推薦理由：自1914年Ardern和Lockett在英國曼徹斯特建成活性污泥處理廠以來，歷經100多年的發展，活性污泥法仍然是城市污水處理應用最廣泛的方法。但隨著經濟和城市化的快速發展，污水處理量大幅攀升，剩余污泥量快速增加。如何高效經濟地實現污泥減量化、無害化、資源化處理處置，是近年來我國環境領域討論的熱點問題之一。目前，厭氧消化是一種污泥穩定化處理的重要手段，能夠實現污泥減量化、無害化和資源化的處理目標。然而，我國市政污泥有機質厭氧生物轉化率明顯低于歐美發達國家的水平。此外，隨著人類社會發展，大量的人工合成的有機化學品被使用后通過各種途徑排放到水體環境中，使得這些化學品成為污水和污泥中不可忽視的新型污染物。在厭氧消化處理過程中如何有效解決上述矛盾是污水廠運用厭氧工藝所面臨的重要難題。可見，厭氧消化預處理技術是該工藝高效運行的關鍵步驟，也是當前研究的熱點。同濟大學李詠梅教授團隊在剩余污泥厭氧消化過程中首次采用CaO₂預處理技術應用，歷經5年的潛心研究，取得了系列重要研究成果。這些具有重要參考價值的研究成果發表在環境領域Water Research，Bioresource Technology，Journal of Hazardous Materials等國際知名期刊。

——同濟大學浙江學院、《中國給水排水》青年編委 劉俊 博士

01 研究背景

隨著污水處理量的攀升，剩余污泥的產生量逐年遞增。如何高效經濟地實現污泥減量化、無害化、資源化處理處置，是近年來我國環境領域討論的熱點問題之一。厭氧消化是一種十分有效的污泥穩定化處理工藝，可利用污泥中的厭氧菌群降解污泥中有機質，能夠同時實現污泥減量化、無害化和資源化的處理目標。然而，我國市政污泥有機質厭氧生物轉化率介于20%～50%之間，明顯低于歐美發達國家的水平（50%～70%），因此，厭氧消化預處理技術是目前的研究熱點。此外，隨著人類社會發展，人工合成的有機化學品被大量使用并經各種途徑不斷排放到自然環境介質中，使得這些化學品逐漸成為污水和污泥中不可忽視的污染物。過氧化鈣（CaO₂）是一種環境友好型的固態無機過氧化物，其溶于水可緩慢釋放出氧氣和過氧化氫，為最通用最安全的固態過氧化物之一。同濟大學李詠梅教授團隊首次將CaO₂預處理技術應用于剩余污泥厭氧消化中，通過近5年的研究，確定了經濟有效促進剩余污泥產酸并去除有害有機物的過氧化鈣預處理工藝條件，揭示了過氧化鈣強化污泥發酵過程產生高質量酸性發酵液的化學-生物協同作用機理，并開發了過氧化鈣與微波或紫外聯用技術去除污水及污泥中的微量有機污染物，取得了系列研究成果。

02 主要研究內容和成果

2.1 過氧化鈣預處理促進污泥水解增溶及產酸產甲烷

研究得出，過氧化鈣的投加量可顯著影響污泥的增溶性，顯著提高污泥厭氧消化過程中揮發性短鏈脂肪酸（SCFAs）的累積，同時促進其它種類的SCFAs向乙酸的轉化，實驗得出最佳投加劑量為0.2g/gVSS，產酸總量提高3.9倍，總SCFAs中乙酸比例提高到60%。CaO₂預處理可有效破解污泥胞外聚合物（EPS）中的糖類和蛋白質，促進有機物從緊密附著型EPS及細胞內物質到溶解態可利用產物的轉化，同時可以氧化去除污泥上清液中大部分難以生物降解的有機有害物質，從而獲得高質量的污泥發酵液。通過不同溫度條件下剩余污泥厭氧發酵實驗發現，常溫條件下CaO₂預處理技術對污泥的破解和增溶效果較中溫和高溫條件下更為顯著。微生物功能預測分析得出，添加CaO₂促進了磷酸轉移酶、乙酰轉移酶、ATP結合盒式蛋白、水解酶以及蛋白質和糖類的生物合成和降解，從而促進了微生物的水解、代謝和產酸。此外，采用過氧化鈣/微波（CaO₂/MW）聯合技術預處理污泥可顯著提高污泥溶解性和可生物降解性以及后續的厭氧消化產甲烷量，添加CaO₂（0.1g/gVSS）后進行MW（480W，2min）處理為最優工藝條件，甲烷累積量比空白組高出80.2%，甲烷在沼氣中的含量也提高了25.4%。

