第一作者：Jinling He
通讯作者：高品 教授/张艾 副教授
通讯单位：东华大学环境科学与工程学院
DOI:10.1016/j.cej.2023.148041
本研究报告了污水污泥衍生生物炭（SBC）作为过一硫酸盐（PMS）活化剂的潜在用途，以提高废弃活性污泥（WAS）的溶解度以及厌氧消化过程中短链脂肪酸（SCFA）的产生。WAS 高温分解产生的 SBC 具有由金属物种和 C = O 基团组成的活性位点，可有效活化 PMS。经 SBC 活化的 PMS（PMS/SBC）可破坏 WAS 中的细胞结构，释放出大量有机物，提高水解速度，促进随后的 SCFA 生成。与对照组相比，当 PMS 剂量为 0.14 g/g VSS（挥发性悬浮固体）、SBC 剂量为 0.24 g/g VSS 时，PMS/SBC 处理可使 SCFA 产量提高 801%。此外，PMS/SBC 还能降解 WAS 中的难降解有机污染物（磺胺甲噁唑的去除率大于 63%），从而提高 SCFA 的质量。机理研究表明，SBC 可激活 PMS 产生 -SO4-、1O2 和 -OH。这些物质对污泥增溶的贡献率为 1O2 > -OH > -SO4-，其中 SBC 上的表面结合自由基发挥了主要作用。此外，在污泥厌氧发酵过程中，PMS/SBC 处理富集了水解菌和 SCFA 形成菌，并增加了产生 SCFA 的关键基因的表达，这也有助于 SCFA 的积累。这项工作为 SBC 活化 PMS 的机制及其在 WAS 资源利用中的潜在应用提供了新的见解。
Fig. 1. (a) Scanning electron microscopy (SEM) images of sewage sludge-derived biochar (SBC); (b) N2 adsorption–desorption isotherms and pore size distribution of SBC; (c) Energy dispersive spectrometry (EDS) analysis of SBC; (d) Fourier transform infrared (FTIR) spectra of SBC.
Fig. 2. Effects of SBC-activated PMS (PMS/SBC) and corresponding treatments on the (a) concentration of soluble chemical oxygen demand (SCOD) of sludge; (b) percentage of living cells in sludge and photographs of live-dead microbes; (c) SEM micrographs of sludge (PMS dosage = 0.14 g/g VSS, SBC dosage = 0.24 g/g VSS).
Fig. 3. Variations of excitation-emission matrix (EEM) spectra (a) and fluorescence response percentage (b) of sludge dissolved organic matter (DOM) after different treatments (PMS dosage = 0.14 g/g VSS, SBC dosage = 0.24 g/g VSS).
Fig. 4. Variations of (a) short-chain fatty acids (SCFAs), (b) SCFAs components at 10d, (c) SCOD, and (d) pH during sludge anaerobic fermentation (PMS dosage = 0.14 g/g VSS, SBC dosage = 0.24 g/g VSS).
Fig. 5. Performance of PMS, SBC, and PMS/SBC treatments on sulfamethoxazole (SMX) removal in waste activated sludge (WAS) ([SMX] = 1000 μg/g TS). (a) SMX removal efficiency, (b) SMX removal rate constants (Kobs) (0.14 g/g VSS PMS and 0.24 g/g VSS SBC).
Fig. 6. Electron paramagnetic resonance (EPR) spectrum of reactive radicals ((a) •OH and •SO4−, (b) 1O2 released during the PMS/SBC treatment.
Jinling He, Qingchen Wu, Nan Jiang, Ai Zhang, Lin Wang, Xiang Li, Gang Xue, Hong Chen, Pin Gao, Activation of peroxymonosulfate by sewage sludge-derived biochar to promote short-chain fatty acid production during sludge anaerobic fermentation, Chemical Engineering Journal, 2024, https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148041
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