近期，在国家重点研发计划（No.2022YFE0208800）、国家自然科学基金（No.52270117）的资助下，我院朱洪涛课题组在污泥资源化领域取得一定进展，部分成果发表在《Water Research》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Cleaner Production》、《Science of the Total Environment》、《Chemosphere》等环境领域或工程领域的TOP期刊上。介绍如下：

（1）基于MOF-808系列复合材料促进产酸和磷回收的论文

Long Chen, Shixin Zhai, Lisha Yang, Kai Chen, Zhuo Li, Tong Yu, Haijiao Xie, Hongtao Zhu*. 2024. Self-enhancement of phosphorus recovery from anaerobic fermented sludge with MOF-808 synthesized with an improved green method. Chemical Engineering Journal. 479, 147880.（IF=15.1）

Long Chen, Xiangyue Zhang, Jianming Zhu, Helin Fan, Zimu Qin, Jun Li, Haijiao Xie, Hongtao Zhu*. 2024. Peroxydisulfate activation and versality of defective Fe3O4@MOF-808 for enhanced carbon and phosphorus recovery from sludge anaerobic fermentation. Water Research, 254, 121401.（IF=12.8）

Long Chen, Bizhen Zeng, Nasir Ali Khan, Xiaohan Zhi, Yifeng Zhang, Haijiao Xie, Hongtao Zhu*. 2024. Synergy in Nano-Fe3O4 and MOF-808 composites enriches their applications in sludgeg anaerobic fermentation. Chemical Engineering Journal. 493, 152471.（IF=15.1）

以上论文第一作者均为我院博士研究生陈隆，北京林业大学为第一完成单位。

在剩余活性污泥厌氧发酵过程中回收磷是解决磷资源短缺和实现磷可持续发展的重要手段之一。针对当前磷吸附剂存在吸附性能差、造价昂贵、生物相容性差、吸附剂/污泥分离困难等问题，本研究采用微波法合成MOF-808并用于污泥发酵液中回收高浓度磷。探究了发酵液成分以及发酵液粘度和厌氧环境对MOF-808吸附磷酸盐性能的影响并采用吸附动力学、热力学和第一性原理等分析明确吸附机理，评估了MOF-808在实际发酵系统中回收磷酸盐的潜力。结果表明，由于厌氧发酵的酸化作用和较高的发酵温度，MOF-808对磷酸盐吸附能力比在磷酸盐水溶液中要高出~5 mg P/g。MOF-808对磷酸盐的吸附主要是配体交换。此外，MOF-808通过非生物催化作用还提高了污泥的水解效率。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147880

剩余活性污泥是一种富含碳、磷的重要资源。虽然挥发性脂肪酸（VFAs）和磷酸盐可以在厌氧发酵过程中产生或释放到液相中，但提高VFAs的产量的同时以快速、经济方式回收磷酸盐仍具有挑战性。提出了一种新的调控策略，即利用微波法和水热法将Fe3O4负载到MOF-808中以此赋予MOF-808磁性、电子传导性和产生缺陷结构增强其催化活性和磷吸附性能。研究表明，Fe3O4@MOF-8081.5复合材料具有良好磷吸附性能，更高的电子交换强度和电子传递能力，更低的活化能，表明其可通过氢键网络实现质子的传输。此外， Fe(II)-O-Zr(IV)间的D-d反馈相互作用，使Fe(II)更易失去电子。复合材料作为电子受体与CH3•S•CoM竞争电子可抑制产甲烷过程，使VFAs产量提高1.68倍和液相磷酸盐的全部回收。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152471

基于上述研究，由于复合材料中Fe(II)的失电子能力被增强，为了进一步提高VFAs产率，本研究采用复合材料活化过硫酸盐预处理污泥，复合材料/过硫酸盐系统产生的强氧化还原环境和对微生物间H+、电子的调控综合实现了VFAs高产量（+732.73%）、固相磷释放（+1592.95 %）和磷回收（92.64%）。具有稳定结构的复合材料表现出磁回收性，低毒性和高生物相容性，在厌氧发酵中回收碳/磷资源具有可行性和成本效益，本研究为电活性MOFs材料的应用以及开发新型污泥资源化技术提供了重要的理论基础技术支撑。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121401

（2）利用机器学习模型预测污泥产酸性能

Shixin Zhai, Kai Chen, Lisha Yang, Zhuo Li, Tong Yu, Long Chen, Hongtao Zhu*. 2024. Applying machine learning to anaerobic fermentation of waste sludge using two targeted modeling strategies. Science of the Total Environment, 916, 170232.

