推薦理由：自1914年Ardern和Lockett在英國(guó)曼徹斯特建成活性污泥處理廠以來(lái)，歷經(jīng)100多年的發(fā)展，活性污泥法仍然是城市污水處理應(yīng)用最廣泛的方法。但隨著經(jīng)濟(jì)和城市化的快速發(fā)展，污水處理量大幅攀升，剩余污泥量快速增加。如何高效經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無(wú)害化、資源化處理處置，是近年來(lái)我國(guó)環(huán)境領(lǐng)域討論的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。目前，厭氧消化是一種污泥穩(wěn)定化處理的重要手段，能夠?qū)崿F(xiàn)污泥減量化、無(wú)害化和資源化的處理目標(biāo)。然而，我國(guó)市政污泥有機(jī)質(zhì)厭氧生物轉(zhuǎn)化率明顯低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。此外，隨著人類社會(huì)發(fā)展，大量的人工合成的有機(jī)化學(xué)品被使用后通過(guò)各種途徑排放到水體環(huán)境中，使得這些化學(xué)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(guò)程中如何有效解決上述矛盾是污水廠運(yùn)用厭氧工藝所面臨的重要難題�？梢�(jiàn)，厭氧消化預(yù)處理技術(shù)是該工藝高效運(yùn)行的關(guān)鍵步驟，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。同濟(jì)大學(xué)李詠梅教授團(tuán)隊(duì)在剩余污泥厭氧消化過(guò)程中首次采用CaO₂預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用，歷經(jīng)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(jià)值的研究成果發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域Water Research，Bioresource Technology，Journal of Hazardous Materials等國(guó)際知名期刊。

——同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院、《中國(guó)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(chǎn)生量逐年遞增。如何高效經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無(wú)害化、資源化處理處置，是近年來(lái)我國(guó)環(huán)境領(lǐng)域討論的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。厭氧消化是一種十分有效的污泥穩(wěn)定化處理工藝，可利用污泥中的厭氧菌群降解污泥中有機(jī)質(zhì)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無(wú)害化和資源化的處理目標(biāo)。然而，我國(guó)市政污泥有機(jī)質(zhì)厭氧生物轉(zhuǎn)化率介于20%～50%之間，明顯低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的水平（50%～70%），因此，厭氧消化預(yù)處理技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)。此外，隨著人類社會(huì)發(fā)展，人工合成的有機(jī)化學(xué)品被大量使用并經(jīng)各種途徑不斷排放到自然環(huán)境介質(zhì)中，使得這些化學(xué)品逐漸成為污水和污泥中不可忽視的污染物。過(guò)氧化鈣（CaO₂）是一種環(huán)境友好型的固態(tài)無(wú)機(jī)過(guò)氧化物，其溶于水可緩慢釋放出氧氣和過(guò)氧化氫，為最通用最安全的固態(tài)過(guò)氧化物之一。同濟(jì)大學(xué)李詠梅教授團(tuán)隊(duì)首次將CaO₂預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于剩余污泥厭氧消化中，通過(guò)近5年的研究，確定了經(jīng)濟(jì)有效促進(jìn)剩余污泥產(chǎn)酸并去除有害有機(jī)物的過(guò)氧化鈣預(yù)處理工藝條件，揭示了過(guò)氧化鈣強(qiáng)化污泥發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生高質(zhì)量酸性發(fā)酵液的化學(xué)-生物協(xié)同作用機(jī)理，并開(kāi)發(fā)了過(guò)氧化鈣與微波或紫外聯(lián)用技術(shù)去除污水及污泥中的微量有機(jī)污染物，取得了系列研究成果。

02 主要研究?jī)?nèi)容和成果

2.1 過(guò)氧化鈣預(yù)處理促進(jìn)污泥水解增溶及產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷

研究得出，過(guò)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(guò)程中揮發(fā)性短鏈脂肪酸（SCFAs）的累積，同時(shí)促進(jìn)其它種類的SCFAs向乙酸的轉(zhuǎn)化，實(shí)驗(yàn)得出最佳投加劑量為0.2g/gVSS，產(chǎn)酸總量提高3.9倍，總SCFAs中乙酸比例提高到60%。CaO₂預(yù)處理可有效破解污泥胞外聚合物（EPS）中的糖類和蛋白質(zhì)，促進(jìn)有機(jī)物從緊密附著型EPS及細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)到溶解態(tài)可利用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，同時(shí)可以氧化去除污泥上清液中大部分難以生物降解的有機(jī)有害物質(zhì)，從而獲得高質(zhì)量的污泥發(fā)酵液。通過(guò)不同溫度條件下剩余污泥厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常溫條件下CaO₂預(yù)處理技術(shù)對(duì)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(yù)測(cè)分析得出，添加CaO₂促進(jìn)了磷酸轉(zhuǎn)移酶、乙酰轉(zhuǎn)移酶、ATP結(jié)合盒式蛋白、水解酶以及蛋白質(zhì)和糖類的生物合成和降解，從而促進(jìn)了微生物的水解、代謝和產(chǎn)酸。此外，采用過(guò)氧化鈣/微波（CaO₂/MW）聯(lián)合技術(shù)預(yù)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(xù)的厭氧消化產(chǎn)甲烷量，添加CaO₂（0.1g/gVSS）后進(jìn)行MW（480W，2min）處理為最優(yōu)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(guò)氧化鈣預(yù)處理去除污泥中難降解有害有機(jī)物

