導語
面對全球農業與環保領域的雙重挑戰，如何將有機廢棄物轉化為高附加值資源，一直是科學界的研究熱點。近日，清華大學環境學院的研究團隊在《環境科學與工程前沿》發表了一項突破性成果：通過玉米秸稈與污水污泥的共同水熱腐殖化技術，成功制備出高氮含量的腐殖酸（HHA）。這一技術不僅解決了農業廢棄物和市政污泥的處理難題，還實現了資源的高效循環利用，為綠色農業和土壤修復提供了新思路。

變廢為寶：從“垃圾”到“黃金”的關鍵技術

腐殖酸（Humic Acid, HA）是土壤、海洋和河流中廣泛存在的天然有機物質，具有促進植物生長、修復污染土壤、增強土壤保水性等重要作用。然而，傳統腐殖酸依賴煤炭等不可再生資源提取，效率低且破壞環境。研究團隊另辟蹊徑，選擇玉米秸稈（富含有機碳）和污水污泥（富含氮元素）作為原料，利用水熱腐殖化技術，模擬地球地殼的高溫高壓環境，將兩類廢棄物轉化為高價值的富氮腐殖酸（HHA）。

水熱腐殖化的核心在于兩步反應：

  1. 酸性水熱碳化：玉米秸稈與污泥在180℃、稀鹽酸環境下反應4小時，生成中間產物“水熱炭”（Hydrochar）。
  2. 堿性水熱腐殖化：水熱炭在堿性條件下進一步反應，最終提取出液態腐殖酸（HHA）。

研究團隊對比了兩種混合模式：

  • 模式一：玉米秸稈與污泥直接共同碳化，再進行堿性處理。
  • 模式二：玉米秸稈先單獨碳化，所得水熱炭再與污泥混合處理。

結果顯示，兩種模式的HHA產量相近，但模式一的HHA氮含量幾乎是模式二的兩倍（最高達3.8 wt%），且含有更多鈣、鉀、鎂等有益金屬元素。

為何模式一更勝一籌？氮固定與協同反應是關鍵

污水污泥的氮含量（2-6 wt%）遠高于玉米秸稈（0.4 wt%），但傳統方法難以將污泥中的氮高效固定在腐殖酸中。研究發現，共同水熱碳化過程觸發了“美拉德反應”（一種非酶褐變反應），促使污泥中的氮與玉米秸稈的碳骨架結合，形成穩定的含氮結構（如酰胺、吡咯等）。X射線光電子能譜（XPS）分析表明，模式一的HHA中，吡咯/酰胺類氮占比高達64.6%，顯著提升了氮的利用率。

此外，污泥的高灰分（52.4 wt%）雖然會略微降低HHA產率，但其豐富的無機成分（如硅、鐵）反而增強了腐殖酸的穩定性。研究還證實，HHA中重金屬含量遠低于國家限值，鉛、汞、鎘等有害元素幾乎未檢出，完全符合農業應用的安全標準。

環保與經濟效益雙贏：一噸污泥可產150公斤腐殖酸

當前，全球每年產生數億噸玉米秸稈和污水污泥，傳統處理方式（填埋、焚燒）不僅占用土地，還會釋放溫室氣體。此項技術的推廣可實現“以廢治廢”：

  • 每噸玉米秸稈與污泥混合物可生產15-35%的HHA，按污泥占比50%計算，1噸污泥可產出約150公斤腐殖酸。
  • HHA可直接用于土壤改良，替代化肥，減少氮流失，提升作物產量。
  • 污泥中的硅、鉀等元素隨HHA進入土壤，進一步促進植物生長。

研究團隊指出，模式一的技術路線更適用于工程化應用。其優勢在于：

  1. 高效處理污泥：直接混合處理可減少預處理步驟，降低能耗。
  2. 資源最大化：相同原料下，模式一的HHA氮含量更高，附加值提升。

未來展望：從實驗室走向田間地頭

目前，該技術已通過小規模實驗驗證，下一步將推動中試和產業化應用。研究負責人盧文靜教授表示：“這項技術不僅為農業提供了綠色肥料，還為城市污泥找到了可持續出路。未來，我們計劃與環保企業合作，開發模塊化水熱反應裝置，讓技術更快落地。”

隨著全球對循環經濟和碳中和的重視，玉米秸稈與污泥的“協同轉化”模式有望成為有機廢棄物資源化的標桿。這項來自中國科學家的創新成果，正為全球環境治理與農業可持續發展注入新動力。

結語
從無人問津的農業秸稈和市政污泥，到富含氮元素的“黑色黃金”，水熱腐殖化技術展示了科技賦能環保的無限可能。這項研究不僅破解了廢棄物處理的困局，更開辟了一條資源循環利用的新路徑——讓垃圾成為滋養土地的寶藏，或許正是未來綠色地球的答案。

來源: FESE Message