废活性污泥（WAS）是城市污水处理厂产生的主要固废之一，其含水率通常高达99%以上，极大制约了后续热处理与能源回收的效率。传统脱水工艺对微孔束缚水的去除能力十分有限，往往需要投加大量有机或无机调理药剂，不仅成本高昂，还会显著降低污泥的热值，压缩其能源化利用空间。
针对上述瓶颈，来自中国的研究团队在国际期刊《npj清洁水》（npj Clean Water）上发表最新研究成果，提出了一种以二氧化碳笼形水合物（CO₂ clathrate hydrate）结晶相变为驱动力的污泥深度脱水新策略。该研究受国家自然科学基金（批准号52270137、52570173）及上海东方英才计划（批准号QNCX2024034）资助。
界面水重构加速水合物成核，热力学参数全面优化
研究的核心创新在于：利用低剂量表面活性絮凝剂对污泥界面水分子的排列构型进行有序化调控，产生"模板效应"，从而显著降低二氧化碳水合物的成核能垒，加快水合物生长速度。
研究团队综合运用原子力显微镜（AFM）和和频振动光谱（SFG）对界面水层进行表征，证实了毗邻水层厚度的减薄与水分子排列构型的重塑。热力学分析进一步量化了上述效果：与对照组相比，体系平衡压力降低12%，水合物生成焓降低14.6%，诱导时间缩短78%，生长速率提升273.7%。这一系列数据表明，通过预处理调控界面水构型，可以从热力学和动力学两个维度同步强化水合物的形成过程。
微孔网络演化追踪：结晶驱动孔隙贯通是脱水关键
为揭示宏观脱水效果背后的微观机制，研究团队引入同步辐射X射线计算机显微断层扫描（synchrotron X-ray CT）与低场核磁共振T1-T2弛豫谱两种原位表征手段，动态追踪水合物结晶过程中污泥孔隙结构的演变和水分迁移规律。
结果显示，水合物结晶诱导水分从凝胶状基质的分子间隙向外迁移，引发固相致密化、孤立孔隙消除，以及分散水体向连通导水通道汇聚等一系列结构重组过程。孔隙网络模型分析表明，处理后体系的孔隙配位数提升2.37倍，孔隙连通性大幅增强。这意味着，水合物脱水的本质不是非选择性地破坏固体组分，而是通过重构孔隙连通性，为束缚水的定向排出铺设"通路"。
在工程效果层面，该工艺的表现同样亮眼：毛细管吸水时间（CST）降幅高达94%；经非热板框压滤后，污泥滤饼含水率最低可达47%，且全程无需添加无机絮凝剂，有效保全了污泥的热值，为后续厌氧消化或焚烧发电提供了更高品质的原料。
无机药剂归零，热值保全开启污泥能源化新空间
传统污泥调理普遍依赖氯化铁、石灰等无机混凝剂，这些药剂虽能改善脱水性能，却会引入大量灰分，稀释污泥热值，制约其能源利用潜力。该研究实现全程不投加无机混凝剂，仅以低剂量表面活性絮凝剂配合二氧化碳水合物结晶完成深度脱水，兼顾了脱水效率与污泥品质的双重目标。
从行业视角审视，这一技术路线与当前污泥处置政策导向高度契合。随着国内"减量化、稳定化、无害化、资源化"处置要求不断收紧，以及碳达峰背景下对污泥能源化利用的日益重视，如何在高效脱水的同时最大程度保全有机质热值，正成为行业攻关的核心命题。水合物脱水策略以相变物理过程替代大剂量化学药剂，为破解这一两难困境提供了颇具价值的参考思路。国内污泥处理设备制造商与工程企业不妨密切关注该技术从实验室走向中试放大的进展，提前布局相关工艺集成与装备开发。