基于多元线性回归的污泥水热炭燃料特性研究

水热处理是一种高能效的污泥绿色预处理方法，可显著改善污泥脱水性能。掌握水热处理对污泥燃料特性的影响规律是顺利实现其后续热化学转化的前提。利用皮尔逊相关性分析评估原始污泥理化性质和水热处理条件与水热炭理化性质之间的线性相关关系。结果表明，水热炭中氢、氮、氧和挥发分含量与水热温度具有较强的负相关关系，而灰分和固定碳含量与水热温度具有较强的正相关关系。高位热值主要受原始污泥中碳、氢和灰分含量的影响，与原始污泥中碳、氢含量呈极强的正相关关系，而与灰分含量呈极强的负相关关系。高灰分含量会影响水热炭中碳含量变化，转化为干燥无灰基后，碳含量随着水热温度升高而增加。但较高的水热温度不利于水热炭收率增加。相比于水热温度，反应时间的影响较弱，上述结论与实验结果高度一致。根据方差分析建立包含具有统计意义变量的回归模型，模型精度较高(Adj.R2 > 0.8, RMSE < 5%)，但对水热炭收率和含水率的预测精度略低。研究结果对水热炭燃料特性评估和水热处理条件优化具有指导意义。

城市污水污泥(以下简称“污泥”)是污水处理过程产生的副产物[1]。随着城市化和工业化进程的加快，我国污泥产量逐年提升，年均增长率达10.7%。其中，2019 年湿污泥产量达到6325 万吨[2]。因污泥中含有病原体、重金属和持久性有机污染物等有害物质，若处置不当，易引起二次污染[3]。污泥堆肥已逐渐受限，而卫生填埋也因土地资源稀缺而逐渐减少[4]。同时，污泥中含有大量有机物，可通过厌氧消化或者焚烧、热解及气化等热化学方法将其转化为能源或燃料[5]。为维持污泥自持燃烧，陈等[6]认为污泥入炉前含水率需达到65%。由于污泥脱水性能非常差，传统机械脱水方式只能将含水率降到80%左右[4]。而污泥热干化能耗高，同时还会产生VOCs (挥发性有机物)和NH3、H2S 等污染物[7]。Kim 等[8]认为整个热解处理过程的主要能量输入来自污泥干燥，约占65%~75%。

水热处理是指在一定温度及自饱和压力条件下，将污泥转化为含碳固体产物水热炭、水热液和少量气相产物(主要为CO2)的过程[9] [10]。该过程经历了水解、脱水、脱羧、聚合和芳构化等复杂的化学反应[11]。相比于原始污泥，脱水和干燥性能均得到显著改善[12]。据王等[13]报道，初始含水率为87%的剩余污泥经水热处理后，通过机械脱水可将含水率有效降至27%。此外，水热炭H/C 和O/C 原子比接近褐煤[14]，具有作为清洁固体燃料使用的前景[15]。