剩余污泥取自西安市第三污水处理厂浓缩池，该水厂的处理规模为5×10⁴ m³·d⁻¹，采用改良型底曝氧化沟与滤布滤池组合工艺。剩余污泥基本特征：含水率 97.3%，pH 8.01~8.07，总固体含量 26.2 g·L⁻¹，COD 4 738.7 mg·L⁻¹，总氮 8.8 mg·L⁻¹，总磷 18.7 mg·L⁻¹。

六轴联合搅拌器(JJ-4，常州智博瑞仪器制造有限公司)；紫外-可见分光光度计(DR5000，美国哈希公司)；电子天平(CP213，奥豪斯仪器有限公司)；污泥比阻测定装置(TG-250，上海同广科教仪器有限公司)。

过硫酸钾(K₂S₂O₈)、七水合硫酸亚铁(FeSO₄·7H₂O)、氢氧化钠(NaOH)、蒽酮(C₁₄H₁₀O)、浓硫酸(H₂SO₄)、重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)均为分析纯。

采用布氏漏斗法^[12]测定污泥比阻；采用重量法^[13]测定污泥含水率；采用碱性过硫酸钾高压消解紫外分光光度法测定总氮^[14]；采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法测定总磷^[15]；采用修正的Folin-Lowry法^[16]和蒽酮-硫酸法^[17]测定污泥调理前后EPS中蛋白质和多糖的浓度变化；采用重铬酸钾法^[18]测定SCOD浓度变化。

EPS是微生物在一定条件下分泌于体外的一些高分子聚合物^[19]，按分布形式可分为溶解型EPS(SL-EPS)、松散型EPS(LB-EPS)和紧密型EPS(TB-EPS)^[20]。EPS的提取采用热提取法^[21]。

利用SPSS 24.0软件进行Pearson相关性分析，研究过硫酸钾不同投加量时与调理污泥上清液中SCOD含量的相关关系。P<0.001表示数据间极显著相关，P<0.01表示数据间显著相关，P<0.05表示数据间相关。

取100 mL实验原泥于烧杯中，投加药剂后，置于六联搅拌器上进行污泥脱水实验研究。本研究中实验参数的选择参照徐鑫^[22]和宋秀兰等^[9]的研究，具体实验参数如表1所示。

过硫酸钾投加量和Fe²⁺对污泥含水率和污泥比阻的影响结果如图1所示。由图1可以看出，随着过硫酸钾投加量的增加，污泥比阻和污泥含水率均表现为先降低后升高的趋势；Fe²⁺的投加提高了过硫酸钾调理剩余污泥脱水效果；与未投加亚铁离子和过硫酸钾的污泥含水率(97.30%)和污泥比阻(4.51×10¹² m·kg⁻¹)相比，过硫酸钾显著降低了污泥含水率和污泥比阻，从而改善了污泥的脱水效果。

在投加Fe²⁺离子时，过硫酸钾投加量从9 mmol·L⁻¹增加到15 mmol·L⁻¹，污泥含水率由84.36%降低到82.87%，污泥比阻由1.06×10¹² m·kg⁻¹降低到0.83 ×10¹² m·kg⁻¹；而过硫酸钾投加量从15 mmol·L⁻¹增加到21 mmol·L⁻¹，污泥含水率和污泥比阻均呈上升的趋势。这说明过硫酸钾投加量为15 mmol·L⁻¹时，污泥脱水效果最佳。未投加Fe²⁺离子的污泥含水率和污泥比阻变化趋势与投加Fe²⁺基本一致，且相同条件下污泥含水率和污泥比阻值显著高于投加Fe²⁺的结果。这说明Fe²⁺离子投加对污泥脱水起到促进作用。在投加Fe²⁺离子时，对不同过硫酸钾投加量下污泥含水率在置信区间为95%条件下进行显著性分析，得P=0.012<0.05，表明了不同条件下含水率间有显著性差异。常温下，如式(1)所示，Fe²⁺能够活化${{\rm{S}}_2}{\rm{O}}_8^{2 - }$产生${\rm{SO}}_4^- {\cdot} $，${\rm{SO}}_4^- {\cdot} $破坏污泥絮体结构，促进污泥脱水^[23]；然而当pH为3~5时，如式(2)所示，过量的Fe²⁺会与${\rm{SO}}_4^- {\cdot} $发生自我消除反应，消耗${\rm{SO}}_4^- {\cdot} $生成${\rm{SO}}_4^{2 - }$^[24]。降低了活化基团${\rm{SO}}_4^ - $·的含量，从而降低污泥脱水效果。

