臭氧预处理强化市政污泥水热液化水相产物的生物处理效能及碳回收机制研究

针对水热液化(HTL)水相产物因高COD、酚类及氮杂环化合物抑制下游生物处理的问题，研究人员系统评估了臭氧(O3)预处理对HTL水相特性及生物降解性的影响。研究发现0.14 g O3/g COD剂量可实现43% COD去除、72%酚类降解，并使厌氧甲烷产率提升98%，为HTL技术集成至污水处理厂提供了关键预处理方案。

　　

随着城市化进程加速，市政污泥处理成为全球污水处理厂的重大挑战。传统厌氧消化技术存在碳回收率低、残留生物固体量大等瓶颈，而新兴的水热液化(HTL)技术虽能转化污泥为生物原油，却产生占产物体积80%的HTL水相副产物。这些富含化学需氧量(COD)、酚类和氮杂环化合物的废水，如同"高浓度毒鸡汤"，严重抑制后续生物处理。如何破解HTL水相产物的处理难题，成为推动该技术规模化应用的关键壁垒。

不列颠哥伦比亚大学奥卡纳干校区(University of British Columbia Okanagan Campus)的UBC生物反应器技术组通过创新性研究，发现臭氧(O₃)预处理可显著提升HTL水相的生物降解性。研究人员采用市政脱水污泥在350°C、168 bar条件下制备HTL水相，系统考察了0.03-0.18 g O₃/g COD剂量范围的影响。发表于《Bioresource Technology》的研究表明，最优臭氧剂量使COD降低43%，酚类去除72%，同时保留挥发性脂肪酸(VFA)，实现厌氧甲烷产率提升98%的突破性进展。

关键技术方法包括：1)采用Parr?反应器进行HTL水相制备；2)建立臭氧接触柱系统实现精确剂量控制；3)通过生化甲烷潜能(BMP)测试评估厌氧生物降解性；4)使用在线呼吸仪测定五日生化需氧量(BOD₅)；5)结合GC-MS分析氮杂环化合物转化规律。

研究结果揭示：

3.1 HTL水相特性

相比原污泥，HTL水相COD升高48%至71 g/L，酚类物质激增18倍至1.7 g GAE/L，证实其强生物抑制性。

3.2 臭氧预处理效应

0.14 g O₃/g COD剂量实现关键指标协同优化：pH从8降至5.3，2,6-二甲基吡啶等氮杂环去除率达69%，紫外吸收谱显示芳香族化合物有效降解。

3.3 生物处理强化

• 厌氧处理：0.14 g O₃/g COD使中温(35°C)甲烷产率提升98%，高温(55°C)提升89%，VFA代谢动力学分析揭示酸化阶段显著增强。

• 好氧处理：0.18 g O₃/g COD剂量使BOD₅/COD比值从0.42跃升至0.80，最终生物降解度达95%。

该研究开创性地证实臭氧预处理可同步实现HTL水相脱毒与碳回收强化。通过精准调控臭氧剂量，既能破解酚类和氮杂环化合物的生物抑制瓶颈，又能将难降解有机物转化为易降解的VFA，为HTL技术集成至污水处理厂提供了关键技术支撑。研究提出的分级处理策略（0.14 g O₃/g COD用于厌氧，0.18 g O₃/g COD用于好氧）为不同工艺路线提供了定制化解决方案，其揭示的"臭氧-生物"协同作用机制对有机废水处理领域具有普适性指导价值。