O alto teor de água do lodo aumenta os custos do tratamento subsequente, bem como os riscos ambientais. Um processo inovador de baixa temperatura combinado com poliacrilamida (PAM) em condições quase neutras (heat-PAM) foi proposto para melhorar a desidratação do lodo de maneira simples e prática. No pH de 6,0 e temperatura de 85°C, com dosagem de PAM de 10,0 mg/g de sólido seco (DS), o teor de água e o tempo de sucção capilar (CST) do lodo tratado diminuíram de 76,8% e 27,5 s para 68,9% e 16,6 s, respectivamente. O pH quase neutro é favorável à utilização adicional de recursos do lodo. Este tratamento heat-PAM possibilitou a transformação da fração hidrofílica dentro das substâncias poliméricas extracelulares fortemente ligadas (TB-EPS) em EPS solúvel (S-EPS), a lise das células do lodo e a liberação de água ligada. O teor de água ligada foi reduzido de 2,4 g/g DS para 0,8 g/g DS. Além disso, caracterizações moleculares de EPS por espectrometria de fotoelétrons de raios X (XPS) esclareceram a decomposição de grupos funcionais hidrofílicos pelo tratamento heat-PAM. O potencial zeta e o tamanho das partículas indicaram que a PAM causou uma re-floculação. Mudanças na distribuição da comunidade microbiana dentro do lodo tratado resultaram em uma diminuição da proporção de certos genes de resistência a antibióticos (ARGs). Enquanto isso, os teores de metais pesados típicos (Cr, Cu, Zn) no lodo condicionado diminuíram significativamente. Este estudo apresenta uma tecnologia simples e eficaz para melhorar a desidratação do lodo e remover poluentes do lodo.

O lodo ativado residual é um subproduto do tratamento de águas residuais com um teor de água extremamente alto (geralmente > 99 %), o que limita seu tratamento e descarte subsequentes [1], [2]. O custo do tratamento de lodo representa uma parte substancial das despesas gerais para as estações de tratamento de águas residuais (ETARs) [3]. Sabe-se que o lodo contém muitas substâncias nocivas, como metais pesados e genes de resistência a antibióticos (ARGs) [4], [5]. O conteúdo de antibióticos no lodo de esgoto varia bastante, variando de μg/kg a mg/kg [4]. Esses representam uma ameaça potencial à saúde humana e limitam muito a utilização de recursos do lodo residual. Portanto, é necessário remover essas substâncias nocivas durante a desidratação do lodo.

Substâncias poliméricas extracelulares (EPS) são polímeros hidrofílicos carregados negativamente encontrados em lodo que determinam o desempenho de desidratação do lodo [3]. As EPS são compostas principalmente por proteínas (PN) e polissacarídeos (PS), além de substâncias húmicas e ácidos nucleicos [6]. De acordo com o grau de ligação celular, as EPS podem ser classificadas como EPS solúveis (S-EPS), EPS fracamente ligadas (LB-EPS) e EPS fortemente ligadas (TB-EPS) [7], [8]. A hidrofobicidade das EPS permite que elas se liguem a grandes quantidades de água, enquanto a eletronegatividade das EPS permite a dispersão estável do lodo em sistemas de águas residuais [9]. A estrutura solta do floco de lodo dificulta a descarga da água anexada, resultando em um maior teor de água no lodo. Portanto, o lodo geralmente é pré-tratado antes da desidratação para alcançar um melhor desempenho de desidratação [10].

A temperatura é um fator principal que afeta o desempenho da desidratação de lodo. Estudos mostraram que melhorias significativas na capacidade de desidratação do lodo são observadas apenas quando as temperaturas excedem 180°C [11]. No entanto, o tratamento em alta temperatura libera matéria orgânica do lodo para o filtrado. Isso não apenas reduz o valor de utilização do bolo de lodo desidratado, mas também resulta em concentrações extremamente altas de demanda química de oxigênio solúvel (SCOD) e nitrogênio amoniacal no filtrado. Consequentemente, o processo de tratamento subsequente torna-se mais complexo [12]. Além disso, os altos requisitos de equipamentos e o alto consumo de energia aumentam o custo de processamento [12], [13]. Portanto, é necessário desenvolver tecnologia de tratamento de lodo em baixa temperatura para reduzir custos. O tratamento térmico a baixa temperatura pode quebrar a estrutura dos flocos de lodo e decompor EPS. No entanto, pode aumentar a área de superfície do lodo, deteriorando assim a desidratabilidade do lodo [9]. Estudos anteriores exploraram a combinação de baixas temperaturas e oxidantes para melhorar sinergicamente o desempenho da desidratação do lodo. Foi relatado que o persulfato de sódio pode reduzir o teor de água do lodo em 12,2 % a 80℃ [14]. O peróxido de cálcio combinado com baixa temperatura pode reduzir o teor de água de 79,9 % para 69,2 % em condições ácidas [9]. No entanto, existem riscos potenciais associados ao armazenamento e uso de oxidantes, e o manuseio inadequado deles pode causar danos significativos à saúde humana e ao meio ambiente. Além disso, a ativação de oxidantes geralmente requer condições ácidas ou envolve compostos inerentemente ácidos, resultando em filtrado altamente ácido após o tratamento. Este filtrado ácido não apenas causa riscos de corrosão aos equipamentos de tratamento, mas também exige dosagem de álcali para neutralização, aumentando assim os custos de tratamento a jusante. Portanto, como melhorar a desidratação do lodo por meio de tratamento a baixa temperatura sem o uso de oxidantes é digno de atenção.

Os floculantes catiônicos podem eliminar a repulsão eletrostática entre as partículas de lodo e destruir o sistema de suspensão do lodo, aumentando assim a desidratação do lodo [3]. O poliacrilamida (PAM), um floculante catiônico comumente utilizado, é amplamente aplicado em ETEs devido ao seu baixo custo e forte floculação [15]. Durante o processo de floculação do lodo, o PAM atua como uma ponte de conexão entre os flocos de lodo pequenos e grandes por meio da neutralização de carga e da ligação, aumentando assim a taxa de filtração do lodo [16], [17]. No entanto, se apenas o PAM for utilizado, a estrutura de EPS não será destruída e a água ligada permanecerá no lodo, resultando em um teor de água persistentemente alto [18].

A combinação de PAM e baixa temperatura pode compensar as deficiências do tratamento a baixa temperatura e do PAM no fortalecimento da desidratação de lodo. A tecnologia combinada também evita o uso de oxidantes, minimizando assim os riscos ambientais associados ao uso de produtos químicos. Além disso, o tratamento térmico pode destruir células de lodo e alterar a estrutura da comunidade microbiana, o que tem o potencial de remover ARGs do lodo [11]. No entanto, ainda existe uma lacuna na pesquisa sobre a remoção de ARGs pelo tratamento térmico combinado com PAM no processo de desidratação aprimorada de lodo.

Este estudo tem como objetivo explorar a melhoria potencial na desidratação de lodo utilizando PAM combinado a baixa temperatura em condições quase neutras (heat-PAM). O tempo de sucção capilar (CST) e o teor de água foram empregados como parâmetros para avaliar o desempenho de desidratação. Os principais objetivos deste estudo são os seguintes: (1) investigar o efeito do processo heat-PAM na desidratabilidade do lodo; (2) avaliar as variações nos conteúdos típicos de metais pesados e a abundância relativa de alguns ARGs no lodo após condicionamento combinado; (3) explorar os mecanismos relevantes para melhorar o desempenho de desidratação do lodo e avaliar as alterações na estrutura da comunidade microbiana para revelar os mecanismos potenciais para a remoção de ARGs do lodo.