对水热污泥液化得到的水相产物进行过氧化氢预处理，以提高其厌氧和好氧生物降解性

《Renewable Energy》：Hydrogen peroxide pretreatment of aqueous phase product of hydrothermal sludge liquefaction for enhanced anaerobic and aerobic biodegradability

污水处理厂产生的混合污泥通过水解热解技术可转化为生物柴油等高附加值产品，但会产生含抑制性有机物的HTLaq水相制约后续生物处理。本研究采用低剂量过氧化氢（0.25-0.75 g/g COD）预处理HTLaq并辅以碳酸钠淬灭，显著降低总COD（最高18%去除率）和酚类化合物，同时提升甲烷产率（最高63%增幅）和生物降解指数（BOD/tCOD比值达0.85）。

　　废水处理厂（WWTP）在处理污水过程中会产生混合污泥（MS），这种污泥富含有机和无机物质，因此在处理和处置方面面临诸多挑战。随着对可持续水资源管理和能源回收需求的增加，越来越多的研究关注如何将污泥转化为有价值的资源。其中，水热污泥液化（HTL）技术作为一种有前景的方法，能够在高温高压条件下将湿有机残渣（如MS）转化为液体和气体资源，例如生物原油和水热炭。然而，HTL过程也会产生大量含有可溶性抑制性有机物的水相产物（HTLaq），这会显著影响后续生物处理过程的效率，成为将HTL技术应用于WWTP中的一个瓶颈。

为了解决这一问题，本研究探讨了使用过氧化氢（H?O?）对HTLaq进行预处理，以提高其生物降解性，从而更有效地进行后续的生物处理。实验中，采用不同剂量的H?O?（0.25、0.50和0.75 g H?O?/g化学需氧量COD）对HTLaq进行预处理，并随后使用碳酸钠（Na?CO?）进行淬灭处理。结果显示，较高的H?O?剂量（0.75 g/g COD）显著降低了总COD和酚类化合物的含量，最高可达18%的总COD去除率。然而，在热嗜性条件下，较低剂量的H?O?（0.25 g/g COD）配合Na?CO?淬灭剂，能够显著提高累积甲烷产量，达到63%的提升。此外，通过生化需氧量（BOD）与总COD的比值来衡量的需氧生物降解指数也有所提高，从0.75增加到0.85。这些结果表明，低剂量的H?O?预处理可以有效增强HTLaq的生物降解性，使其更适用于后续的生物处理。

随着全球对污水处理和资源回收需求的提升，传统的厌氧消化（AD）方法虽然在中大型WWTP中被广泛使用，但其局限性也日益显现。AD不仅无法有效回收氮和磷等营养物质作为可销售的副产品，而且只能回收污泥中约50-60%的碳。此外，处理后的污泥处置费用可能占WWTP运营成本的50%。因此，寻找更高效、更可持续的污泥处理方法成为当前研究的重点。HTL技术因其能够实现更高的能量回收、降低污泥管理成本以及有效杀灭病原体和微污染物，被认为是AD的有力替代方案。与气化技术相比，HTL更具成本效益，并且将HTL与AD结合使用可以进一步提升能量回收效率，改善整个污水处理过程的可持续性。

HTLaq是HTL过程的主要副产物之一，通常占反应器输出的80-81%。在处理MS时，HTLaq的生成量与处理条件密切相关。例如，在20%总固体（TS）的MS处理条件下，HTLaq的组成会受到进料类型（如粪便、藻类、木质纤维素和污泥）以及HTL操作参数（如温度和停留时间）的影响。HTLaq中含有多种复杂的有机分子，其中约33%的有机碳来自进料。在较低温度下，HTLaq的碳含量较高，而在较高温度和较长停留时间下，氮含量则显著增加。尽管HTL技术具有诸多优势，但HTLaq中的抑制性化合物仍然是其应用中的一个关键挑战，因此需要在后续生物处理前进行有效的预处理。

目前，已有多种物理、化学和热化学方法被提出用于HTLaq的预处理，包括吸附、部分氧化（使用过氧化氢或紫外线）、臭氧氧化和氨气蒸馏等。其中，氧化处理，特别是使用过氧化氢，是一种成熟的方法，能够有效去除废水中的有毒化合物。H?O?分解为羟基自由基（OH·），这些自由基可以将顽固的有机化合物氧化为更简单、更容易被生物降解的分子。然而，确定H?O?的最佳剂量仍然是一个挑战，因为残留的羟基自由基可能会干扰标准的COD测定方法。通过使用化学物质如亚硫酸钠或碳酸钠来淬灭过量的H?O?，可以有效解决这一问题。此外，碳酸钠不仅可以淬灭H?O?，还能促进OH·的生成。

