《Process Safety and Environmental Protection》：Integrated sludge stabilization and valorization: efficiency and comprehensive evaluation
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摘要过量污泥会给环境带来严重威胁。本研究提出了一种结合超声裂解、鸟粪石/水磷灰石结晶与碳利用的集成工艺，通过全面的环境与经济评估，实现污泥稳定化处理及资源回收。超声和碱处理能有效释放出可溶性的COD、氮和磷（分别为15,650、768.75和484.80毫克/升），同时还能提高残
摘要
过量污泥会给环境带来严重威胁。本研究提出了一种结合超声裂解、鸟粪石/水磷灰石结晶与碳利用的集成工艺，通过全面的环境与经济评估，实现污泥稳定化处理及资源回收。超声和碱处理能有效释放出可溶性的COD、氮和磷（分别为15,650、768.75和484.80毫克/升），同时还能提高残留固体的稳定性（在灰分、重金属含量及微生物活性方面）。这些释放出的可溶性氮和磷可通过鸟粪石或水磷灰石结晶得到回收（氮和磷的回收率分别为82.3%和89.59%/90.58%）。结晶后的高COD上清液可作为废水生物反硝化的内部碳源，其处理效率分别为90.01%和91.17%。对生成高COD上清液的整个生命周期进行评估后发现，与污泥热解和堆肥相比，该方法的全球变暖潜力分别降低了59.45%和97.76%，具有显著的环境效益。从经济角度分析，该工艺相比传统方法可节省28.59%和27.51%的成本。本研究为过量污泥的处理提供了一种创新且可持续的方法，注重污泥的稳定化、资源回收，同时尽量减少对环境和经济的负面影响。
引言
随着城市化进程的加速以及污水处理能力的提升，预计到2025年全球产生的过量污泥量将达到22亿吨（Pang等人，2024；Zhang等人，2016）。过量污泥富含碳、氮、磷等资源，但同时也含有大量水分、持久性有机污染物和病原体（Hou等人，2025；Namdari等人，2024）。如果不对这些污泥进行妥善处理，它们可能会通过雨水侵蚀和渗漏导致地下水和土壤污染（Silva，2023）。因此，对过量污泥进行稳定化处理及资源回收具有重要的生态价值。厌氧消化、好氧堆肥和焚烧都是成熟的污泥稳定化与资源回收技术（Arenas等人，2021），但这些方法在碳排放、成本以及资源回收效率方面存在不足（Li等人，2024）。因此，亟需开发更加环保且经济高效的解决方案。
污泥裂解技术能够破坏微生物絮体及细胞壁，使细胞内的碳、氮、磷释放到上清液中，从而为后续的资源回收创造有利条件（Liew等人，2022；Sousa等人，2021）。例如，超声处理和热碱处理可使可溶性化学需氧量增加429.6%-540.2%，同时还能释放出大量的总氮（66.5%-82.1%）和总磷（13.7%-24.5%）（Xu等人，2020；Zhang等人，2023b）。也有研究探索将污泥裂解后的上清液作为废水生物脱氮的内部碳源（Dai等人，2024；Jansen等人，1993）。这类内部碳源有助于维持反硝化过程，从而使COD和总氮的去除效率分别达到93.24%和94.57%（Fathali等人，2019）。然而，上清液中较高的氮和磷浓度也会重新进入废水处理系统，增加营养物负荷，进而影响出水水质。
另一方面，人们也一直在努力从污泥上清液中回收磷和氮，尤其是化学沉淀和结晶法。Trotta等人（Trotta等人，2023）通过鸟粪石结晶法从污泥厌氧消化的上清液中回收了65.6%的氨和94%的磷。相比之下，水磷灰石结晶法在磷回收方面具有更高的潜力。Zhang等人（Zhang等人，2023c）从污泥上清液中实现了90.72%的磷回收率。通常认为，水磷灰石法在磷回收率和产品纯度方面更具优势，而鸟粪石结晶法则可以同时回收氮和磷。若将这些方法应用于污泥裂解后的上清液，首先可将其中的氮和磷作为肥料回收，再获得无营养物的碳源。
