市政污泥中含有大量的重金属、致病菌及难降解有机物，如果直接排放会对生态环境造成二次污染。随着污泥处置问题日益严峻，提高污泥脱水性能，降低外运污泥含水率变得尤为重要。常见的污泥预处理方法有超声波处理法、生物法、酸碱处理法等，但均存在一定的局限性。水热碳化是近年来发展起来的污泥处理处置新技术，用以提高污泥生化性能和脱水效率，目前关于水热碳化技术提高污泥脱水性能的研究多采用控制变量单因素法，探究在不同碳化温度和碳化时间下对污泥脱水性能的影响，但对于碳化温度与碳化时间的交互性影响及二者共同作用效果考虑较少。为此，笔者将基于Ruyter开发的煤化模型应用于对水热碳化预处理改善污泥脱水性能的评价中。该模型根据氧含量（干无灰基）的变化，在亚烟煤水平（6%）完全转化的假设下，将停留时间（t）和温度（TK）相结合，确定转化因子f，其中f反映了碳化处理的强度。笔者在实验室小试的基础上结合晋中市正阳污水处理厂碳化车间实际运行数据，重点探讨了不同碳化强度下污泥的脱水性能及碳化固、液相产物的理化性质，以期为污泥脱水性能的改善提供参考。
一、材料与方法：
① 污泥来源与特性：污泥样品取自晋中市某污水处理厂脱水机房泥饼，该厂采用A2/O工艺（缺氧/厌氧/好氧），二沉池产生的污泥经过叠螺浓缩机浓缩后，加药、板框压滤脱水至含水率约80%的泥饼。在实验室中，将泥饼与去离子水按照质量比为1∶3混合，用电动搅拌机搅拌形成泥浆制成实验污泥，置于4℃冰箱中备用。实验污泥的含水率为93%，pH为7.12，毛细吸水时间（CST）为57s，TOC、NH4+-N、SCOD含量分别为274、17、602mg/L，TS含量为56g/L。
② 污泥低温水热处理：从冰箱中取出实验污泥，用电动搅拌机在800r/min下搅拌10min，使污泥达到完全均质，量取120mL污泥放入PPL材质内衬，置于反应釜中，拧紧反应釜盖及螺丝，使其处于密闭状态，以200r/min的转速搅拌污泥，当反应釜内污泥样品的温度达到设定的水热温度时，自动开始计时，并按照设定的水热停留时间进行碳化处理；反应完成后，立即取出反应釜于冷水槽中降至室温，然后量取30mL碳化污泥于布氏漏斗中，在-0.1MPa压强下过0.45μm滤膜进行抽滤，分别得到固相产物水热碳和液相产物裂解液。
③ 实验设计：根据前期的预实验结果，考虑到经济因素以及处理效率，设定反应温度为160~240℃、反应时间为10~120min，开展两种因素对污泥水热预处理后脱水性能改善情况的影响。利用Ruyter开发的煤化模型（该模型适用的反应条件范围较广：温度为120~390℃、时间为1min~6个月）和整体动力学，根据氧含量（干无灰基）的变化，将停留时间（t）和温度（TK）相结合，确定碳化强度（f）。
④ 分析项目与方法：CST：CST测定仪；污泥含水率：重量法；SCOD：多参数水质分析仪；氨氮：纳氏试剂比色法；多糖：苯酚-硫酸法；蛋白质：改良型Bradford法蛋白质浓度测定试剂盒；TOC：总有机碳分析仪；表面官能团结构：傅里叶红外光谱仪。
二、结果与讨论：
① 碳化强度f对污泥脱水性能的影响：随着碳化强度的增加，污泥抽滤后泥饼含水率先降低后趋于稳定，而CST则先升后降最后趋于稳定。当碳化强度f=0.09（160℃，112min）时，污泥的CST不仅未降低，反而由对照组的56s升至86s，可能是由于在此碳化强度下，污泥细胞壁破裂，释放出一些胞外聚合物，亲水性较强，黏性较大，故CST增加；此外，在此碳化强度下，出现大量的黄色油状泡沫，可能与水热碳化生成焦油类物质有关，这会对后续裂解液的深度处理造成不利影响。当碳化强度f=0.12（180℃，79min）时，抽滤至泥饼破裂的时间大大缩短，抽滤后泥饼含水率最低可达53%，与对照组相比降低了28%；CST降至26s，与对照组相比降低了54%，这是由于在此碳化强度下，部分大分子难溶性有机物转化为短链型聚合物，细胞间结合水被大量释放，污泥黏滞性降低，故污泥脱水性能得到极大改善。另外可以看出，温度对脱水性能的影响要大于反应时间。当碳化强度继续增加时，大量的小分子物质通过缩聚反应生成致密细小的碳微球，堵塞滤膜，会对抽滤后泥饼含水率测定有所影响。故综合考虑，确认碳化强度f=0.12（180℃，79min）为最佳反应条件。
