首先研究了单独臭氧氧化对剩余污泥脱水性能的影响，如图1所示，剩余污泥的毛细吸水时间（CST）和泥饼含水率（W_sc）均随臭氧氧化时间的增加呈现先减小后增大的趋势。CST和W_sc的最低点均出现在7.5 min。7.5 min前，CST和W_sc迅速下降，7.5 min后迅速上升。如图1（a）所示，臭氧7.5 min时，CST从21.5 s下降到12.7 s，10 min时，CST又上升到14.7 s。从图1（b）可以看到，W_sc也在7.5 min时达到最低点。实验条件下臭氧消耗与臭氧氧化时间的关系如图2所示。臭氧消耗在7.5 min时达到平稳期，此后不再升高。

图1 臭氧氧化时间对剩余污泥(a) CST 和 (b) W_sc 的影响

图2 臭氧消耗量与臭氧氧化时间的关系

其次通过设计正交实验，以CST 和 W_sc为响应值，研究磁场强度、磁化时间和臭氧氧化时间对剩余污泥脱水性能的影响并预测最佳实验操作条件。模型的回归分析总结如表1所示，CST 和 W_sc的优化模型为：

表1回归结果分析

p＜0.05代表显著不同；R²_CST=0.7742, R²_Wsc=0.9035

基于模拟模型，优化的预处理条件为磁场强度20 mT、磁化时间15 min、臭氧氧化时间8.4 min，此时W_sc和CST的模拟输出分别为84.5%和13.3 s。为了验证模型结果，在优化条件下对同一批剩余污泥样品进行了三次试验。结果W_sc为85.7 ±0.8%、CST为13.6±0.4 s。预测值与实验值的最大相对误差不超过2.5%，证明实验结果与预测值拟合良好。

一般认为，EPS作为关键物质控制着胶体的水结合能力和稳定性，是影响剩余污泥脱水性能的关键因素。为了研究臭氧氧化和磁化对剩余污泥脱水性能的影响机理，对处理前后剩余污泥的EPS进行了测量，结果如图3所示。在两种条件下，S-EPS和LB-EPS中蛋白质和多糖含量均显著高，TB-EPS中蛋白质和多糖含量均显著降低。其原因可能是氧化剂不仅导致细胞内物质和TB-EPS物质的释放，还引发了污泥细胞的破裂。与单纯臭氧化处理的剩余污泥相比，预磁化和臭氧化处理后  S-EPS和LB-EPS中的蛋白质含量显著增加，说明后者对剩余污泥内部结构的影响更大。不同处理条件下剩余污泥的TOC结果也可以证明这一点，如图4所示。臭氧氧化及磁化-臭氧联合处理后总TOC的增加再次验证了预磁化-臭氧氧化对污泥细胞和EPS的破坏能力以及矿化细胞外生物聚合物的能力。

图3 不同处理条件对剩余污泥EPS中 (a) 蛋白质和 (b) 多糖的影响

图4不同处理条件对剩余污泥TOC 的影响

此外，还研究了臭氧氧化以及磁化对剩余污泥粒径以及内部结构的影响。由表2可知，处理后剩余污泥的粒径明显减小。经臭氧氧化后，剩余污泥的D₅₀由92.4 μm降至84.9 μm，表明臭氧对剩余污泥衬底具有较强的破坏能力。经过预磁化和臭氧氧化处理后，剩余污泥的D₅₀进一步降低到63.6 μm。这表明，预磁化和臭氧氧化处理在降低剩余污泥粒径方面表现出比单独臭氧处理更大的调节能力。

由图5可以看到，原污泥呈片状，表面粗糙且不规则，但结构良好且平整(图5（a）)。由于污泥絮团结构中存在大量的污泥微生物胶束，所以没有出现破碎。在图5（b）和图5（c）中，经过调节后，剩余污泥变得更加多孔。絮凝体之间较大的裂缝和孔隙为机械压缩条件下水分的释放提供了良好的通道。在EPS破坏过程中，剩余污泥间隙中的水分被释放，使剩余污泥粒径大大减小，并形成裂缝和孔隙。

表2 剩余污泥的粒径变化

图5 (a) 原污泥、（b）臭氧氧化污泥和（c）磁化和臭氧氧化污泥的SEM图像