此外，以往的研究大多侧重于裂解上清液的利用，却忽视了裂解后的污泥残渣。如果不对这些残渣进行全面的稳定化评估，直接处置很容易通过雨水侵蚀或渗滤液泄漏导致地下水和土壤污染。因此，对裂解后残渣的物理化学性质及环境风险进行评估，对于实现过量污泥的彻底且无害处理至关重要。
要对污泥处理技术的可持续性进行全面评估，就需要对其潜在的环境影响和经济成本进行多维度分析。生命周期评估、综合环境评估和经济评估都是用于此类评估的有效工具（Zhang等人，2023a）。生命周期评估通过分析整个生命周期中化学品使用、能源消耗等方面的环境影响来评估整体环境影响（Raketh等人，2024）。综合环境评估则用于评估污水和固体废物等污染物的环境影响（Zhang等人，2023a）。经济评估则关注技术实施的经济可行性，包括投资成本以及通过污泥资源化利用所能获得的农业肥料收益。Ren等人（Ren等人，2024）运用生命周期评估、综合环境评估和经济评估对超声裂解-隐生长工艺进行了全面评价。未来，污泥稳定化与资源化处理工艺有望发展成为一套完整的综合评估体系。
本研究提出了一种结合污泥稳定化与资源回收的技术路线（见图1），并从技术、环境和经济等多个角度对其进行了严谨评估。首先，研究了超声碱处理后污泥中可溶性化学需氧量、总氮和总磷的释放效率，同时评估了剩余残渣的稳定性。其次，比较了通过鸟粪石结晶和水磷灰石结晶法从上清液中回收氮和磷的效率。第三，将经过氮磷回收后的富有机质上清液作为内部碳源，评估其在废水生物反硝化过程中的效果。最后，对所提出的“污泥裂解-碳、氮、磷回收”工艺进行了全面的生命周期评估、综合环境评估和经济评估。本研究为过量污泥的处理提供了技术路径和理论支持，有助于推动城市污水处理厂的可持续发展。
章节要点
过量污泥的超声碱裂解处理
本研究中的过量污泥样本取自中国天津北仓污水处理厂的二次沉淀池。这些污泥的主要参数如下：总固体含量为17.65克/升，挥发性悬浮固体含量为11.75克/升，pH值为7.24。
由于超声裂解效率高且操作简单，因此被选为处理方法。首先向污泥中加入1摩尔/升的NaOH，将pH值调整至12，然后搅拌2小时，之后使用宁波生产的超声裂解设备对污泥进行超声处理。
超声碱裂解对污泥和上清液的影响
图2a展示了污泥总固体和挥发性悬浮固体的变化情况。经过超声碱裂解处理后，污泥的挥发性悬浮固体含量从10.75克/升降至2.49克/升，降幅达到了76.84%。挥发性悬浮固体的大幅降低表明，污泥中的大量有机物已转化为溶解性有机物并释放到了上清液中（Sousa等人，2021）。同时，污泥的总固体含量也从17.65克/升降至9.47克/升，相当于基于总固体含量的污泥固体减少了46.35%。
结论
本研究提出了一种集成策略，将超声碱裂解、鸟粪石/水磷灰石结晶以及碳利用相结合，用于过量污泥的稳定化处理和资源回收。超声碱裂解能有效破坏污泥絮体及微生物细胞，促使可溶性有机物和营养物质释放到上清液中，同时显著提高剩余残渣的稳定性。释放出的氮和磷也可通过鸟粪石和水磷灰石结晶成功回收。
作者贡献说明
张光明：研究指导、资金筹集、概念设计。吕龙毅：论文撰写与修改、概念设计。侯鹏飞：论文撰写与修改。梁金松：方法设计。刘世奇：论文撰写与修改、初稿撰写、数据可视化。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
作者衷心感谢河北省高校科研基金（项目编号CXZX2025033）提供的资金支持。
刘世奇|侯鹏飞|梁金松|张光明|吕龙毅