② 碳化强度f对裂解液中有机物释放的影响：碳化强度f对裂解液中有机物释放的影响如图2所示。对照组中SCOD和TOC含量分别为602、274mg/L，随着碳化强度的增加，碳化污泥裂解液中的SCOD和TOC含量先增大后趋于稳定，而NH4+-N含量一直增加。当碳化强度f=0.12（180℃，79min）时，SCOD和TOC含量分别为18210、8685mg/L，继续提升碳化强度并不会对SCOD、TOC含量有较大影响，这可能是由于在f=0.12时，污泥细胞壁完全破碎，污泥裂解液中的大分子聚合物转化为小分子物质溶于液相中，极大地促进了有机物的释放；而NH4+-N含量在碳化强度f≤0.21的条件下随着碳化强度的增加而一直增大，这可能是由于NH4+-N主要来源于污泥中的含氮有机物，碳化程度越高，反应越剧烈，NH4+-N就越能充分释放。当碳化强度f≥0.12时，裂解液呈黑褐色，并伴有烧焦糊味产生，可能是发生了美拉德反应，产生了含黑色素的高分子难降解物质。
③ 碳化强度f对裂解液中EPS释放的影响：EPS由蛋白质、多糖、核酸等大分子物质组成，其中蛋白质与多糖含有极性官能团而具有亲水性，增强了污泥细胞的持水性，对污泥脱水性能有较大的影响。碳化强度f对裂解液中蛋白质和多糖释放的影响。可以看出，分层后的EPS中溶解型EPS（S-EPS）含量远大于紧密型EPS（T-EPS）和松散型EPS（L-EPS）含量，说明水热碳化作用有效破坏了污泥细胞壁，使T-EPS和L-EPS大量转化为S-EPS而溶于液相中。
当碳化强度f=0.09时多糖含量达到最高，之后多糖含量随着碳化强度的增加而不断减少，此时裂解液颜色呈淡棕色，可能与多糖中部分羰基分解产生茶色化合物有关；蛋白质含量随着碳化强度的增加先升后降，在f=0.12时达到最高，说明蛋白质中肽键比多糖中糖苷键更加稳定，不易分解。另外可以看出，水热污泥EPS中蛋白质的含量要远高于多糖的含量，说明蛋白质为EPS的主要成分，这与宋宪强等和Wang等的研究结果一致。当碳化强度f>0.12时，蛋白质和多糖含量均逐渐下降，高强度碳化条件下大分子蛋白质和多糖发生水解、缩聚、脱羧等反应，亲水性物质逐渐减少，污泥黏度降低。当碳化强度f增至0.18时，多糖和蛋白质含量逐渐趋于稳定，此时CST达到18s，亲水性物质大量转化为疏水性物质，污泥细胞持水性减弱，脱水性能达到理论最佳状态。同时，实验结果显示，CST与多糖含量变化趋势有一定的相关性，证明了EPS含量与污泥脱水性能有一定关系。
④ 碳化强度对污泥中官能团的影响：与原污泥相比，不同碳化强度下的水热碳中官能团种类有较大差异，表明在不同碳化强度下污泥理化性质已发生了变化。其中，3393cm-1处的吸收峰反映O—H的伸缩振动，随着碳化强度的增加，此峰信号逐渐减弱；2926、2855cm-1处的吸收峰分别反映C—H的拉伸、伸缩振动，此峰信号先增强后减弱，表明污泥经水热碳化后，C—H暴露出来，并且随着碳化强度的升高，降解程度加剧，含量降低；1398cm-1处吸收峰反映芳香环碳结构（—C=C—）的伸缩振动，随着碳化强度的增加，此峰信号明显增强，表明碳化后污泥中大分子聚合物破裂，生成大量芳构化结构，具有较强的芳香性；在1634cm-1处的吸收峰反映酰胺结构（C=N），随着碳化强度的增加，此峰信号增强，这是由于在碳化条件下大分子蛋白质转化为小分子物质，大量肽键断裂，此时大量亲水性物质转化为疏水性物质，脱水性能大大改善；在1034cm-1处的吸收峰反映多糖衍生物结构（C—O—C），随着碳化强度的增加，此峰信号逐渐增强，这是由于在较高的碳化强度下，大分子物质多糖水解时可能伴随产生多糖衍生物，此峰也可能与C—O—C在脂肪醚中不对称拉伸有关。综上可知，不同碳化强度下水热碳中官能团的变化与污泥脱水性能有较强的相关性。
