膜技术与鸟粪石沉淀联用处理污泥水热炭化液中的污染物：效能评估与机制解析

本研究针对污泥水热炭化液(HTCL)高有机物和氮磷污染的难题，创新性地结合膜技术(陶瓷/聚合物膜)与鸟粪石(MgNH4 PO4 ·6H2 O)沉淀工艺。通过系统评估14种膜对HTCL及其沉淀后液体(HTCLS)的净化效能，发现PES 5 kDa膜对HTCLS的NH4 + 去除率达68.8%，鸟粪石预处理使膜通量提升9-74%。该研究为污泥资源化提供了关键技术支撑，发表于《Water Resources and Industry》。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂产生的污泥处理成为环境领域重大挑战。传统填埋和焚烧方式不仅占用土地资源，还可能造成二次污染。水热炭化(HydroThermal Carbonization, HTC)作为一种新兴热化学技术，能在温和条件下(180-260°C)将污泥转化为高附加值碳材料，但其产生的副产物——水热炭化液(HTCL)含有高浓度有机物(COD达30340 mg/L)、氮(N_total
2850 mg/L)和磷(PO₄
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1460 mg/L)，直接排放会导致水体富营养化。现有处理方法如厌氧消化、湿式氧化等存在效率低、成本高等缺陷，亟需开发高效协同处理工艺。

针对这一难题，来自波兰的研究团队在《Water Resources and Industry》发表创新性研究，首次系统评估了膜技术与鸟粪石沉淀联用对HTCL的净化效果。研究团队选取3种陶瓷膜(Ceram 5/50 kDa、0.14 μm)和11种聚合物膜(包括PES、再生纤维素及NF膜)，对比分析其对原始HTCL和鸟粪石沉淀后液体(HTCLS)的处理效能，并深入探究了膜污染机制与营养盐回收潜力。

关键技术方法包括：(1)采用死端过滤系统(0.4 MPa)评估膜通量(J)和截留率；(2)通过调节pH=9.0、N:Mg:P=1:1:1实现鸟粪石结晶；(3)结合SEM、XRD表征膜污染和晶体结构；(4)测定COD、NH₄
⁺
、PO₄
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等关键指标。实验所用污泥来自波兰Lubin污水处理厂，HTC反应条件为210°C、2小时。

膜性能比较
通过颜色观察和COD测定发现，PES 5 kDa膜对HTCLS的净化效果最佳，其渗透液COD降至11210 mg/L(降幅60.1%)。NF膜NPO30P对原始HTCL的NH₄
⁺
去除率为24.4%，而鸟粪石预处理后，同种膜对NH₄
⁺
的去除率提升至71.1%。值得注意的是，再生纤维素膜(C-type)出现负截留现象，推测与离子浓度极化效应有关。

鸟粪石协同效应
沉淀工艺使HTCL中PO₄
-P降低61%，同时改变液体特性：pH从7.0升至8.9，电导率增加37%。XRD证实沉淀物主要为二水磷酸铵镁(dittmarite)，SEM显示其呈X型分支结构。这种预处理显著缓解膜污染，使Ceram 5 kDa膜的通量恢复率提升63.1%。

膜污染机制
SEM显示5 kDa膜表面形成致密污染层，而50 kDa膜污染物主要堵塞孔道。相对渗透率(∝∝)分析表明，PES 150 kDa膜污染最严重(∝∝=0.2)，鸟粪石预处理可使其恢复至0.8。

该研究证实膜技术与鸟粪石沉淀具有显著协同效应：鸟粪石结晶不仅回收了86%的磷资源，还通过去除胶体物质使后续膜通量提升9-74%。PES 5 kDa膜对HTCLS的净化效能最优(NH₄
⁺
去除68.8%)，而NF膜更适用于原始HTCL处理。这一创新工艺为污泥处理提供了"资源回收-深度净化"的双重解决方案，其技术路线可推广至餐厨垃圾、藻类等有机废弃物的处理领域。研究结果对实现欧盟提出的磷资源循环战略具有重要实践意义。