Der hohe Wassergehalt von Schlamm erhöht die Kosten der nachfolgenden Behandlung sowie die Umweltrisiken. Ein innovativer Prozess mit niedriger Temperatur in Kombination mit Polyacrylamid (PAM) unter nahezu neutralen Bedingungen (Heat-PAM) wurde vorgeschlagen, um die Schlammentwässerung auf einfache und praktische Weise zu verbessern. Bei einem pH-Wert von 6,0 und einer Temperatur von 85 °C, mit einer PAM-Dosierung von 10,0 mg/g Trockenmasse (TM), sank der Wassergehalt und die kapillare Saugzeit (CST) des behandelten Schlamms von 76,8 % und 27,5 s auf 68,9 % und 16,6 s. Der nahezu neutrale pH-Wert begünstigt die weitere Ressourcennutzung von Schlamm. Diese Heat-PAM-Behandlung ermöglichte die Umwandlung der hydrophilen Fraktion innerhalb der fest gebundenen extrazellulären polymeren Substanzen (TB-EPS) in lösliche EPS (S-EPS), die Lyse der Schlammazellen und die Freisetzung von gebundenem Wasser. Der Gehalt an gebundenem Wasser wurde von 2,4 g/g TM auf 0,8 g/g TM reduziert. Darüber hinaus klärten molekulare Charakterisierungen von EPS durch Röntgenphotoelektronenspektrometrie (XPS) den Abbau hydrophiler funktioneller Gruppen durch die Heat-PAM-Behandlung. Zeta-Potential und Partikelgröße zeigten, dass PAM eine Re-Flokulation verursachte. Veränderungen in der Verteilung der mikrobiellen Gemeinschaft innerhalb des behandelten Schlamms führten zu einem Rückgang des Anteils bestimmter Antibiotikaresistenzgene (ARGs). Gleichzeitig sanken die Gehalte typischer Schwermetalle (Cr, Cu, Zn) im konditionierten Schlamm signifikant. Diese Studie präsentiert eine einfache und effektive Technologie zur Verbesserung der Schlammentwässerung und zur Entfernung von Schadstoffen aus Schlamm.

Abfallaktivschlamm ist ein Nebenprodukt der Abwasserbehandlung mit extrem hohem Wassergehalt (in der Regel > 99 %), was seine anschließende Behandlung und Entsorgung einschränkt [1], [2]. Die Kosten für die Schlammbehandlung machen einen erheblichen Teil der Gesamtausgaben für Kläranlagen (WWTPs) aus [3]. Es ist bekannt, dass Schlamm viele schädliche Substanzen enthält, wie Schwermetalle und Gene für Antibiotikaresistenzen (ARGs) [4], [5]. Der Gehalt an Antibiotika im Klärschlamm variiert stark und reicht von μg/kg bis mg/kg [4]. Diese stellen eine potenzielle Bedrohung für die menschliche Gesundheit dar und schränken die Ressourcennutzung des verbleibenden Schlamms erheblich ein. Daher ist es notwendig, diese schädlichen Substanzen während der Schlammverdichtung zu entfernen.

Extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) sind negativ geladene hydrophile Polymere, die in Schlamm vorkommen und die Entwässerungsleistung von Schlamm bestimmen [3]. EPS bestehen hauptsächlich aus Proteinen (PN) und Polysacchariden (PS), zusätzlich zu humischen Substanzen und Nukleinsäuren [6]. Je nach Grad der Zellbindung können EPS in lösliche EPS (S-EPS), locker gebundene EPS (LB-EPS) und fest gebundene EPS (TB-EPS) klassifiziert werden [7], [8]. Die Hydrophilie von EPS ermöglicht es ihnen, große Mengen Wasser zu binden, während die Elektronegativität von EPS eine stabile Dispersion von Schlamm in Abwassersystemen ermöglicht [9]. Die lockere Struktur des Schlammflocks erschwert die Entwässerung des gebundenen Wassers, was zu einem höheren Wassergehalt im Schlamm führt. Daher wird Schlamm normalerweise vor der Entwässerung vorbehandelt, um eine bessere Entwässerungsleistung zu erzielen [10].

