通过微波“热泵”效应重建孔隙网络，可以实现市政污泥的协同深度脱水处理

《Journal of Environmental Sciences》：Pore network reconstruction via microwave “heat-pump” effect enables synergistic deep-dewatering of municipal sludge

　　表Binqi Rao|Haoke Zhang|Yin Duan|Weilun Ren|Fudong Gong|Yiqi Zhang|Hao Xu|Fang Zhou|Yulong Wu|Yan Zhang
中国浙江工业大学机电工程学院，杭州310018，中国

**摘要**
随着中国每年产生的市政污泥量超过8000万吨，高干度和高效脱水对于实现可持续污泥处理至关重要。然而，污泥孔隙结构的堵塞严重限制了机械脱水效果。为了解决这一挑战，提出了一种微波-机械协同技术来提高污泥的脱水性能。通过表征污泥的孔隙结构、水分分布、胞外聚合物（EPS）和表面形态，系统探讨了微波对污泥微观结构的影响。结果显示，微波-机械处理（700瓦，300秒，3兆帕）通过破坏EPS的胶体结构和释放机械结合水，将最终含水量从84.5%降低到21.37%。随着微波处理时间的增加，NMR渗透率从0.0242 mD（60秒）上升到0.0504 mD（120秒），这是由于孔隙膨胀；随后由于水分去除和结构致密化，渗透率下降到0.0011 mD（300秒）。在300秒时，微孔和较大孔的比例分别比60秒时降低了92.71%和82.25%。这种優化的孔隙结构改善了孔隙连通性，并扩展了水分传输路径，从而通过协同效应提高了机械脱水效果。开发了一种新的二维脱水模型，该模型结合了“热泵”效应来解释孔隙演变机制：蒸汽引起的颗粒膨胀和微裂纹形成，随后是裂纹扩展和结构破裂。总的来说，这项研究旨在为优化微波辅助污泥脱水系统提供理论基础。

**引言**
随着全球城市化的加速，市政污水处理厂产生的剩余污泥量急剧增加。在中国，2024年的污泥产量（含水量约为80%）达到了近8000万吨，并预计到2025年将超过9000万吨，这对环境管理和可持续资源利用构成了严峻挑战（Zhang等人，2023a）。市政污泥通常含有重金属、病原微生物和难降解有机物，如果管理不当，可能对环境和健康造成重大风险（Khan等人，2023；Wang等人，2024a）。因此，开发高效、安全和可持续的污泥处理技术变得日益紧迫。

污泥脱水是污泥管理中的关键步骤，因为它可以减少体积、降低运输成本，并为后续处置或资源回收（如焚烧、燃料利用或建筑材料生产）创造条件（Mahmoud等人，2011；Wu等人，2020）。在工程实践中，污泥脱水通常采用两阶段配置。市政污水处理厂通常只进行初级机械脱水，将含水量从约95%降低到80%-85%。然后，预脱水后的污泥被输送到集中污泥处理或处置设施，在那里需要进行二次深度脱水，以进一步降低含水量，再进行热干燥或最终处置。

在高压机械作用下，由于市政污泥中含有大量的胞外聚合物（EPS）和细小胶体颗粒，其具有强压缩性。随着压力的增加，污泥饼迅速压实，孔隙结构崩溃，排水通道被严重堵塞，导致渗透率大幅下降和水分去除效率降低（Huang等人，2022；Yuan等人，2024）。例如，当机械压力从2兆帕增加到10兆帕时，大孔（>0.4微米）的比例从66.68%降低到48.07%，导致污泥饼进一步致密化，水分迁移受到限制（Rao等人，2017）。毛细力将水分困在压缩的孔隙网络中，产生不均匀的水分分布和高残留水分含量（Rao等人，2019b）。因此，即使在高压过滤下，传统的机械脱水也通常只能达到60%-80%的含水量，进一步降低水分含量需要更多的能量且效率低下。

污泥脱水的效率从根本上受到孔隙结构特性和水分结合状态的限制（Hou等人，2024；Liu等人，2025）。污泥中的水分主要以机械结合状态存在，而不是自由状态。当含水量超过35.29%时，机械结合水可以占总水分的90%，而自由水只占很小一部分（Mao等人，2015）。在高压压缩下，孔隙网络的崩溃不仅限制了排水路径，还增强了水-固体相互作用，进一步阻碍了水分释放。这些结构和物理化学耦合的限制表明，有效的脱水需要同时调节孔隙结构和破坏结合水，而不仅仅是增加压力（Liu等人，2024；Zhang等人，2022）。