不同硫酸亚铁投加量条件下污泥含水率和污泥比阻的分布结果见图2。由图2可见，硫酸亚铁投加量对污泥含水率及比阻有较大的影响。随着硫酸亚铁投加量的增加，污泥含水率和污泥比阻呈现先降低后增加的趋势，在投加量为18 mmol·L⁻¹时污泥含水率和污泥比阻最低，污泥脱水效果最佳。硫酸亚铁投加量由15 mmol·L⁻¹增加到18 mmol·L⁻¹时，含水率和污泥比阻值分别由79.06%和0.62×10¹² m·kg⁻¹降低至78.89%和0.30×10¹² m·kg⁻¹；当硫酸亚铁由18 mmol·L⁻¹增加至27 mmol·L⁻¹时，污泥含水率和污泥比阻逐渐增加，污泥脱水效果变差。Fe²⁺与${{\rm{S}}_2}{\rm{O}}_8^{2 - }$的投加比影响了硫酸根自由基的活化效果，进而影响其对污泥絮体的氧化性能。在合适的Fe²⁺投加量条件下，可使${{\rm{S}}_2}{\rm{O}}_8^{2 - }$活化达到最佳效果，从而提高污泥脱水效果。当${{\rm{S}}_2}{\rm{O}}_8^{2 - }$浓度为18 mmol·L⁻¹，Fe²⁺投加量为15 mmol·L⁻¹ (即Fe²⁺与${{\rm{S}}_2}{\rm{O}}_8^{2 - }$投加比例为1.2∶1)时，含水率和污泥比阻降低，可达到较佳的脱水效果，该结果与宋秀兰等^[9]的研究结果相似。也有研究^{[11, 22]}表明，两者的最佳投加比例为1∶1时，硫酸根自由基含量较高，对污泥絮体破坏程度较大，其脱水效果较好。过量Fe²⁺与硫酸根自由基发生反应被氧化为Fe³⁺，消耗一部分硫酸根自由基，进而影响硫酸根自由基对污泥絮体的氧化，絮体结构破坏程度降低，污泥比阻和含水率增大。此外，根据已有研究^[25-26]可知，通过化学调理，将污泥含水率降至80.00%左右后，通过板框压滤机进行深度脱水，可将污泥含水率降至53.80%，通过超高压压滤技术可将污泥含水率降低至36.85%。因此，本研究结果在实际工程中具有一定的应用潜力。

不同反应时间条件下污泥含水率和污泥比阻分布结果见图3。由图3可见，随着时间的增加，污泥含水率与污泥比阻呈现先降低后基本保持恒定的趋势，当反应时间≤20 min时，污泥含水率和污泥比阻随时间的增加逐渐降低；在反应时间为20 min时，污泥含水率和污泥比阻最低，分别为80.37%和0.47×10¹² m·kg⁻¹，污泥脱水效果最佳；当反应时间>20 min时，污泥含水率和污泥比阻基本保持恒定。这主要由于${\rm{SO}}_4^ - $·具有较高的氧化性，污泥在反应前20 min内迅速被氧化破解，但随反应时间的增加，污泥胞内有机物中较为容易氧化的物质逐渐减少，使得在20 min后，污泥脱水效果基本保持恒定^[22]。

不同pH条件下污泥含水率和污泥比阻的分布情况如图4所示。由图4可见，pH对污泥含水率和污泥比阻影响较大，中性条件下污泥含水率和污泥比阻较低，污泥脱水效果较佳，该结果与相关研究结果^[21]一致。当pH为3~7.5时，污泥含水率和污泥比阻呈现下降趋势；在pH为7.5时，污泥含水率和污泥比阻值均达到最低，分别为80.33%和0.68×10¹² m·kg⁻¹；当pH大于7.5时，污泥含水率和污泥比阻呈现上升趋势。过硫酸钾在不同pH条件下产生自由基的浓度不同，主要机理^[27]参考式(3)~式(7)，在酸性条件下，催化反应会加速自由基的形成，而自由基浓度较高时，会发生自我消除反应，导致与污泥作用的自由基浓度较小，对污泥絮体的改善不足。该过程参考式(2)~式(5)，随着pH的增大，自由基生成速度降低，自由基浓度未达到自我消除的浓度范围，生成的自由基均用于调理污泥，破坏污泥絮体结构；当pH增大到碱性条件时，由于Fe²⁺会与OH⁻生成氢氧化物沉淀^[28]，导致激发硫酸根自由基的能力降低，对污泥絮体的破坏能力较小，反应见式(6)。因此，Fe²⁺活化过硫酸钾的最佳反应pH为7.5。

