一种新型的污泥深度脱水策略：通过协同处理污泥衍生的生物炭和CaO，并结合高压水力设备来实现

《Journal of Environmental Sciences》：A novel strategy of sewage sludge deep dewatering via synergistic conditioning of sludge-derived biochar and CaO integrated with high hydraulic pressure equipment

基于生物炭与氧化钙协同调理及高压脱水工艺，本研究通过系统优化发现：当生物炭（SSBC）热解温度600℃、粒径0.15-0.30mm、添加量3wt%与氧化钙（CaO）各3wt%联合作用时，污泥含水率从84.86%降至35.51%。机理研究表明：CaO通过破坏絮体结构中和电荷，SSBC构建多尺度孔隙网络，二者协同形成致密支撑骨架与排水通道，结合16MPa高压脱水实现深层水分释放。该技术兼具碳资源回收与高效减量化优势，为污泥深度脱水提供新范式。

　　

黄静欣|李志伟|余浩|张伟珍|童佳佳|魏玉珍|刘林宗汉|王银

福建农林大学资源与环境学院，福州350002，中国

摘要

由于高效低成本的污泥深度脱水技术是污泥热解和燃烧处理的先决条件，因此亟需此类技术。本研究开发了一种协同调理系统，结合了污泥衍生生物炭（SSBC）和CaO，并采用高压水力脱水方法。系统地研究了该系统的脱水性能及其作用机制。在最佳条件下（CaO和SSBC各添加3 wt.‰，SSBC在600°C下热解，粒径为0.15-0.30 mm，脱水压力为16 MPa），污泥含水量从84.86%显著降低到35.51%。分析表明，这种复合调理剂改善了污泥的物理结构，具体表现为比表面积（SSA）从8.66 m²/g增加到13.18 m²/g，提高了颗粒均匀性，并形成了多尺度互连的孔隙网络，从而促进了水分的去除。此外，该复合调理剂还减轻了CaO引起的粘度增加（从22.9 Pa·s降低到12.4 Pa·s），并抵消了SSBC导致的负Zeta电位增加（从-20.07 mV降低到-16.97 mV）。基于这些发现，提出了一种四步协同机制：（1）CaO破坏絮体结构并中和电荷以释放结合水；（2）SSBC提供刚性骨架支撑，扩大絮体并创建均匀分布的排水通道；（3）协同作用下形成分层多孔网络，加速内部水分迁移；（4）高压力量有效排出污泥絮体内部和之间的自由水及部分结合水。总体而言，本研究为低碳、高效污泥深度脱水及减量化提供了可行的途径和机制见解，值得进一步进行中试验证和技术经济评估。

引言

全球城市化的加速发展大幅扩展了污水处理能力，不可避免地产生了越来越多的污泥（SS）（Wang等人，2025年）。据统计，2024年中国共处理了988.4亿吨污水，产生了5730.7万吨污泥（MEEPRC，2025年）。污泥成分复杂，不仅含有大量有机物和营养物质（如氮和磷），还含有重金属、病原体和持久性有机污染物等有害成分（Song等人，2025年）。如果管理不当，这些污染物会造成严重的环境污染并对公共卫生构成威胁（Jiang等人，2025年；Liang等人，2021年）。此外，原始污泥的含水量通常非常高（95.00-99.00%），这不仅增加了污泥体积，还促进了其中污染物的迁移和运输。因此，脱水对于减轻二次污染以及降低后续处理过程中的成本和能耗至关重要（Kacprzak等人，2017年）。对于高含水量污泥的脱水，板框压滤和离心脱水是最常用的方法。然而，经过板框过滤后的污泥饼含水量仍约为60%，离心过滤后的含水量约为80%，仍无法满足下游处理要求（低于50%，甚至更低）。这种性能差距主要是由于细胞外聚合物物质（EPS）形成的致密亲水凝胶状网络限制了有效的水分去除。此外，细小且带负电的污泥颗粒倾向于保持稳定分散状态，进一步阻碍了水分的释放和排出，从而限制了脱水效果（Zhang等人，2016年）。因此，仅依靠单一物理处理过程无法实现污泥的深度脱水。目前大多数策略采用调理方法，包括物理、化学或生物手段，随后进行机械脱水（如压滤或离心）（Wu等人，2020a）。

例如，Li（2017）等人通过结合热处理和后续机械脱水实现了深度脱水，得到含水量低于40%的压滤污泥饼。然而，热处理需要高温蒸汽，导致运营成本较高。为克服这些经济限制，人们越来越关注能够增强絮凝作用并削弱EPS结合水基质的污泥调理策略，从而在更温和且更具成本效益的条件下提高脱水效果。Liang等人（2020年）采用热辅助酸预处理与零价铁（TA/ZVI）、氧化剂（H₂O₂, Na₂S₂O₈, KMnO₄）和过滤压滤相结合的方法，在最佳条件下实现了54.8%的污泥饼含水量。生物方法也被证明有效。Yan等人（2024年）通过选择和组合三种功能性微生物构建高效生物降解菌，分解了难降解有机物并破坏了污泥絮体结构，使得两种类型的污泥的离心脱水含水量分别达到60.2%和66.3%。尽管取得了这些进展，现有组合技术仍存在一些固有局限性，包括试剂成本高、能耗大、脱水效率不佳以及潜在的生态风险（Gared等人，2024年）。更根本的是，许多策略未能同时满足深度脱水的两个关键要求，即（i）通过削弱EPS基质释放结合水和间隙水；（ii）构建在高压作用下不会坍塌的机械稳定、可渗透的孔隙网络。因此，迫切需要开发一种更高效、经济且环境可持续的组合调理技术，将结合水的释放与排水路径的重建结合起来以实现污泥的深度脱水。

