（9728太阳集团张学海）活性污泥法作为20世纪环境工程领域的重大发明之一，在当今世界的污水处理中扮演着不可替代的角色。而污水生化处理过程不可避免地产生了大量的剩余污泥，已成为环境工程领域的关键共性技术问题。污泥是由微生物细胞、胞外聚合物（EPS）、无机矿物等组成的高度异质化聚集体，其含水率一般在 90%以上，具有触变性、高度可压缩、难脱水等特点。虽然以高压过滤为主流的深度脱水工艺已在我国大规模应用，并在污泥减量化过程中发挥着重要的作用，而其理论研究（尤其在污泥类凝胶结构与脱水性能的关联机制和化学调理的微界面过程等方面）却十分滞后。
近年来，张伟军副教授研究团队通过构建针对类凝胶结构关键组分——胞外聚合物（EPS）的表征体系，主要围绕污泥深度脱水和资源化这一问题，对污泥调理过程中EPS的微界面反应过程开展了系统研究，相关成果已经在环境领域的主流期刊发表SCI论文近20篇。近期取得的重要进展如下：
1.以水平电场强化污泥脱水过程为例，研究了电压、pH 和离子强度对污泥电脱水性能和电化学效应的影响，解析了不同电场运行参数和溶液化学条件下污泥 EPS溶解和微观形貌的区域化特征。结果显示，电渗透的运行参数主要是通过调控电化学过程来影响EPS溶解的区域化特征，进而对污泥的电渗透脱水行为产生影响。研究成果发表于Water Research。
2.提出了甲醇和无机混凝剂耦合调理强化污泥脱水性能的新型技术，阐明了耦合调理过程中污泥类凝胶结构的演变行为，发现了甲醇通过破坏蛋白质的水化层和诱导凝聚实现污泥结合水的脱除。研究成果发表于Water Research。
图1 甲醇和无机混凝剂耦合调控蛋白质分子构型强化污泥脱水性能的作用机制
研究团队开发了两种基于骨架助滤和有机高分子絮凝的厌氧消化污泥强化脱水新技术，揭示了联合调理的作用机制。针对厌氧消化污泥高氨氮和高磷酸盐等特点，采用诱导原位结晶骨架助滤耦合高分子絮凝，将污泥强化脱水和营养回收相耦合，提升污水处理的可持续性。研究发现原位结晶形成的磷酸铵镁结晶（MAP）可以通过吸附 EPS 促使絮体的致密化，改善污泥的过滤行为。此外，研究组还提出基于污泥炭基材料（sludge based carbon，SBC）骨架助滤耦合高分子聚合物絮凝调理技术，同步实现强化污泥脱水和去除难降解生物聚合物的目的。研究表明 SBC 不仅可充当骨架，降低污泥的可压缩系数，同时能够通过疏水作用吸附粘性的蛋白质和腐殖酸等。阳离子有机聚合物（阳离子聚丙烯酰胺和壳聚糖）可进一步促使污泥中蛋白质分子团聚，进一步改善污泥的过滤脱水性能。SBC的桥联作用能够明显提升絮体的结构强度和剪切恢复性能，从而表现出明显的协同效应。相关研究成果分别发表于Water Research 和 Chemical Engineering Journal。
图2 基于骨架物质助滤和有机高分子絮凝联合调质强化脱水的作用机制
文章列表
Bingdi Cao, Weijun Zhang*, Youjing Du, et al. Compartmentalization of extracellular polymeric substances (EPS) solubilization and cake microstructure in relation to wastewater sludge dewatering behavior assisted by horizontal electric field: Effect of operating conditions. Water Research, 2018, 130: 363-375.
Qiongying Xu Q, Qiandi Wang, Weijun Zhang*, et al. Highly effective enhancement of waste activated sludge dewaterability by altering proteins properties using methanol solution coupled with inorganic coagulants. Water research, 2018, 138: 181-191.
Qiandi Wang, Weijun Zhang*, Zhaoyi Yang, et al. Enhancement of anaerobic digestion sludge dewatering performance using in-situ crystallization in combination with cationic organic polymers flocculation. Water research, 2018, 146: 19-29.
Ning Wang, Weijun Zhang*, Bingdi Cao, et al. Advanced anaerobic digested sludge dewaterability enhancement using sludge based activated carbon (SBAC) in combination with organic polymers[J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 350: 660-672.