过硫酸钾、硫酸亚铁、反应时间和pH对污泥脱水效果的影响表明：过硫酸钾调理污泥的关键机制是严格控制Fe²⁺离子与过硫酸钾的摩尔比，确保硫酸根自由基的高生成率，以达到提高污泥脱水效果的目的。为进一步研究硫酸根自由基的生成率与污泥絮体结构组分变化的关系，研究了过硫酸钾投加量对SCOD和污泥EPS组分的影响，结果如图5和图6所示。过硫酸钾投加量对SCOD含量的影响结果如图5所示。由图5可见，随着过硫酸钾投加量的增加，SCOD含量逐渐增加。图5(a)为投加Fe²⁺离子时SCOD的变化情况。SCOD含量与过硫酸钾投加量呈显著正相关关系(r=0.964，P=0.01)，在过硫酸钾为最大投加量时，SCOD含量可达到峰值。图5(b)是未投加Fe²⁺离子时SCOD的变化情况。与投加Fe²⁺离子相比，未投加Fe²⁺离子时SCOD含量变化趋势基本相同，其与过硫酸钾投加量呈显著正相关关系(r=0.972，P=0.01)。其原因为，污泥脱水过程中过硫酸钾氧化促使污泥细胞及絮体稳定性破坏，导致絮体间的有机物和细胞内的有机物释放到上清液，SCOD的含量增加。SCOD值可用于表征污泥絮体的破坏程度和溶出效应^[29]，SCOD含量增加，表明污泥絮体破解，胞内物质溶出，有利于结合水的释放，从而降低污泥含水率。

过硫酸钾投加量对EPS不同组分分布的影响结果如图6所示。由图6可见，过硫酸钾投加量对EPS不同组分含量分布有较大影响。图6(a)和图6(c)分别是投加Fe²⁺时，蛋白质和多糖含量的变化情况。随着过硫酸钾投加量的增加，SL-EPS和LB-EPS中蛋白质和多糖浓度均呈先升高后降低的变化趋势，在15 mmol·L⁻¹时达到最大值；而TB-EPS中蛋白质和多糖浓度呈现相反趋势，在15 mmol·L⁻¹时达到最小值。图6(b)和图6(d)分别是未投加Fe²⁺时蛋白质和多糖含量的变化情况。与投加Fe²⁺离子相比，未投加Fe²⁺离子时，EPS不同组分含量变化趋势大致相同。由于过硫酸根离子未被活化，氧化性较低，不同类型EPS不同组分的含量均偏高。有研究^[30]表明，SL-EPS和LB-EPS中蛋白质和多糖含量与污泥脱水性能呈正相关关系；相反，TB-EPS中蛋白质和多糖含量的增加对污泥脱水起抑制作用。TB-EPS中含有较少的结合水，但其对污泥絮体、微生物细胞以及结合水具有较大的黏附和附着作用，导致污泥脱水困难^[31]。硫酸根自由基能够氧化TB-EPS，从而分解污泥基质；同时使得附着的微生物细胞被氧化，促使污泥絮体中的自由水释放，达到污泥脱水的目的。该结果与MO等^[32]研究一致。

1) Fe²⁺活化过硫酸钾调理剩余污泥可显著改善污泥脱水性能。K₂S₂O₈和Fe²⁺离子投加量、反应时间与pH均对过硫酸钾改善污泥脱水性能具有显著影响。

2)污泥脱水性能最佳反应条件为pH=7.5，过硫酸钾和Fe²⁺投加量分别为15 mmol·L⁻¹和18 mmol·L⁻¹时，在最佳反应条件下含水率为78.89%、污泥比阻值为3.04×10¹¹ m·kg⁻¹。

3)过硫酸钾投加量与污泥上清液中SCOD呈现显著正相关关系，且影响污泥不同类型EPS含量的分布，其中TB-EPS的减少使得污泥絮体解体，释放部分胞内水，从而改善污泥的脱水性能。