论文第一作者为我院硕士研究生翟士鑫，北京林业大学为文章第一完成单位。

厌氧发酵是从废活性污泥中获取挥发性脂肪酸(VFAs)的有效方法。准确预测和优化VFAs的产量对厌氧发酵工程至关重要。本项研究基于两种建模策略，构建精确预测实验室厌氧发酵反应器中VFAs日产量的机器学习模型。策略1侧重于模型可解释性，以理解感兴趣的变量对VFAs产量的影响，而策略2考虑了变量获取的成本，使其更适合于实际工程应用中的预测和优化。结果表明，支持向量回归（SVR）是本研究中最有效的模型，两种策略中的SVR的测试R2分别为0.949和0.939。进行了特征重要性分析，以确定影响VFAs产生的关键因素。使用部分依赖图和SHAP分析提供了详细的解释。为了优化VFAs的生产，将所建立的模型与优化算法相结合，得到VFAs的最大产量为2997.282 mg/L，该值比反应器运行数据的平均VFAs高45.2%。本研究为污泥厌氧发酵中VFAs产量的预测和优化提供了有价值的见解，并为从废弃活性污泥中生产VFAs的工程实践提供了参考。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170232

（3）从生命周期视角评价污泥处理与资源化技术路线

Huibin Yuan, Shixin Zhai, Hao Fu, Zhuo Li, Dongfeng Gao, Hongtao Zhu*. 2024. Environmental and economic life cycle assessment of emerging sludge treatment routes. Journal of Cleaner Production, 449, 141792.

论文第一作者为我院硕士研究生原会斌，北京林业大学为文章第一完成单位。

新兴污泥处理路线进行大规模应用之前需要对其进行系统级的环境影响与经济成本分析。本研究基于标准化的生命周期评估和生命周期成本核算方法，以厌氧消化和堆肥两种传统污泥处理技术路径作为对比，评估了厌氧发酵（碳源回收）、热解、水热碳化和碱热水解（蛋白回收）四种新兴污泥处理路径的生命周期环境影响和生命周期成本。结果表明，在环境污染与碳排放控制及生命周期成本方面，传统路线厌氧消化均是最优的选择。新兴路线厌氧发酵和碱热水解的碳源回收和蛋白质回收带来的环境效益十分显著，但其能源和材料的高消耗带来了相当大的环境负担。而热解和水热碳化由于能源回收和较小的消耗在总环境影响方面优于传统污泥处理路线。厌氧发酵和热解的经济绩效优于传统路线好氧堆肥，而水热碳化和碱热水解由于能源与材料的高投入，成本为好氧堆肥的1.3倍左右。此外，敏感性分析表明，新兴处理路线对能源和资源的回收与消耗十分敏感，因此降低新兴路线的能源与资源投入，会大幅降低其环境影响和成本投入，从而发挥出其资源回收的优势。本研究可为新兴污泥处理路线的优化和应用提供理论依据。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.141792

（4）促进污泥产酸的新动态膜反应器工艺

Lisha Yang, Kai Chen, Long Chen, Shixin Zhai, Zhuo Li, Hongtao Zhu. 2024. Separation of nutrients from SCFAs with a dynamic membrane in a sludge anaerobic fermenter. Chemosphere, 355, 141824.

论文第一作者为我院硕士研究生杨丽莎，北京林业大学为文章第一完成单位。

分离和回收污泥发酵液中的短链脂肪酸（SCFAs）、铵离子和磷酸盐的复杂性和高成本阻碍了污泥厌氧发酵的应用。本研究发现了一个有趣的现象，在污泥厌氧发酵反应器中使用动态膜不仅能提高SCFAs的产量，还能将大部分SCFAs保留在反应器中。动态膜在形成过程中，对NH3-N/SCFAs和PO43-/SCFAs的分离系数分别约为40和80。分析表明，动态膜对SCFAs的截留不能简单地与分子量或膜孔径相关联。截留机制可能主要是Donnan排斥效应。动态膜对SCFAs的截留可归因于带负电荷的泥饼层和R-COO-之间的静电排斥；在带正电的NH4+和带负电的动态膜之间的静电吸引作用下，反应器中的大部分NH4+都能穿过动态膜。此外，动态膜层的生物降解也可能有所贡献。这项研究的结果表明，动态膜作为一种回收营养物质的经济技术具有很大的潜力，为污泥资源化利用提供了一种新的策略。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.141824

作者：陈隆、翟士鑫、原会斌、杨丽莎；审稿：齐飞 | 编辑：王荣芳；审核：郭世怀