污泥生物炭（SSBC）作为一种污泥脱水调理剂，具有资源回收和低成本的优势（Li等人，2025年）。由于其发达的多孔结构和丰富的表面官能团，SSBC可以吸附有机污染物，同时为污泥絮体提供刚性骨架，形成疏水通道，从而提高脱水效果（Tao等人，2019年）。因此，SSBC可以部分替代传统化学调理剂，减少试剂需求和相关的二次污染风险。其应用还提高了污泥饼的渗透性和压缩性，加快了过滤速度，降低了最终含水量（Chen等人，2024年）。近年来，基于SSBC的调理方法在污泥脱水领域得到了广泛研究和应用。多项研究表明，生物炭的用量及其内在性质（如孔隙率、粒度和表面官能团）显著影响了脱水指标（如毛细吸水时间和过滤阻力）和最终污泥饼含水量。这些生物炭特性在提高脱水效果方面的作用机制也得到了深入研究（Wu等人，2016a, 2016b；Zhang等人，2025b）。同时，CaO也因其低成本、操作简便和强碱性而被广泛用于提高污泥脱水效果，其碱性可以通过水解污泥主要由蛋白质和碳水化合物组成的细胞壁和组织来破坏结合水。

尽管生物炭和CaO都曾被研究作为污泥脱水的调理剂，但单独使用时的脱水效果仍然有限（Rashmi和Devatha，2022年；Zhou等人，2025年）。此外，现有研究主要在常规脱水条件下评估这些调理剂的效果，而关于在高压力设备下SSBC-CaO协同调理以实现深度脱水的系统研究仍较少。据我们所知，尚无研究报道通过结合SSBC和CaO以及高压水力脱水设备实现高效深度脱水，并对其协同效应进行机制解析。

为解决上述问题，本研究旨在开发一种结合SSBC和CaO的协同调理系统，并采用新的高压水力脱水设备。主要目标是：（a）优化工艺参数，包括SSBC和CaO的用量、生物炭的热解温度和颗粒大小；（b）利用汞侵入孔隙度测量和差示扫描量热法（DSC）等技术表征污泥物理结构和脱水性能的改善；（c）阐明CaO和SSBC协同调理效果的四步机制。总体而言，本研究为污泥的低碳、高效脱水和减量化提供了可行的技术途径和理论基础。

部分内容摘录

污泥和SSBC的制备

实验中使用的污泥来自中国厦门的一家污水处理厂，该厂采用厌氧-缺氧-好氧工艺。采集前，污泥在厂内使用阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）作为絮凝剂进行离心脱水，然后储存在4°C的冰箱中，7天内使用。污泥的特性见附录A表S1和S2。XRF分析显示，污泥中的无机成分以SiO₂（41.60 wt.%）为主

优化CaO-SSBC协同调理污泥脱水性能的关键参数

作为通过高温厌氧热解产生的多孔碳材料，SSBC具有高比表面积（SSA）、强吸附能力和优异的化学稳定性（Yu等人，2025a）。如表1所示，SSBC的SSA随热解温度的升高而逐渐增加。这一趋势反映了生物炭孔隙结构的热驱动演变过程。在热解过程中，有机成分挥发和冷凝焦油的二次裂解

结论

本研究采用了一种新策略，将废物转化为资源（从污泥中制备的SSBC）与双剂协同调理（SSBC和CaO）以及高压水力脱水相结合。该方法同时实现了资源回收并提高了脱水效果。在优化条件下——SSBC热解温度为600°C，CaO和SSBC各添加3 wt.‰，SSBC粒径为0.15-0.30 mm，并结合高压水力脱水——污泥含水量

CRediT作者贡献声明

黄静欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件应用，方法论研究，数据分析，数据整理。李志伟：撰写 – 审稿与编辑，概念构思，监督，资金筹集。余浩：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。张伟珍：数据分析，撰写 – 审稿与编辑。童佳佳：数据分析，撰写 – 审稿与编辑。魏玉珍：数据分析。刘林宗汉：数据分析。王银：撰写 –

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黄静欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件应用，方法论研究，数据分析，数据整理。李志伟：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金筹集，概念构思。余浩：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。张伟珍：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。童佳佳：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。魏玉珍：数据分析。刘林宗汉：数据分析。王银：撰写 –

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国厦门市自然科学基金（编号3502Z20227086）、宁波市公益研究计划（编号2024S093）、福建省科技重大项目（编号2023YZ038009）、福建省社会发展重点项目（编号2025Y0059）以及福建省院省科技合作项目（编号2025T3010）的支持