スラッジの高水分含量は、その後の処理コストや環境リスクを増加させます。中性近くの条件下でポリアクリルアミド（PAM）と低温を組み合わせた革新的なプロセス（heat-PAM）が、シンプルで実用的な方法でスラッジの脱水を強化するために提案されました。pH 6.0、温度85°C、PAM投与量10.0 mg/g乾燥固形物（DS）の条件下で、処理されたスラッジの水分含量と毛細管吸引時間（CST）は、それぞれ76.8％および27.5秒から68.9％および16.6秒に減少しました。中性近くのpHは、スラッジのさらなる資源利用に寄与します。このheat-PAM処理により、強く結合した細胞外高分子物質（TB-EPS）内の親水性成分が可溶性EPS（S-EPS）に変換され、スラッジ細胞の溶解と結合水の放出が促進されました。結合水含量は2.4 g/g DSから0.8 g/g DSに減少しました。さらに、X線光電子分光法（XPS）によるEPSの分子特性評価により、heat-PAM処理による親水性官能基の分解が明らかになりました。ゼータ電位と粒子サイズは、PAMが再フロック化を引き起こしたことを示しました。処理されたスラッジ内の微生物群集の分布の変化により、特定の抗生物質耐性遺伝子（ARGs）の割合が減少しました。一方、調整されたスラッジ内の典型的な重金属（Cr、Cu、Zn）の含有量は大幅に減少しました。この研究は、スラッジの脱水を強化し、スラッジからの汚染物質を除去するためのシンプルで効果的な技術を提示します。

廃活性汚泥は、非常に高い水分含量（通常は99％以上）を持つ廃水処理の副産物であり、そのためその後の処理や処分が制限されます[1]、[2]。汚泥処理のコストは、廃水処理施設（WWTP）の全体的な経費のかなりの部分を占めています[3]。汚泥には重金属や抗生物質耐性遺伝子（ARG）など、多くの有害物質が含まれていることが知られています[4]、[5]。下水汚泥中の抗生物質の含有量は、μg/kgからmg/kgまで大きく異なります[4]。これらは人間の健康に潜在的な脅威をもたらし、残留汚泥の資源利用を大いに制限します。したがって、汚泥脱水の際にこれらの有害物質を除去する必要があります。

細胞外高分子物質（EPS）は、スラッジに存在する負に帯電した親水性ポリマーであり、スラッジの脱水性能を決定します[3]。EPSは主にタンパク質（PN）と多糖類（PS）で構成されており、フミン物質や核酸も含まれています[6]。細胞結合の程度に応じて、EPSは可溶性EPS（S-EPS）、緩く結合したEPS（LB-EPS）、および強く結合したEPS（TB-EPS）に分類されます[7]、[8]。EPSの親水性により、大量の水と結合することができ、EPSの電気陰性により、廃水システム内でスラッジが安定して分散します[9]。スラッジフロックの緩い構造は、付着した水を排出することを困難にし、結果としてスラッジの水分含量が高くなります。したがって、スラッジは通常、脱水性能を向上させるために脱水前に前処理されます[10]。

温度はスラッジ脱水性能に影響を与える主要な要因です。研究によると、温度が180°Cを超えると、スラッジの脱水能力が大幅に向上することが示されています[11]。しかし、高温処理はスラッジから濾液中に有機物を放出します。これにより、脱水されたスラッジケーキの利用価値が低下するだけでなく、濾液中の溶解性化学酸素要求量（SCOD）やアンモニア窒素濃度が非常に高くなります。その結果、次の処理プロセスがより複雑になります[12]。さらに、高い設備要件と高いエネルギー消費は処理コストを増加させます[12]、[13]。したがって、コストを削減するために低温スラッジ処理技術を開発する必要があります。低温熱処理はスラッジフロック構造を破壊し、EPSを分解することができます。しかし、スラッジの表面積が増加し、スラッジの脱水性が悪化する可能性があります[9]。以前の研究では、低温と酸化剤の組み合わせがスラッジ脱水性能を相乗的に向上させることが探求されてきました。ナトリウムペルスルファートは、80℃でスラッジの水分含量を12.2％減少させることが報告されています[14]。カルシウム過酸化物は低温と組み合わせることで、酸性条件下で水分含量を79.9％から69.2％に減少させることができます[9]。しかし、酸化剤の保管と使用には潜在的なリスクがあり、不適切な取り扱いは人間の健康や環境に重大な害を及ぼす可能性があります。さらに、酸化剤の活性化には通常酸性条件が必要であるか、もしくは本質的に酸性の化合物を含むため、処理後に非常に酸性の濾液が生成されます。この酸性濾液は処理設備に腐食の危険を引き起こすだけでなく、中和のためにアルカリの投与が必要となり、下流の処理コストが増加します。したがって、酸化剤を使用せずに低温処理によってスラッジ脱水を向上させる方法は注目に値します。

陽イオンフロック剤は、スラッジ粒子間の静電反発を排除し、スラッジ懸濁系を破壊することで、スラッジ脱水を強化することができます[3]。ポリアクリルアミド（PAM）は、一般的に使用される陽イオンフロック剤であり、低コストと強いフロック形成能力のため、WWTP（廃水処理プラント）で広く適用されています[15]。スラッジフロック形成プロセス中、PAMは小さなスラッジフロックと大きなスラッジフロックの間の接続ブリッジとして機能し、電荷中和とブリッジングを通じてスラッジろ過率を向上させます[16]、[17]。しかし、PAMのみを使用した場合、EPS構造は破壊されず、結合水はスラッジ内に残るため、水分含量が持続的に高くなります[18]。

PAMと低温の組み合わせは、スラッジ脱水を強化する際の低温処理とPAMの欠点を補うことができます。この組み合わせ技術は、酸化剤の使用を回避し、化学物質の使用に伴う環境リスクを最小限に抑えます。さらに、熱処理はスラッジ細胞を破壊し、微生物群集の構造を変化させることができ、スラッジからARGを除去する可能性があります[11]。しかし、強化スラッジ脱水の過程において、PAMと組み合わせた熱処理によるARGの除去に関する研究のギャップが残っています。

この研究は、ほぼ中性条件下で低温の複合PAM（熱-PAM）を使用したスラッジ脱水の潜在的な改善を探ることを目的としています。脱水性能を評価するために、毛細管吸引時間（CST）と水分含量がパラメータとして使用されました。この研究の主な目的は以下の通りです：（1）熱-PAMプロセスがスラッジの脱水性に与える影響を調査すること；（2）複合調整後のスラッジ中の典型的な重金属含有量の変動といくつかのARGの相対的な豊富さを評価すること；（3）スラッジの脱水性能を向上させる関連メカニズムを探り、ARGをスラッジから除去するための潜在的なメカニズムを明らかにするために微生物群集構造の変化を評価すること。