（環(huán)境學院張學海）活性污泥法作為20世紀環(huán)境工程領域的重大發(fā)明之一，在當今世界的污水處理中扮演著不可替代的角色。而污水生化處理過程不可避免地產(chǎn)生了大量的剩余污泥，已成為環(huán)境工程領域的關鍵共性技術問題。污泥是由微生物細胞、胞外聚合物（EPS）、無機礦物等組成的高度異質化聚集體，其含水率一般在 90%以上，具有觸變性、高度可壓縮、難脫水等特點。雖然以高壓過濾為主流的深度脫水工藝已在我國大規(guī)模應用，并在污泥減量化過程中發(fā)揮著重要的作用，而其理論研究（尤其在污泥類凝膠結構與脫水性能的關聯(lián)機制和化學調理的微界面過程等方面）卻十分滯后。

       近年來，張偉軍副教授研究團隊通過構建針對類凝膠結構關鍵組分——胞外聚合物（EPS）的表征體系，主要圍繞污泥深度脫水和資源化這一問題，對污泥調理過程中EPS的微界面反應過程開展了系統(tǒng)研究，相關成果已經(jīng)在環(huán)境領域的主流期刊發(fā)表SCI論文近20篇。近期取得的重要進展如下：

       1.以水平電場強化污泥脫水過程為例，研究了電壓、pH 和離子強度對污泥電脫水性能和電化學效應的影響，解析了不同電場運行參數(shù)和溶液化學條件下污泥 EPS溶解和微觀形貌的區(qū)域化特征。結果顯示，電滲透的運行參數(shù)主要是通過調控電化學過程來影響EPS溶解的區(qū)域化特征，進而對污泥的電滲透脫水行為產(chǎn)生影響。研究成果發(fā)表于Water Research。

       2.提出了甲醇和無機混凝劑耦合調理強化污泥脫水性能的新型技術，闡明了耦合調理過程中污泥類凝膠結構的演變行為，發(fā)現(xiàn)了甲醇通過破壞蛋白質的水化層和誘導凝聚實現(xiàn)污泥結合水的脫除。研究成果發(fā)表于Water Research。

圖1 甲醇和無機混凝劑耦合調控蛋白質分子構型強化污泥脫水性能的作用機制

       研究團隊開發(fā)了兩種基于骨架助濾和有機高分子絮凝的厭氧消化污泥強化脫水新技術，揭示了聯(lián)合調理的作用機制。針對厭氧消化污泥高氨氮和高磷酸鹽等特點，采用誘導原位結晶骨架助濾耦合高分子絮凝，將污泥強化脫水和營養(yǎng)回收相耦合，提升污水處理的可持續(xù)性。研究發(fā)現(xiàn)原位結晶形成的磷酸銨鎂結晶（MAP）可以通過吸附 EPS 促使絮體的致密化，改善污泥的過濾行為。此外，研究組還提出基于污泥炭基材料（sludge based carbon，SBC）骨架助濾耦合高分子聚合物絮凝調理技術，同步實現(xiàn)強化污泥脫水和去除難降解生物聚合物的目的。研究表明 SBC 不僅可充當骨架，降低污泥的可壓縮系數(shù)，同時能夠通過疏水作用吸附粘性的蛋白質和腐殖酸等。陽離子有機聚合物（陽離子聚丙烯酰胺和殼聚糖）可進一步促使污泥中蛋白質分子團聚，進一步改善污泥的過濾脫水性能。SBC的橋聯(lián)作用能夠明顯提升絮體的結構強度和剪切恢復性能，從而表現(xiàn)出明顯的協(xié)同效應。相關研究成果分別發(fā)表于Water Research 和 Chemical Engineering Journal。

圖2 基于骨架物質助濾和有機高分子絮凝聯(lián)合調質強化脫水的作用機制

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       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.