作者：陈 伟1，郑晓园1，纪莎莎2，张守玉1( 1． 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093; 2． 上海市城市建设设计研究总院( 集团) 有限公司，上海 200125)
摘 要: 高含水率是制约污水污泥处理处置的关键因素之一。水热炭化( Hydrothermal carbonization，HTC) 是处理高含水物料的有效手段。本文综述了污泥水热炭化机理，对水热炭化固体产物———水热焦( Hydrochar) 的脱水干燥特性、燃料及燃烧特性、气化特性、氮磷元素的迁移转化机理、重金属迁移转化机理和典型污水污泥水热炭化工艺能量进行分析。基于吉布斯自由能最小化原理，研究了水热炭化温度和水热炭化时间对水热焦气化特性的影响，发现在 200 ℃ 和 30 min 时，碳转化率和冷煤气效率分别达到 93． 9% 和 64． 38% ，水热焦气化特性最佳。最后指出，在污水污泥协同水热炭化、磷形态准确分析及定向转化、水热焦气化机理和耦合水热炭化的污泥气化 /焚烧工艺能量、经济和环境评价等方面急待开展研究，最终为实现污泥的减量化、能源化和清洁化高效利用提供科学指导。
关 键 词: 污水污泥; 水热炭化; 水热焦; 氮; 磷; 能量分析
引 言
随着人口增加、经济发展和城市化率提高，城市污水处理规模逐渐增加，而城镇污水处理厂污染物排放标准日趋严格，污水污泥( 以下简称“污泥”) 产量逐年提高。根据住建部公报，2015 年我国湿污泥产量达 4000 万 t/a，预计到 2020 年将达到 6 000 ～ 9000 万 t［1］。污泥常规处置技术包括填埋、土地利用和焚烧等。但高含水率是制约污泥处置的瓶颈之一。作为处理高含水物料的有效手段，污泥水热炭化处理是指以污泥为原料，水为媒介，在一定的温度( 150 ～300 ℃ ) 及自压力作用下，经过一系列反应生成固体燃料———水热焦、少量以 CO2为主的气体和水热炭化废水［2］。本文将从水热焦的脱水干燥特性、燃料及燃烧特性、气化特性、氮磷元素迁移转化机理、重金属迁移转化机理和典型污泥水热炭化工艺能量分析等角度总结污泥水热炭化处理研究进展，并指出污泥水热炭化处理方面急待开展的研究，为后续污泥水热炭化处理技术的应用提供科学指导。
1 污泥水热焦形成机理
污泥水热焦的形成过程如图 1 所示［3 － 5］，其主要由焦炭“char”和焦炭“coke”组成，形成途径包括:
( 1) 水热炭化条件下，污泥通过脱挥发分、脱羟基、脱羧基以及缩聚反应等“固 － 固转化”形成焦炭( Char) ;
( 2) 污泥中的碳水化合物通过水解反应生成葡萄糖或果糖等可溶性中间产物，葡萄糖或果糖经过脱水反应转化为 5 － 羟甲基糠醛( HMF) ，并进一步由聚合反应生成焦炭( Coke) ;
( 3) 蛋白质水解成氨基酸，并与糖类羟甲基糠醛经 Mailard( 美拉德)反应形成含 N 杂环化合物，转变为焦炭( coke) 。随着水热炭化反应程度的提高，羟甲基糠醛等产物聚合反应越充分，焦炭( coke) 产率也随之增加，部分羟甲基糠醛会溶解在液相产物中。
2 水热焦特性
2． 1 脱水干燥特性
污泥中水分形态可分为自由水、间隙水、表面水和结合水［6］，其中表面水和结合水很难通过机械脱水方式脱除，机械脱水后其含水率只能降至 80% 左右。但经水热炭化处理后，污泥含水率可降至 50%以下。这是由于水热炭化过程中，微生物絮体解体及有机物水解降低了污泥黏度及黏性物质对水的束缚能力［7］。结合水含量降低，并转化成自由水，使
污泥的脱水性能大幅度提高。提高水热炭化温度或延长水热炭化时间均可改善污泥的脱水性能。图 2 为水热炭化温度对污泥毛细吸水时间的影响［8］。随着水热炭化温度的升高，毛细吸水时间减少，表明污泥脱水性能得到改善。当温度升高到 200 ℃ 时，毛细吸水时间下降幅度减小，说明其脱水性能趋于稳定。Meng 等人［9］对不同来源污泥进行水热炭化处理时发现延长水热炭化时间可以降低污泥含水率，达到一定时间后污泥含水率趋于稳定。水热炭化处理还能显著影响污泥的干燥特性。Zhao 等人［10］发现水热处理后，污泥的干燥速率提高和干燥时间缩短。Mkel 等人［11］考察了水热处理时间、水热处理温度以及 NaOH 和 HCl 添加剂对污泥干燥特性的影响，发现水热处理可以提高污泥水热焦的干燥速率，降低内部传热传质限制及样品收缩对其干燥通量的影响; 而且水热处理温度决定了水热焦的平均水分扩散率。但 Deng 等人［12］发现污泥的平均干燥速率随着水热处理时间和水热处理温度的增加而降低，不同于已有研究结果，可能是由干燥过程加热方式和干燥速率计算方式不同导致。
