处理或超声波处理）通常成本高昂且技术复杂，这些限制促使人们对电化学处理作为污泥分解和资源回收的高效替代方法产生了越来越大的兴趣[24]。

WAS的电化学处理引起了大量的研究和工程关注，早期应用由中国和英国的先锋公司（如Sound Group和Electrokinetic Ltd.）展示。技术经济分析表明，将电化学预处理引入污泥和食物废物的共发酵中，用于高附加值VFAs的生产，可使净利润从每吨干物质11.0美元（未经预处理）增加到50.5美元，增加了4.6倍[14]。电化学技术不仅可以作为预处理方法，通过有效水解WAS絮体来促进厌氧发酵[22]，[8]，还可以作为一种多功能工具，提高脱水性能[29]、回收营养物质[27]、灭活病原体[7]、去除重金属[6]、提供出色的过程控制[30]，并且无需外部化学品。随着全球绿色电力（太阳能、风能、水力发电）的迅速扩展，2023年已超过3300吉瓦（GW），占全球电力结构的三分之一以上[12]，电化学WAS处理变得越来越具有成本效益。

尽管人们对电化学污泥处理的热情日益高涨，但一个关键的盲点仍然存在：氯化副产物的形成并未作为评估终点进行常规报告或量化。这一差距不容忽视，因为电化学处理可以通过利用WAS中的氯离子（Cl?）从多个潜在来源生成氧化剂（图1b）。这些来源主要包括市政废水中的天然盐分，特别是在处理海水冲洗厕所废水的污水处理厂中[30]。化学投入也会产生影响，例如来自基于铁的化学强化初级处理（CEPT）的三氯化铁（FeCl₃）[21]，以及用于二次沉淀的含氯混凝剂（如FeCl₃、AlCl₃、聚合铝氯化物（PAC）和聚合铝铁氯化物（PAFC）[15]。在含氯WAS中，电氧化可能会生成与复杂有机前体相互作用的活性氯物种，使得消毒副产物（DBP）类似的卤化产品的形成在化学上是可行的，尽管在真实的污泥电化学系统中尚未直接表征。在这里，我们使用“电化学氯化副产物（ECBPs）”这一术语来描述当氯离子被电化学氧化为活性氯物种后与有机或含氮前体反应时生成的氯化衍生副产物。ECBPs不应被视为与传统消毒副产物（DBPs）完全不同的新化学类别，因为它们在化学上可能与已知的DBPs有重叠。然而，它们来自不同的形成背景，在这种背景下，活性氯物种是在电化学条件下原位生成的，而不是主要通过故意添加消毒剂引入的。在这篇观点文章中，我们关注在含氯WAS的电化学处理过程中形成的与污泥相关的ECBPs，其中固液基质、高COD、细胞外聚合物物质（EPS）、絮体、富含蛋白质的前体、悬浮固体和相分离可能会重塑副产物的形成、分析和命运。

章节片段

从DBPs到ECBPs：一个相关但不同的范式

传统上，卤代有机物的形成是在DBPs的框架内研究的，DBPs是氯化饮用水系统中一个公认的危害类别。数十年的研究表明，活性卤素物种可以将天然有机物和含氮前体转化为广泛的碳质和含氮DBPs，其中一些与致癌、生殖或细胞毒性效应有关[18]，[4]。

如图2所示，传统

电化学WAS处理中的一个重要盲点

电化学WAS处理在很大程度上忽视了ECBP的形成作为一个与安全相关的终点。为了使这一文献空白更加透明，我们在2026年3月25日进行了Web of Science主题搜索。广泛的查询“TS = （‘电化学处理’ AND ‘废弃活性污泥’）”返回了超过2500条记录。然后我们通过添加与DBP/ECBP相关的术语（包括‘消毒副产物*’、DBP*、‘电化学氯化’）进行了更具体的查询

WAS系统中ECBP形成的机制驱动因素

电化学氯化是WAS系统中ECBP形成的主要机制驱动因素。在阳极，氯被转化为自由氯物种（如HOCl/OCl?）和氯自由基（如Cl•、Cl₂•?），这取决于电极材料和操作条件[1]。同时，WAS提供了一个异常复杂的前体基质。原位生成的活性氯物种与污泥前体之间的反应可能会生成受调控的碳质ECBPs（例如，

涟漪效应：从处理池到生态系统

与饮用水DBPs不同，电化学WAS处理过程中生成的ECBP具有更复杂的下游环境暴露途径（图2）。任何形成的ECBP不仅应在反应器尺度上进行评估，还应在整个下游工厂和环境途径中进行评估。电化学WAS处理通常与污泥脱水、发酵、营养回收和下游再利用相关联。如果

呼吁在WAS的电化学处理中主动控制ECBP

电化学WAS处理正在向更广泛的应用发展，而ECBP的形成仍然没有得到充分表征。一个可靠的ECBP控制框架应包括发生确认、优先风险筛选、机制澄清、过程控制和基于风险的规模扩大。需要发生确认和优先风险筛选来确定ECBP在电化学WAS系统中是否发生、在哪里发生以及以何种形式发生。这需要分析工作流程

结论

含氯污泥的电化学处理创建了一个系统，在该系统中，丰富的氯离子和多样的前体池共存，使得ECBP的形成非常可能。然而，它们的发生、组成和影响仍然很大程度上未得到评估。这种氯化背景与传统的饮用水DBP形成有关，但并不完全等同。在电化学WAS处理中，污泥基质是浓缩且异质的，含有丰富的蛋白质，

未引用的参考文献

[25]

CRediT作者贡献声明

徐子明： 数据整理。张金文： 数据整理。布鲁斯·E·洛根： 写作——审阅与编辑、监督、概念化。朱倩： 可视化、数据整理。袁梦娇： 可视化。侯慧洁： 写作——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。杨家宽： 监督、项目管理。钱定康： 写作——审阅与编辑、初稿写作、可视化、数据整理、概念化。胡静萍：

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竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（52222006, 52070083）、中国国家重点研发计划（2023YFC3902802）、湖北省重大技术创新项目（2024BCA006）以及华中科技大学学术前沿青年团队计划（2019QYTD04）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有竞争性利益。