Fe@Fe2O3/CaO2耦合工艺强化污泥减量脱水过程中削减抗生素/抗性基因的机制研究

Residual activated sludge is not only high in water content, large in volume, and difficult to dewater, but also a storage and diffusion source for various antibiotics and resistance genes (ARGs). The potential environmental risks of antibiotics and ARGs have attracted widespread attention from domestic and foreign researchers. However, most of the research in this area is focusing on sewage, while the research on antibiotics/ARGs in excess sludge is relatively lacking, and the mechanism of migration and transformation of antibiotics/ARGs in sludge conditioning process is still unclear. This project uses the core-shell zero-valent iron Fe@Fe2O3 coupling calcium peroxide (CaO2) to promote sludge dewatering, reduce the abundance of related ARGs, and enhance the removal of typical antibiotics. The applicant intends to study the effects of Fe@Fe2O3/CaO2 coupling process on the extracellular polymeric substances (EPS), microbial cells and floc structure characteristics of the sludge, to investigate the distribution and conversion of sludge internal moisture, to explore the interaction between sludge EPS and antibiotics before and after pretreatment, to clarify the effects of various reactive groups on the migration and transformation of antibiotics/ARGs, and to elucidate the mechanism of Fe@Fe2O3/CaO2 coupling process to promote sludge dewatering and simultaneous reduction of antibiotics/ARGs. The research results of this project will help to optimize the sludge pretreatment method and provide scientific basis and technical support for promoting sludge reduction and harmless treatment.

剩余活性污泥不仅含水率高、体积大、脱水困难，也是多种抗生素及抗性基因(ARGs)的储存地与扩散源。抗生素和ARGs潜在的环境风险已经引起国内外学者的广泛关注，但目前这方面的研究多数集中在污水中，对剩余污泥中抗生素/ARGs的研究相对欠缺，且抗生素/ARGs在污泥调理过程中的迁移转化机制尚不明确。本项目利用核壳结构零价铁Fe@Fe2O3耦合CaO2促进污泥减量脱水，并同步削减抗生素和ARGs。申请人拟深入研究该耦合工艺对污泥胞外聚合物(EPS)、微生物细胞以及絮体结构特性的影响，考察污泥内部水分的转化，探索预处理前后EPS与抗生素相互作用的变化规律，明晰活性基团对抗生素/ARGs迁移转化的影响，阐明Fe@Fe2O3/CaO2耦合工艺促进污泥减量脱水及同步削减抗生素/ARGs的作用机制。本项目的研究成果将有助于优化污泥预处理方法，为促进污泥的减量化与无害化处理提供科学依据和技术支撑。

剩余污泥含水率高，体积庞大，组成复杂，所以处理处置困难，也极易导致二次污染。倘若处理处置不当，将会对生态环境和人体健康造成严重危害。本项目提出基于过氧化钙（CaO2）的高级氧化体系耦合其他处理技术用于污泥复合调理，研究耦合体系对污泥脱水和其中重金属及抗性基因去除的影响。运用环境工程学、环境化学及分子生物学等多学科的分析方法和技术，探索耦合体系对胞外聚合物（EPS）和微生物细胞及种群结构的作用。研究发现铁活化CaO2不仅有效降低污泥含水率，加快过滤速度，而且能够使处理后的污泥保持中性，解决了经典芬顿处理后污泥呈酸性不利于进一步处理和利用的问题。明确了CaO2在处理过程中产生大量的H2O2，与Fe2+反应产生HO•，破坏污泥的EPS促进污泥含水率的降低。考察了反应中Fe2+和Fe3+的转化规律，发现生成的Fe3+进入污泥絮体从而提升污泥的脱水性能。其次，为了进一步加强污泥脱水并同步去除污泥中的重金属和抗性基因，将CaO2和低温处理结合起来组成耦合体系，确定了主要控制参数以及以污泥含水率、污泥比阻等参数为目标的最优条件。研究发现该技术能够使污泥含水率从79.9%降至69.2%，与单独低温处理或CaO2处理相比，耦合技术可以更有效地分解EPS，破坏污泥细胞促进其中结合水的释放，从而加强污泥脱水。而且耦合技术对多种重金属具有去除作用，其中Zn和Mn对耦合技术最敏感。另外研究结果表明，耦合技术处理后污泥中ARGs的宿主细菌相对丰度减少，这有助于污泥中ARGs丰度的降低。最后，为了进一步加快过滤速度，研究了酸处理结合高分子絮凝剂PDMDAAC对污泥脱水性能的影响。研究发现对于多种不同类型的酸，均是在酸处理前加入PDMDAAC的脱水效果优于在酸处理之后加入，这改善了工业应用中絮凝剂的添加方式。并研究对比了各处理条件下污泥絮体粒径和Zeta电势的变化规律，得到了絮凝剂不同投加顺序的污泥脱水机理。项目成果为基于CaO2的耦合体系用于污泥的减量化和无害化处理提供理论依据和技术支持。