⑤ 水热碳化提升污泥脱水性能的机制：污泥水热碳化过程机理。在水热碳化作用下，污泥细胞壁破碎，有机物大量溶出，EPS大量释放，亲水性大分子聚合物水解为短链小分子疏水性物质。溶于液相的小分子羧基化合物和氨基化合物会发生美拉德反应，生成难降解黑色素高分子化合物，使裂解液呈黑褐色、焦糊味。其中，羧基和羟基在高碳化强度条件下裂解，继而发生缩聚、聚合反应，可生成容易聚合的不饱和化合物；部分短链酮烃、烯烃等裂解脱氢脱水，发生芳构化反应，生成多环芳香族水热碳。综上，水热碳化可改变污泥理化性质，使细胞内结合水转化为自由水，污泥持水性减弱，进而显著改善污泥脱水性能。
⑥ 污水厂中污泥脱水性能的提升效果：研究某污水处理厂进行，设计处理量为100m3/d，碳化车间工艺流程如下：剩余污泥先经过叠螺机浓缩脱水，脱水后污泥含水率约为85%，再经过预加热器在150℃条件下预热，最后在反应罐中于210℃下反应6~7min，根据Ruyter开发的煤化模型确定碳化强度f=0.12。在碳化车间稳定运行期间，取5次样品进行测定，结果见表2。可知，在碳化强度f=0.12条件下，抽滤含水率平均为52.61%，与实验室小试测得的抽滤含水率（53%）相近；碳化后污泥在4MPa下压滤后含水率可降至29%左右，脱水效果显著；正阳污水厂污泥碳化后裂解液中氨氮含量偏高，可能与碳化车间进料含固率偏高有关，导致污泥中含氮有机物浓度升高。另外，第2次取样的测试结果显示，其CST明显高于其余4组，但其脱水后含水率却较低，可能是由于污水厂水质和水量波动较大，进料含水率偏低，致使抽滤含水率较低，其中SCOD含量较高，说明污泥中亲水性有机物含量较高，使污泥持水性增强，导致CST偏高。而实际污水厂处理碳化后污泥时采用4MPa板框压滤脱水，较大的机械外力使脱水后泥饼含水率相差不大，接近于平均值。
三、结论：
① 当碳化强度f=0.12（180℃，79min）时，污泥脱水性能得到极大改善，抽滤后含水率可降至53%，CST降至26s，继续提高碳化强度对污泥脱水性能改善不显著；在此碳化强度下，污泥细胞壁破碎完全，有机物大量释放，裂解液中SCOD、TOC含量达到较高值，但NH4+-N含量在f≤0.21条件下随着碳化强度的提升而不断升高。污泥中EPS具有亲水性，且EPS中蛋白质肽键比多糖糖苷键更加稳定，EPS含量与脱水性能有较大关系。当碳化强度f=0.18时，大分子多糖、蛋白质水解为小分子物质而溶于液相，导致亲水性物质转化为疏水性物质，污泥持水能力进一步减弱，脱水性能进一步改善。
② 经水热碳化后污泥性质发生明显变化。水热碳中出现了酰胺结构（C=N）和多糖衍生物结构，表明在较高的碳化强度下蛋白质和多糖裂解为小分子物质，可能会伴随肽键和多糖衍生物的出现，这与污泥脱水性能有较大相关性；水热碳中发生了缩聚、芳构化反应，出现了烷基芳香结构和环碳芳香结构（—C=C—），芳香性增强。
③ 某污水厂污泥碳化工艺数据显示，在碳化强度f=0.12条件下，碳化后污泥在4MPa下压滤后含水率可降至29%左右，脱水效果显著；抽滤含水率平均为52.61%，与实验室小试测得的抽滤含水率（53%）相近；裂解液中氨氮含量偏高，这可能与碳化车间进料含固率偏高有关，导致污泥中含氮有机物浓度升高。
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