2.2 過氧化鈣預處理去除污泥中難降解有害有機物

研究表明，采用CaO₂可有效去除污泥在厭氧消化過程中難以降解的有機污染物。初始剩余污泥共檢測到29種難降解有機污染物，10個樣品中有機污染物的總檢出頻次為131次。經過CaO2預處理后，厭氧消化5d時污泥上清液中的有機污染物的檢出頻率明顯降低：只檢測出19種有機污染物，10個樣品中有機物的檢出總次數為37，表明大部分的有機污染物由于CaO₂的作用而降解。此外，CaO₂作為污泥預處理手段能有效去除污泥中的內分泌干擾物（雌酮、雌二醇、乙炔雌二醇、雌三醇、雙酚A、壬基酚），且pH值適用范圍廣（2～12）。污泥中內分泌干擾物的降解效率會隨著過氧化鈣投加量的升高而增大，過氧化鈣氧化后產生的內分泌干擾物的氧化產物比原目標物的致雌激素效應減弱，同時還能提高污泥的溶解性。活性氧自由基是導致污泥基質中目標內分泌干擾物降解的主要因素，剩余活性污泥中的金屬離子會對內分泌干擾物的降解產生重要影響。

2.3 紫外/過氧化鈣聯用技術去除污水和污泥中微量有機污染物
紫外/過氧化鈣（UV/CaO₂）聯用技術作為新型高級氧化技術可以有效去除并且礦化污水中微量難降解藥物卡馬西平（CBZ）、撲米酮（PMD）、苯巴比妥（PBB）、甲砜霉素（TAP）和氟苯尼考（FF）。CaO₂投加量、紫外輻照劑量、污染物濃度以及溶液的pH值都會影響目標污染物的降解速率。UV/CaO₂對目標污染物的去除是UV/H₂O₂和UV/OH-的綜合作用結果。CBZ和PMD降解主要通過•OH間接光解；PBB降解主要通過直接UV光解和間接光解（OH、3DOM*和1O₂）；TAP降解主要通過UV光解和•OH間接光解；FF降解主要通過UV光解和間接光解（OH和3DOM*）。研究解析了以上藥物在水中經過UV/CaO₂處理的降解途徑。進一步利用UV/CaO2對美國某城市污水處理廠二級處理尾水中的微量有機污染物（TOrCs）進行處理，發現UV/CaO₂能夠有效去除尾水中的大部分TOrCs，出水滿足加州關于水回用技術去除效果的規定。建立了與尾水光譜參數相關的TOrCs去除率預測模型，可用于預測UV/CaO₂對尾水中TOrCs的去除效果。
UV/CaO2技術也能夠有效去除污泥中的CBZ和PMD，其降解趨勢遵循偽一級動力學。推薦使用0.2gCaO₂/gVSS和MP-UV照射時間7h作為污泥預處理最佳操作條件，CBZ和PMD去除率＞90％。在MP-UV/CaO2處理中，對關鍵自由基•OH進行了定量，并建立了•OH濃度與CaO2投加量的關系式。對污泥中CBZ和PMD的轉化中間產物檢測，發現其大部分可進一步生物降解。進一步研究得出UV/CaO₂可以產生協同效應，同時提高污泥的溶解性以及后續的厭氧消化產甲烷量。最佳的預處理條件：MP-UV（180 mW/c㎡，2h）+ CaO₂（0.1 g/gVSS）。在這種預處理條件下，污泥厭氧消化30d后與未經過預處理的對照組比較，溶解性有機物SCOD增加了239.8%，短鏈脂肪酸增加了421.3%，甲烷CH4累積量增加了119.2%，VSS減量62.50%。

CaO₂所產生的堿性氧化環境，有利于促進污泥增溶減量、厭氧消化產酸、并去除難降解有機污染物，從而推進污泥減量化、無害化、資源化處理處置。經CaO₂預處理并厭氧發酵后可獲得高質量污泥發酵液（高含量VFA低含量難降解有機物），可用于污水廠除磷脫氮的優質外加碳源。相較于單獨CaO₂處理，CaO₂與微波或紫外聯用能顯著提高污泥預處理效果、減少CaO₂投加量，鑒于CaO₂的穩定性和易儲存性，其在污水深度處理和污泥處理中有較大的推廣應用價值。

通訊作者：李詠梅，博士，教授，同濟大學環境科學與工程學院環境工程系主任，教育部新世紀優秀人才。研究方向為污水/污泥處理與資源化，系統研究了污水與污泥生物處理及其模型化、碳氮磷資源回收、難降解有機物處理，發表論文180余篇。擔任英文期刊Chemosphere副主編，Environmental Technology Review編委，國際水協IWA Nutrient Removal and Recovery Specialst Group 成員，IWA/WEF污水廠數學模型WWTmod系列會議學術委員會高級委員。主持了國家重點研發計劃項目、“863”計劃項目、自然基金項目等多個重要項目。