Die Temperatur ist ein Hauptfaktor, der die Entwässerungsleistung von Schlamm beeinflusst. Studien haben gezeigt, dass signifikante Verbesserungen der Entwässerungsfähigkeit von Schlamm nur beobachtet werden, wenn die Temperaturen 180 °C überschreiten [11]. Eine Behandlung bei hohen Temperaturen setzt jedoch organische Stoffe aus dem Schlamm in das Filtrat frei. Dies reduziert nicht nur den Verwertungswert des entwässerten Schlamms, sondern führt auch zu extrem hohen Konzentrationen von löslichem chemischem Sauerstoffbedarf (SCOD) und Ammoniakstickstoff im Filtrat. Folglich wird der nachfolgende Behandlungsprozess komplexer [12]. Darüber hinaus erhöhen hohe Anforderungen an die Ausrüstung und hoher Energieverbrauch die Verarbeitungskosten [12], [13]. Daher ist es notwendig, Technologien zur Behandlung von Schlamm bei niedrigen Temperaturen zu entwickeln, um die Kosten zu senken. Die Wärmebehandlung bei niedriger Temperatur kann die Struktur der Schlammflocken aufbrechen und EPS zersetzen. Allerdings kann sie die Oberfläche des Schlamms vergrößern, was die Entwässerbarkeit des Schlamms verschlechtert [9]. Frühere Studien haben die Kombination von niedrigen Temperaturen und Oxidationsmitteln untersucht, um synergistisch die Entwässerungsleistung von Schlamm zu verbessern. Es wurde berichtet, dass Natriumperoxodisulfat den Wassergehalt des Schlamms bei 80 °C um 12,2 % reduzieren kann [14]. Calciumperoxid in Kombination mit niedriger Temperatur kann den Wassergehalt unter sauren Bedingungen von 79,9 % auf 69,2 % reduzieren [9]. Es gibt jedoch potenzielle Risiken im Zusammenhang mit der Lagerung und Verwendung von Oxidationsmitteln, und unsachgemäße Handhabung kann erhebliche Schäden für die menschliche Gesundheit und die Umwelt verursachen. Darüber hinaus erfordert die Aktivierung von Oxidationsmitteln typischerweise saure Bedingungen oder beinhaltet von Natur aus saure Verbindungen, was nach der Behandlung zu einem stark sauren Filtrat führt. Dieses saure Filtrat verursacht nicht nur Korrosionsgefahren für die Behandlungsanlagen, sondern erfordert auch eine Alkalizugabe zur Neutralisation, wodurch die Kosten für die nachgelagerte Behandlung steigen. Daher ist es wert, zu untersuchen, wie die Entwässerung von Schlamm durch eine Behandlung bei niedriger Temperatur ohne den Einsatz von Oxidationsmitteln verbessert werden kann.

Kationische Flockungsmittel können die elektrostatische Abstoßung zwischen Schlammpartikeln beseitigen und das Schlammaufschlämmungssystem zerstören, wodurch die Schlammdewatering verbessert wird [3]. Polyacrylamid (PAM), ein häufig verwendetes kationisches Flockungsmittel, wird aufgrund seiner geringen Kosten und starken Flockungsfähigkeit häufig in Kläranlagen eingesetzt [15]. Während des Schlammflockungsprozesses fungiert PAM als verbindende Brücke zwischen den kleinen und großen Schlammflocken durch Ladungsneutralisation und Bridging, wodurch die Filtrationsrate des Schlamms erhöht wird [16], [17]. Wenn jedoch nur PAM verwendet wird, wird die EPS-Struktur nicht zerstört und das gebundene Wasser bleibt im Schlamm, was zu einem dauerhaft hohen Wassergehalt führt [18].

Die Kombination von PAM und niedriger Temperatur kann die Mängel der Niedertemperaturbehandlung und von PAM bei der Stärkung der Schlammentwässerung ausgleichen. Die kombinierte Technologie vermeidet auch die Verwendung von Oxidationsmitteln, wodurch die mit dem chemischen Einsatz verbundenen Umweltrisiken minimiert werden. Darüber hinaus kann die Wärmebehandlung Schlammzellen zerstören und die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft verändern, was das Potenzial hat, ARGs aus Schlamm zu entfernen [11]. Es besteht jedoch eine Forschungslücke bei der Entfernung von ARGs durch Wärmebehandlung in Kombination mit PAM im Prozess der verbesserten Schlammentwässerung.

Diese Studie zielt darauf ab, die potenzielle Verbesserung der Schlammentwässerung unter Verwendung von Niedertemperatur- kombiniertem PAM unter nahezu neutralen Bedingungen (Heat-PAM) zu untersuchen. Die kapillare Saugzeit (CST) und der Wassergehalt wurden als Parameter zur Bewertung der Entwässerungsleistung verwendet. Die Hauptziele dieser Studie sind wie folgt: (1) den Einfluss des Heat-PAM-Prozesses auf die Entwässerbarkeit von Schlamm zu untersuchen; (2) die Veränderungen der Gehalte an typischen Schwermetallen und die relative Häufigkeit einiger ARGs im Schlamm nach der kombinierten Aufbereitung zu bewerten; (3) die relevanten Mechanismen zur Verbesserung der Entwässerungsleistung von Schlamm zu erforschen und die Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur zu bewerten, um die potenziellen Mechanismen zur Entfernung von ARGs aus Schlamm offenzulegen.