微波辐照作为一种场辅助脱水策略，因其体积加热和选择性加热特性而受到越来越多的关注。在2.45 GHz频率下，微波能量使水分子快速发生偶极旋转，从而实现内外加热并加速内部水分迁移（Aishwarya和Sindhu，2016；Ivanov等人，2024；Sun等人，2023）。与传统的热干燥不同，微波辐照可以在封闭的孔隙空间内产生局部蒸汽压力，促进内部水分传输，同时有助于杀菌和部分有机物的降解（Avsar和Kurt，2017；Janí?ek等人，2016）。先前对页岩、砂岩和煤等多孔介质的研究表明，微波诱导的选择性热膨胀可以产生微裂纹并增强孔隙连通性，从而提高渗透率和渗流性能（Chen等人，2024；Zhang等人，2024）。在污泥系统中也观察到了类似现象，微波处理破坏了胶体结构并改变了孔隙网络，从而改善了脱水性能（Zhang等人，2021）。

然而，大多数现有研究将微波辐照视为一种独立的干燥方法或预处理步骤，对其在机械脱水过程中作为原位场调节器的作用关注较少（Tyagi和Lo，2013；Vialkova等人，2021）。尽管最近有一些研究探索了微波辅助的机械脱水，但这些过程通常是两阶段系统，其中微波辐照主要用作结构预处理方法，而不是在过滤过程中发挥作用（Pirouzi等人，2024；Yang等人，2025）。此外，以往关于微波诱导污泥孔隙改性的研究很少结合机械压力过滤，难以阐明在实际工程条件下的协同脱水机制（Zaker等人，2019；Li等人，2022）。因此，在本研究中，采用了一种结合机械压力过滤和微波辐照的方法来解决预脱水市政污泥（初始含水量约为84.5%）的二次深度脱水瓶颈。微波辐照不仅作为加热或干燥源，还作为压力过滤过程中的场调节工具。通过将微波能量转化为污泥基质内的内部热能和局部蒸汽压力，实现了原位的“热泵”效应。使用低场核磁共振（LF-NMR）分析了污泥样品的孔隙结构，并基于NMR得到的渗透率和水分路径评估了污泥内的水分传输。通过扫描电子显微镜（SEM）、分形维度和颗粒大小分布分析表征了污泥的微观结构。通过三维激发-发射矩阵（3D-EEM）荧光光谱跟踪了有机物质的变化。基于这些分析，提出了一种分阶段孔隙演变和水分迁移机制，以阐明微波增强二次污泥脱水的协同效应。

**部分摘录**
**污泥样品**
污泥样品来自中国的杭州七格污水处理厂。该厂的处理能力为每天120万吨，采用厌氧-缺氧-好氧（A2/O）工艺。污泥样品在每吨干固体添加2-3公斤阳离子聚丙烯酰胺后，使用带式压滤机进行预脱水，达到约84.5%的含水量。污泥样品的详细信息见附录A表S1。

**污泥中的水分分布变化**
图1a显示了处理时间对污泥样品水分分布变化的影响。随着 microwave 处理时间从0秒增加到300秒，机械结合水从71.25%降低到20.17%，而间隙水从0.72%增加到1.2%，表明微波具有快速脱水的能力。图1b展示了机械过滤和微波强度对污泥中水分分布的影响。

**结论**
本研究探讨了微波-机械协同脱水对市政污泥的处理效果，重点关注了孔隙结构演变和水分重新分布。主要结论如下：
- 微波-机械协同处理显著提高了污泥的脱水效果。在最佳条件下（700瓦，300秒，3兆帕），水分含量从84.5%降低到21.37%，水-固体相互作用减弱，结合水转化为间隙水。

**作者贡献声明**
Binqi Rao：撰写—审阅与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。
Haoke Zhang：撰写—初稿撰写、审阅与编辑、可视化、形式分析。
Yin Duan：监督、撰写—审阅与编辑。
Weilun Ren：撰写—初稿撰写、数据管理、研究。
Fudong Gong：资源提供。
Yiqi Zhang：数据管理、形式分析。
Hao Xu：资源提供。
Fang Zhou：监督。
Yulong Wu：资源提供。
Yan Zhang：监督。