研究表明，采用CaO₂可有效去除污泥在厭氧消化過(guò)程中難以降解的有機(jī)污染物。初始剩余污泥共檢測(cè)到29種難降解有機(jī)污染物，10個(gè)樣品中有機(jī)污染物的總檢出頻次為131次。經(jīng)過(guò)CaO2預(yù)處理后，厭氧消化5d時(shí)污泥上清液中的有機(jī)污染物的檢出頻率明顯降低：只檢測(cè)出19種有機(jī)污染物，10個(gè)樣品中有機(jī)物的檢出總次數(shù)為37，表明大部分的有機(jī)污染物由于CaO₂的作用而降解。此外，CaO₂作為污泥預(yù)處理手段能有效去除污泥中的內(nèi)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(nèi)分泌干擾物的降解效率會(huì)隨著過(guò)氧化鈣投加量的升高而增大，過(guò)氧化鈣氧化后產(chǎn)生的內(nèi)分泌干擾物的氧化產(chǎn)物比原目標(biāo)物的致雌激素效應(yīng)減弱，同時(shí)還能提高污泥的溶解性。活性氧自由基是導(dǎo)致污泥基質(zhì)中目標(biāo)內(nèi)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(huì)對(duì)內(nèi)分泌干擾物的降解產(chǎn)生重要影響。

2.3 紫外/過(guò)氧化鈣聯(lián)用技術(shù)去除污水和污泥中微量有機(jī)污染物
紫外/過(guò)氧化鈣（UV/CaO₂）聯(lián)用技術(shù)作為新型高級(jí)氧化技術(shù)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(huì)影響目標(biāo)污染物的降解速率。UV/CaO₂對(duì)目標(biāo)污染物的去除是UV/H₂O₂和UV/OH-的綜合作用結(jié)果。CBZ和PMD降解主要通過(guò)•OH間接光解；PBB降解主要通過(guò)直接UV光解和間接光解（OH、3DOM*和1O₂）；TAP降解主要通過(guò)UV光解和•OH間接光解；FF降解主要通過(guò)UV光解和間接光解（OH和3DOM*）。研究解析了以上藥物在水中經(jīng)過(guò)UV/CaO₂處理的降解途徑。進(jìn)一步利用UV/CaO2對(duì)美國(guó)某城市污水處理廠二級(jí)處理尾水中的微量有機(jī)污染物（TOrCs）進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)UV/CaO₂能夠有效去除尾水中的大部分TOrCs，出水滿足加州關(guān)于水回用技術(shù)去除效果的規(guī)定。建立了與尾水光譜參數(shù)相關(guān)的TOrCs去除率預(yù)測(cè)模型，可用于預(yù)測(cè)UV/CaO₂對(duì)尾水中TOrCs的去除效果。
UV/CaO2技術(shù)也能夠有效去除污泥中的CBZ和PMD，其降解趨勢(shì)遵循偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)。推薦使用0.2gCaO₂/gVSS和MP-UV照射時(shí)間7h作為污泥預(yù)處理最佳操作條件，CBZ和PMD去除率＞90％。在MP-UV/CaO2處理中，對(duì)關(guān)鍵自由基•OH進(jìn)行了定量，并建立了•OH濃度與CaO2投加量的關(guān)系式。對(duì)污泥中CBZ和PMD的轉(zhuǎn)化中間產(chǎn)物檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其大部分可進(jìn)一步生物降解。進(jìn)一步研究得出UV/CaO₂可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，同時(shí)提高污泥的溶解性以及后續(xù)的厭氧消化產(chǎn)甲烷量。最佳的預(yù)處理?xiàng)l件：MP-UV（180 mW/c㎡，2h）+ CaO₂（0.1 g/gVSS）。在這種預(yù)處理?xiàng)l件下，污泥厭氧消化30d后與未經(jīng)過(guò)預(yù)處理的對(duì)照組比較，溶解性有機(jī)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(chǎn)生的堿性氧化環(huán)境，有利于促進(jìn)污泥增溶減量、厭氧消化產(chǎn)酸、并去除難降解有機(jī)污染物，從而推進(jìn)污泥減量化、無(wú)害化、資源化處理處置。經(jīng)CaO₂預(yù)處理并厭氧發(fā)酵后可獲得高質(zhì)量污泥發(fā)酵液（高含量VFA低含量難降解有機(jī)物），可用于污水廠除磷脫氮的優(yōu)質(zhì)外加碳源。相較于單獨(dú)CaO₂處理，CaO₂與微波或紫外聯(lián)用能顯著提高污泥預(yù)處理效果、減少CaO₂投加量，鑒于CaO₂的穩(wěn)定性和易儲(chǔ)存性，其在污水深度處理和污泥處理中有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

通訊作者：李詠梅，博士，教授，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境工程系主任，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才。研究方向?yàn)槲鬯?污泥處理與資源化，系統(tǒng)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(jī)物處理，發(fā)表論文180余篇。擔(dān)任英文期刊Chemosphere副主編，Environmental Technology Review編委，國(guó)際水協(xié)IWA Nutrient Removal and Recovery Specialst Group 成員，IWA/WEF污水廠數(shù)學(xué)模型WWTmod系列會(huì)議學(xué)術(shù)委員會(huì)高級(jí)委員。主持了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、“863”計(jì)劃項(xiàng)目、自然基金項(xiàng)目等多個(gè)重要項(xiàng)目。