污泥与锯末共水热炭化实现重金属钝化与碳/养分协同调控的双废增值技术

针对污泥传统处置方式易造成二次污染及重金属风险问题，北京科研团队创新性提出"以废治废"策略，通过 sewage sludge 与 sawdust 共水热炭化(co-HTC)同步实现重金属形态转化(BCR分级降低生物有效性)和碳氮磷钾养分调控。研究发现木质素结构增强氧官能团(O═C/COOH)对金属固定作用，显著提升 hydrochar 的 C/N 比(54.6%)及 P/K 有效性，为构建安全高效的有机-无机复合土壤改良剂提供新思路。

　　

随着城市化进程加速，污水处理产生的污泥量激增，传统焚烧填埋处置方式不仅占用土地，还会造成二次污染。虽然污泥富含氮磷钾等植物生长必需养分，有望缓解哈伯法(Haber-Bosch)合成氮肥的高能耗问题及磷钾资源分布不均的困境，但其中残留的重金属、病原体和有机污染物严重制约其安全土地利用。水热炭化(Hydrothermal Carbonization, HTC)技术因其能耗低、无需预干燥等优势成为污泥处理新选择，能将污泥转化为富含官能团的水热炭(hydrochar)，但重金属的富集问题始终未得到有效解决。

北京市自然科学基金和国家自然科学基金资助项目的研究团队创新性地提出"以废治废"策略，将市政污泥与木质花园废弃物(杨木锯末)进行共水热炭化(co-HTC)。研究发现锯末的木质素结构在高于250°C时仍能保留官能团，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)证实其显著增强氧双键(O═C)和羧基(COOH)对重金属的固定作用。研究采用欧洲标准局(BCR)连续提取法系统评估了不同混合比例(0:1-2:1)下重金属形态转化规律，同时通过测定溶解有机碳(DOC)和有效态养分含量，首次阐明木质生物质对水热炭碳氮平衡和养分有效性的调控机制。

关键技术方法包括：(1)采用不同干重比例(0:1至2:1)混合污泥与锯末进行HTC处理(200°C, 2h)；(2)通过BCR连续提取法分析重金属形态分布；(3)运用FTIR和XPS表征官能团变化与金属结合机制；(4)测定总碳(TC)、总有机碳(TOC)、DOC及有效态N、P、K含量评估养分特性。

【Physicochemical properties of feedstocks and hydrochars】部分显示，与纯污泥水热炭(SC)相比，添加锯末使水热炭碳含量提升9.2%，碳氮比(C/N)提高54.6%，且显著促进磷(47.6%)和钾的保留。XPS分析揭示锯末引入的含氧官能团使重金属从可交换态向更稳定的残渣态转化。

【Conclusions】部分总结指出：co-HTC通过锯末的稀释效应和官能团固定双重机制降低重金属生物有效性；2:1混合比例下，水热炭产率、碳保留率和磷钾有效性达到最优平衡；该技术同步实现重金属风险控制和养分资源化，为开发安全高效的土壤改良剂提供新途径。

这项发表于《Bioresource Technology》的研究具有重要应用价值：一方面为园林木质废弃物(占城市固体废物20%)找到高值化利用途径，另一方面通过"过程控制"而非"末端治理"的思路，从根本上解决污泥农用中的重金属隐患。研究首次系统量化了木质生物质-污泥共水热炭中碳氮磷钾的转化规律，建立的组分-结构-功能关系模型为设计功能性环境材料提供理论依据。该技术符合"双碳"战略需求，有望推动污水处理厂向资源回收工厂转型。