柠檬酸辅助热解预处理污泥的多功能协同机制研究：面向多目标处理的创新策略

针对污泥处理中单一预处理技术难以同步实现有机物降解、磷释放、脱水性能提升及重金属去除的难题，中国科学院团队提出柠檬酸辅助热水解预处理（CA-assisted THP）新方法。研究表明，在170°C、0.5 g/g TS CA条件下，该方法使Cr/Ni/Zn/Pb去除率达33.61%-71.84%，污泥粘度降低90.72%，总磷释放提升157.11%，并通过SHAP机器学习模型验证CA为关键影响因素，为污泥资源化提供多目标协同解决方案。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂产生的污泥已成为环境治理的"顽疾"。这些富含有机质和营养元素的黑色泥浆，却因裹挟着重金属、病原体等有毒物质，陷入"用之不能，弃之不得"的困境。传统处理方式往往顾此失彼——提升沼气产量就难以兼顾磷回收，改善脱水性能又可能导致重金属富集。更棘手的是，商业化热解水解系统（THP）虽能促进厌氧消化（AD），但会使重金属浓度增加20%以上，这种"拆东墙补西墙"的现状严重制约污泥资源化进程。

针对这一系统性难题，中国科学院团队创新性地将生物相容性良好的柠檬酸（CA）引入热解水解体系，开发出CA辅助THP多目标预处理技术。通过耦合实验研究与可解释机器学习（Interpretable ML），发现CA分子中三个羧基（-COOH）和羟基（-OH）的协同作用，在170°C温和条件下即可实现"一石四鸟"：不仅破解了微生物细胞的"铜墙铁壁"释放有机质，还能螯合剥离重金属，同时改善污泥流变特性并释放锁闭的磷资源。这项发表于《Journal of Hazardous Materials》的研究，为破解污泥处理中的"不可能三角"提供了新范式。

研究采用多尺度技术路线：首先采集北京某AAO-MBR工艺污水处理厂的脱水污泥（含水率83.38%），通过响应面法优化CA剂量（0.1-0.9 g/g TS）、温度（130-210°C）和时间（0.5-2 h）参数组合；继而采用SHAP（Shapley Additive Explanations）算法解析变量贡献度；最后通过流变仪、ICP-MS等表征手段验证处理效果。

【有机质溶解释放】CA辅助THP使蛋白质（PN）和多糖（PS）溶出呈现差异化特征：CA优先破坏疏松的粘液层释放PS（增幅达157.11%），而高温THP更有效裂解细胞壁释放PN。这种互补效应为后续AD提供了均衡的底物组成。

【重金属去除机制】在最优条件下，CA的螯合作用使Cr/Ni/Zn/Pb去除率呈现梯度分布（33.61%-71.84%），其中Zn因与CA形成最稳定的五元环螯合物而脱除率最高。值得注意的是，该方法对毒性较强的Cd也有显著去除效果。

【流变与脱水性能】污泥表观粘度骤降90.72%，结合SEM观察到污泥骨架结构从"蜂窝状"转变为"多孔网状"，这种形态变化使结合水转化为自由水，导致含水率降低10.23个百分点。

【磷释放动力学】总磷（TP）和正磷酸盐（PO₄^3--P）释放呈现两阶段特征：<170°C时主要释放吸附态磷，>170°C后CA促进闭蓄态磷的溶出，这与铁铝磷酸盐的酸解行为高度相关。

研究结论表明，CA辅助THP通过"酸解-热裂-螯合"三重协同机制，突破了传统预处理技术的单一功能局限。SHAP分析揭示CA贡献度占比达64.3%，远高于温度（22.1%）和时间（13.6%）的影响。该方法不仅将重金属环境风险降低30-70%，还使后续处理能耗预估下降18.7%。这项研究为发展"碳中和"导向的污泥处理工艺提供了关键技术支撑，其采用的解释性机器学习框架也为复杂环境系统的多目标优化提供了方法论借鉴。正如通讯作者Liu Jibao强调的："找到柠檬酸这个‘万能钥匙’，我们终于能同时打开污泥资源化的多把‘锈锁’。"