Высокое содержание воды в осадке увеличивает затраты на последующую обработку, а также экологические риски. Был предложен инновационный процесс низкотемпературного воздействия в сочетании с полиакриламидом (PAM) при почти нейтральных условиях (heat-PAM) для повышения обезвоживания осадка простым и практичным способом. При pH 6.0 и температуре 85°C, с дозировкой PAM 10.0 мг/г сухого вещества (DS), содержание воды и время капиллярного всасывания (CST) обработанного осадка снизились с 76.8 % и 27.5 с до 68.9 % и 16.6 с соответственно. Почти нейтральный pH способствует дальнейшему использованию ресурсов осадка. Эта обработка heat-PAM позволила трансформировать гидрофильную фракцию в плотно связанном экстрацеллюлярном полимерном веществе (TB-EPS) в растворимый EPS (S-EPS), лизис клеток осадка и высвобождение связанной воды. Содержание связанной воды было снижено с 2.4 г/г DS до 0.8 г/г DS. Более того, молекулярные характеристики EPS с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) прояснили разложение гидрофильных функциональных групп в результате обработки heat-PAM. Потенциал цета и размер частиц показали, что PAM вызвал рефлокуляцию. Изменения в распределении микробного сообщества в обработанном осадке привели к снижению доли определенных генов устойчивости к антибиотикам (ARGs). В то же время содержание типичных тяжелых металлов (Cr, Cu, Zn) в кондиционированном осадке значительно снизилось. Это исследование представляет собой простую и эффективную технологию для повышения обезвоживания осадка и удаления загрязняющих веществ из осадка.

Отходный активированный ил является побочным продуктом очистки сточных вод с чрезвычайно высоким содержанием воды (обычно > 99 %), что ограничивает его последующую обработку и утилизацию [1], [2]. Стоимость обработки ила составляет значительную часть общих расходов на очистные сооружения сточных вод (ОССВ) [3]. Известно, что ил содержит множество вредных веществ, таких как тяжелые металлы и гены устойчивости к антибиотикам (ARGs) [4], [5]. Содержание антибиотиков в сточном иле варьируется в широких пределах, от μg/kg до mg/kg [4]. Это представляет потенциальную угрозу для здоровья человека и значительно ограничивает ресурсное использование остаточного ила. Поэтому необходимо удалять эти вредные вещества во время обезвоживания ила.

Экстрацеллюлярные полимерные вещества (EPS) являются negatively charged hydrophilic polymers, найденными в осадке, которые определяют эффективность обезвоживания осадка [3]. EPS в основном состоят из белков (PN) и полисахаридов (PS), а также гуминовых веществ и нуклеиновых кислот [6]. В зависимости от степени связывания с клетками, EPS можно классифицировать как растворимые EPS (S-EPS), слабо связанные EPS (LB-EPS) и сильно связанные EPS (TB-EPS) [7], [8]. Гидрофильность EPS позволяет им связываться с большими объемами воды, в то время как электроотрицательность EPS обеспечивает стабильное диспергирование осадка в системах сточных вод [9]. Свободная структура флоков осадка затрудняет отвод прикрепленной воды, что приводит к более высокому содержанию воды в осадке. Поэтому осадок обычно предварительно обрабатывается перед обезвоживанием для достижения лучшей эффективности обезвоживания [10].

Температура является основным фактором, влияющим на эффективность обезвоживания осадка. Исследования показали, что значительное улучшение способности к обезвоживанию осадка наблюдается только при температурах выше 180°C [11]. Однако обработка при высокой температуре приводит к высвобождению органических веществ из осадка в фильтрат. Это не только снижаетUtilization value обезвоженного осадка, но также приводит к крайне высоким концентрациям растворимого химического потребления кислорода (SCOD) и аммиачного азота в фильтрате. В результате последующий процесс обработки становится более сложным [12]. Кроме того, высокие требования к оборудованию и высокое потребление энергии увеличивают затраты на обработку [12], [13]. Следовательно, необходимо разработать технологии обработки осадка при низких температурах для снижения затрат. Обработка осадка при низкой температуре может разрушить структуру флоков осадка и разложить EPS. Однако это может увеличить площадь поверхности осадка, что, в свою очередь, ухудшает его способность к обезвоживанию [9]. Предыдущие исследования изучали комбинацию низких температур и окислителей для синергетического улучшения эффективности обезвоживания осадка. Сообщается, что персульфат натрия может снизить содержание воды в осадке на 12,2 % при 80℃ [14]. Пероксид кальция в сочетании с низкой температурой может снизить содержание воды с 79,9 % до 69,2 % в кислых условиях [9]. Однако существуют потенциальные риски, связанные с хранением и использованием окислителей, и неправильное обращение с ними может причинить значительный вред здоровью человека и окружающей среде. Более того, активация окислителей обычно требует кислых условий или включает в себя по своей природе кислые соединения, что приводит к образованию высококислого фильтрата после обработки. Этот кислый фильтрат не только создает коррозионные опасности для оборудования, но также требует добавления щелочи для нейтрализации, что увеличивает затраты на последующую обработку. Поэтому вопрос о том, как улучшить обезвоживание осадка при низкотемпературной обработке без использования окислителей, заслуживает внимания.

Катионные флокулянты могут устранить электростатическое отталкивание между частицами осадка и разрушить систему суспензии осадка, тем самым улучшая обезвоживание осадка [3]. Полиакриламид (ПАМ), широко используемый катионный флокулянт, широко применяется на очистных сооружениях сточных вод (ОССВ) благодаря своей низкой стоимости и высокой флокуляции [15]. В процессе флокуляции осадка ПАМ действует как соединительный мост между мелкими и крупными флоками осадка через нейтрализацию заряда и мостиковое связывание, тем самым увеличивая скорость фильтрации осадка [16], [17]. Однако, если используется только ПАМ, структура ЭПС не будет разрушена, и связанная вода останется в осадке, что приведет к постоянно высокому содержанию воды [18].

Сочетание PAM и низкой температуры может компенсировать недостатки низкотемпературной обработки и PAM в укреплении обезвоживания осадка. Комбинированная технология также избегает использования окислителей, тем самым минимизируя экологические риски, связанные с использованием химических веществ. Кроме того, термическая обработка может разрушать клетки осадка и изменять структуру микробного сообщества, что имеет потенциал для удаления ARG из осадка [11]. Однако остается пробел в исследованиях по удалению ARG с помощью термической обработки в сочетании с PAM в процессе усиленного обезвоживания осадка.

Это исследование направлено на изучение потенциального улучшения обезвоживания осадка с использованием комбинированного ПАМА при низкой температуре в условиях почти нейтральной среды (тепло-ПАМ). Время капиллярного всасывания (CST) и содержание воды использовались в качестве параметров для оценки эффективности обезвоживания. Основные цели данного исследования следующие: (1) исследовать влияние процесса тепло-ПАМ на обезвоживаемость осадка; (2) оценить изменения в содержании типичных тяжелых металлов и относительное содержание некоторых ARG в осадке после комбинированной обработки; (3) изучить соответствующие механизмы повышения эффективности обезвоживания осадка и оценить изменения в структуре микробного сообщества, чтобы выявить потенциальные механизмы удаления ARG из осадка.