近日，广东以色列理工学院环境工程专业在读博士生、2022届生物技术与食品工程专业本科毕业生蒋奕张在环境科学与技术领域国际顶级期刊《Environmental Science & Technology》（EST，IF=12.2）发表了题为《Unraveling the Bound-Water Removal Mystery: Preoxidation Enhances Sludge Dewatering via Cell Permeabilization and Transformation of Intracellular Polymeric Substances to Extracellular Polymeric Substances》的研究论文。广以环境工程专业博士生蒋奕张为第一作者，广以环境工程专业肖可可副教授为通讯作者。

研究系统追踪了预氧化过程中“氧化强度—细胞活性—有机组分迁移—脱水性能”的耦合关系，提出以细胞膜透化而非细胞裂解为核心的污泥脱水强化机制，并给出最优氧化剂量，为污泥深度减量与工程调控提供了可监测的判据。

关于该研究

剩余活性污泥产量随污水处理规模持续攀升，其含水率高、体积大，脱水难是污泥减量化的一大难题。2022年9月22日，中华人民共和国国家发展和改革委员会印发《污泥无害化处理和资源化利用实施方案》（发改环资（2022）1453号）的通知中强调，有序推进污泥焚烧处理。作为污泥焚烧的前处理步骤，污泥脱水可提升污泥热值，显著降低运行能耗。

污泥中的水分以自由水与结合水两种形态赋存：常规絮凝与机械脱水可移除大部分自由水，但被胞外聚合物与细胞结构“锁住”的结合水难以去除。预氧化借助羟基自由基、硫酸根自由基等活性基团破坏胞外聚合物-水的相互作用，被视为最具潜力的强化手段，但长期以来其作用机理多被归因于“细胞裂解、释放胞内水”和“氧化程度过轻无效、过量有害”的推断，缺少直接证据。

研究以剩余活性污泥为对象，设置 0-0.4 mmol/g 挥发性固体物质的氧化药剂（即过硫酸氢钾复合盐）投加梯度，结合一系列分析手段，如流式细胞仪（区分完整细胞、透化细胞与细胞碎片）与激光共聚焦显微镜（区分活死细胞）测定细胞活性，分析有机组分在可溶性、疏松结合型、紧密结合型胞外聚合物以及胞内聚合物四个层级间的迁移，建立其与污泥脱水性能之间的关联性。

结果表明，0.2 mmol/g 挥发性固体物质含量的过硫酸氢钾复合盐为最佳投加量：脱水污泥饼含水率由原泥的 73.3% 降至 63.6%；此时完整自由细胞占比最高、细胞碎片最少。当投加量升至 0.3-0.4 mmol/g 挥发性固体物质，污泥絮体明显破碎、中位粒径下降，碎片与亲水性物质持续累积，脱水性能随之恶化。可见决定成败的并非“氧化强度有多强”，而是“细胞被破坏到何种程度”。

机制层面，脱水性能的提升主要源于低分子量（<20 kDa）蛋白与多糖由胞内向胞外的转移，以及胞外聚合物中亲水性最强的葡萄糖与肽聚糖被选择性降解。从胞内迁移至胞外的有机物，主要来自革兰氏阴性菌的细胞组分。研究同时揭示，胞内物质对脱水的影响显著且与胞外聚合物作用机制不同：随氧化强度提高，疏松型胞外聚合物中蛋白/多糖比持续上升，但在胞内反而下降；羧基与内酯基在可溶性胞外聚合物和疏松型胞外聚合物中减少，但胞内聚合物中的羧基却增加；胞内聚合物的疏水性组分在各投加量下均高于胞外聚合物。过量氧化造成细胞破裂与亲水性碎片堆积，不利于污泥脱水。

该工作把“适度氧化”从经验操作变成可监测的机理判据：工程上可通过透化细胞与细胞碎片的比例、以及胞内胞外有机物组分的变化判断氧化程度是否到位，避免“过度氧化”损伤脱水性能；同时研究结果也显示，污泥胞内有机物这一长期被忽略的组分在污泥脱水中的作用不容低估。

论文链接

https://doi.org/10.1021/acs.est.6c14464

期刊介绍

《Environmental Science & Technology》由美国化学学会主办，创刊于1967年，至今已有近60年历史，是环境科学与工程领域公认的旗舰期刊之一。该刊在环境化学、污染控制、环境工程与可持续技术等方向具有重要国际影响力，是环境领域高水平原创成果的重要发表平台。

资助项目

本研究得到以色列理工学院-广东以色列理工学院种子项目，国家自然科学基金面上项目（52170133），广东省普通高校特色创新类项目（2024KTSCX160），广以理工常州创新研究院种子和初创科研项目，广东省能量转换材料与技术重点实验室（MATEC2022KF011），教育部高校青年教师科研创新能力支持项目（SRICSPYF-BS2025045）资助经费等支持。

文：肖可可、GTIIT传媒与公共事务部

图：肖可可