尽管H?O?已被用于非MS来源的HTLaq预处理，但据作者所知，目前尚无研究专门测试H?O?在常温下（即不考虑高温效应）对MS来源HTLaq的脱毒效果。一项研究观察到，对来自螺旋藻（Spirulina）生物质的HTLaq进行H?O?预处理后，甲烷产量和COD含量均有显著提升。然而，另一项研究指出，过量的H?O?可能会影响AD的性能。因此，进一步研究H?O?的最佳剂量对于MS来源的HTLaq至关重要，以在提高生物降解性的同时，避免对后续处理过程产生负面影响。

本研究的主要目标是确定H?O?对MS来源HTLaq的最佳化学剂量和预处理时间，评估其对各种有机和无机污染物的去除效率，并分析不同淬灭剂在污染物定量测定过程中对干扰的缓解效果。此外，还对HTLaq在H?O?预处理前后的厌氧和需氧生物降解性进行了评估，以提供关于其在WWTP附近进行后续生物处理的参考依据。

为了实现这一目标，实验中首先对MS和HTLaq进行了全面的表征（见表2）。表征参数因进料类型、有机强度以及HTL操作条件的不同而有所变化。研究显示，在290-360°C的操作条件下，停留时间在0-30分钟之间，HTLaq的总COD值在87-103 g/L之间，总铵氮（TAN）含量在3.9-7.1 g/L之间，总酚类化合物含量在1.5-2.3 g之间。这些数据为后续的预处理和生物降解性评估提供了基础。

在预处理过程中，H?O?的剂量对HTLaq的处理效果具有显著影响。实验结果表明，当使用0.25 g/g COD的H?O?剂量时，配合碳酸钠淬灭剂，能够显著提高累积甲烷产量，达到63%的提升。而当使用更高的H?O?剂量（0.75 g/g COD）时，总COD和酚类化合物的去除率也显著提高，最高可达18%。这表明，H?O?预处理在不同的剂量和淬灭条件下，对HTLaq的处理效果具有差异性。同时，需氧生物降解指数（通过BOD/tCOD比值衡量）也有所提高，从0.75增加到0.85，说明H?O?预处理在一定程度上提高了HTLaq的可生物降解性。

此外，实验还评估了不同淬灭剂对H?O?残留的影响。结果显示，碳酸钠淬灭剂能够有效减少H?O?残留，从而避免其对后续生物处理过程的抑制作用。而使用其他淬灭剂，如亚硫酸钠，虽然也能减少H?O?残留，但对生物降解性的提升效果不如碳酸钠。这表明，选择合适的淬灭剂对于优化H?O?预处理效果至关重要。

在实际应用中，HTLaq的处理不仅需要考虑其化学成分的变化，还需要评估其对后续生物处理过程的影响。例如，在厌氧条件下，H?O?预处理可能会对甲烷产量产生负面影响，而在需氧条件下，其效果则较为积极。因此，研究H?O?预处理的最佳剂量和淬灭条件，对于实现HTLaq的高效处理和资源回收具有重要意义。

本研究的结论表明，通过优化H?O?预处理的剂量和淬灭条件，可以有效提高HTLaq的生物降解性，使其更适用于后续的生物处理过程。在最佳条件下，使用0.25 g/g COD的H?O?剂量配合碳酸钠淬灭剂，能够实现最高的厌氧生物降解性，达到49%和58%的去除率，分别高于未处理的32%和51%。这说明，H?O?预处理在适当的条件下，能够显著改善HTLaq的处理效果，同时避免对后续处理过程产生不利影响。

为了确保研究的科学性和严谨性，作者在实验过程中采用了多种方法，包括实验室规模的实验和数据分析。研究团队由Cigdem Eskicioglu和Nahian Rahman组成，其中Cigdem Eskicioglu负责论文的撰写、修改、验证、监督、资源协调、项目管理以及资金获取，而Nahian Rahman则负责论文的撰写、数据收集、分析、可视化以及实验方法的设计。此外，作者还感谢了在实验过程中提供帮助的研究人员和技术人员，包括Jacky Takeuchi和Dr. Parmila Devi，他们在有机物分析方面提供了重要支持。

在数据使用方面，研究团队表示将在需要时提供相关数据。此外，作者在科学写作过程中使用了Chatgpt 4工具，以提高论文的可读性。然而，他们强调在使用该工具后，对内容进行了仔细的审查和修改，确保论文的科学性和准确性，并对论文内容承担全部责任。最后，作者声明他们没有已知的与本研究相关的竞争性利益或个人关系，以确保研究的公正性和客观性。

综上所述，本研究通过优化H?O?预处理的剂量和淬灭条件，为HTLaq的高效处理和资源回收提供了新的思路。研究结果表明，低剂量的H?O?预处理能够有效提高HTLaq的生物降解性，使其更适用于后续的生物处理过程，同时避免对后续处理过程产生不利影响。这不仅有助于提高污水处理的效率，还为实现可持续的水资源管理和能源回收提供了重要的技术支持。