水热碳化技术强化污泥厌氧消化：提升污水处理厂资源回收效率的创新路径

本研究针对城市污泥处理难题，创新性地将水热碳化(HTC)与厌氧消化(AD)技术耦合，系统探究了180-260°C处理条件下废活性污泥(WAS)的转化机制。研究发现温和条件(180°C/30min)产生的液态产物(AHL)甲烷产率提升33%，重金属主要富集于水热炭(HC)相，为污泥减量化、能源化与安全处置提供了关键技术支撑。

　　

随着城市化进程加速，全球污水处理厂每年产生约1.3亿吨污泥，传统厌氧消化技术面临有机物降解效率低、重金属污染制约资源化利用等瓶颈。瑞典Kungs?ngen污水处理厂的研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究，通过水热碳化预处理技术开辟了新路径。

研究团队采用阶梯式实验设计（180°C/210°C/260°C，30-120min），结合元素分析、van Krevelen图谱和生化甲烷潜能(BMP)测试，系统解析了HTC温度-时间耦合效应对产物特性的影响。关键发现包括：温和条件(180°C/30min)最大程度保留可降解有机物，AHL甲烷产率达387 NmL CH₄ g^-1 VS；而高温条件(260°C)促进碳稳定化，HC的O/C比降至0.08，更适合土壤改良。重金属分布研究显示，80%的Cd、Pb等污染物被锁定在HC相，但Cd含量仍超瑞典REVAQ标准，这为后续污染控制提供了明确靶点。

3.1 重金属分布特征
通过三年监测数据揭示：初级污泥富集60-80%重金属，而WAS仅含20-40%，为分级处理提供理论依据。Ni在出水中的异常富集现象提示需要优化二级处理工艺。

3.2 水热碳化处理效果
随HTC强度增加，HC产率从0.66 kg_HC kg_WAS^-1降至0.58，VS含量下降27%，但825°C煅烧灰分稳定在0.31-0.32 kg_ash kg_WAS^-1。元素分析显示碳损失主要源于脱羧反应，260°C处理使HC氧含量降低58%。

3.3 生化甲烷潜能
COD/VS比值揭示180°C产物以蛋白质为主（比值1.2-1.4），而260°C产物富含脂类（比值达2.5）。AHL_180/30甲烷产速最快（23天完成降解），较原始WAS缩短15%。

3.4 质量平衡分析
中试推算显示：年处理42,500吨WAS时，HTC-AD组合可使消化污泥量减少84%，同时产出1,391吨HC。尽管总甲烷产量降低31%，但单位AHL产甲烷效率提升显著。

3.5 重金属行为
Cd在HC中的富集系数达1.45倍，虽经HTC稳定化仍超标（0.92 mg kg_TS^-1 vs 限值0.83），这为后续污泥源头控制提出了明确警示。

该研究创新性地证明：HTC作为"分子剪刀"可定向调控污泥组分流向——液态组分强化能源回收，固态组分实现污染控制。特别值得注意的是，AHL与初级污泥共消化策略，既能利用现有消化池86%容量处理更多污水，又可产出符合农用标准的消化污泥。研究团队提出的温度-时间-产物特性关联模型，为不同处理目标（能源最大化/碳封存）提供了精准调控依据。未来研究需重点关注Cd的源头控制与HC稳定化技术的协同优化，以完全打通污泥"减量化-资源化-无害化"的全链条技术路径。