餐厨垃圾消化残渣水热处理中重金属与多环芳烃的迁移转化机制及生态风险调控

针对餐厨垃圾消化残渣(FWD)资源化利用中的污染物风险问题，本研究系统探究了水热处理(HT)过程中重金属(HMs)和多环芳烃(PAHs)的迁移转化规律。研究发现200-220°C水热条件可使As、Cd等重金属生物有效性降低57.1%-100%，180°C时PAHs总量最大降低42.7%，揭示了有机质聚合促进低环PAHs向高环转化的机制，为FWD安全资源化提供了理论支撑。

　　

随着城市化进程加速，餐厨垃圾处理成为环境治理的焦点问题。厌氧消化作为主流处理技术，每年产生大量富含营养但含重金属(HMs)和多环芳烃(PAHs)的消化残渣(FWD)。这些污染物若随肥料进入农田，可能通过食物链威胁人体健康。传统堆肥和热解法存在污染物去除效率低或能耗高的缺陷，而水热处理(HT)技术因其在污染物钝化和资源回收方面的双重优势备受关注。然而，HT过程中HMs和PAHs的化学行为规律尚未明确，制约着该技术的安全应用。

北京市东村垃圾分类处理厂的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表的研究，首次系统揭示了FWD水热处理中污染物的演变机制。研究采用红外光谱、元素分析和三维荧光等技术，在140-220°C温度梯度下分析了HMs形态分布和PAHs分子转化特征。

研究结果显示，水热处理显著改变了污染物的环境行为。重金属在200-220°C时呈现最佳钝化效果，其中Cd的生物有效性降低57.1%，Pb降低84.0%，这主要归因于高温促进金属磷酸盐/硫化物形成。PAHs的演化呈现温度依赖性：140°C时总量降低40.4%，180°C达最大去除率42.7%，但160-180°C区间出现低环向高环PAHs的转化现象。研究还发现220°C高温会通过木质素分解产生新的PAHs前体物。

【材料与水热处理】

研究采集北京东村垃圾处理厂的FWD样本，经60°C干燥后过150目筛。使用50ml聚四氟乙烯内衬反应釜，在140-220°C温度范围内进行水热处理，固液比1:10，保留时间60分钟。

【性质分析】

通过BCR连续提取法分析HMs形态，GC-MS测定16种优先控制PAHs，FTIR和元素分析表征有机质转化。结果显示：

1. 水热炭C含量从33.3%降至31.7%，N含量从4.06%降至2.05%，表明蛋白质等含氮化合物水解

2. 重金属富集因子达79%-116%，残渣态比例显著增加

3. 三维荧光显示类腐殖质荧光强度增强，证实芳香性提升

【生态风险评估】

采用风险编码法(RAC)和毒性当量因子(TEQ)评估显示：

• 水热炭中Cd风险等级从中风险降至低风险

• 苯并[a]芘毒性当量降低38.6%

该研究创新性地阐明了HT温度对污染物形态的调控规律，证实200-220°C为最优处理区间。研究成果不仅为FWD安全处置提供了技术参数，更建立了污染物形态-处理条件-环境风险的关联模型。特别值得注意的是，研究发现的PAHs环数转化规律为后续工艺优化提供了关键切入点，避免高温处理可能引发的二次污染风险。这些发现对推动有机废弃物资源化技术的工程化应用具有重要指导价值。