我国城市污泥年产量高、分布广,环境危害大,国家生态文明战略实施和碳减排目标达成必须应对。传统的填埋、堆肥、焚烧及资源化的热解、建材化等处置技术均受成本或重金属问题制约,污泥增值利用的技术亟待开发。实现污泥增值利用,才可更加有效地促进环境保护,推动社会绿色、低碳、循环发展。因为可获得能固碳和固化重金属,且用于吸附、催化或土壤改良的污泥炭产品,污泥炭化被认为是实现污泥增值利用的潜力途径。但已有污泥炭化技术的关键瓶颈是难以同时兼顾热解炭性能提升、重金属稳定固化和能耗有效管控。因此本文提出污泥微波诱导协同炭化及重金属固化的技术思路。先通过短时常规调质热解实现污泥部分炭化,以增强介电特性和吸波升温特性;然后微波作用于调质热解炭,基于其本身的强吸波特性,在不添加任何强化介质情况下完成快速深度炭化。该技术路径可充分发挥微波加热的选择性、快速性和整体性优势,通过微波能的高效热转化实现整体能效提升。该技术路线基于微波诱导高能位点实现污泥的原位炭化强化和重金属微域玻璃化固化机制,能够集成实现污泥热解炭的性能提升、重金属固化和能耗管控,获得优化稳定的热解炭产品,为污泥增值利用开辟一条优势技术途径。本文采用试验手段,从可行性分析到机理研究,再到工艺能耗分析与炭产物应用潜力探索的研究思路和技术路线。对污泥微波诱导协同炭化过程的关键影响因素,以及相应机制展开系统的讨论与研究。开展的主要工作内容与结果如下所述:首先,通过与传统炭化路线所得污泥炭的品质进行比较,展开对协同炭化过程的可行性研究并明确其优势。结果表明:污泥协同热解炭的孔隙结构优异且重金属固化效果好,微波诱导协同炭化过程可行。其中,优选协同热解炭的比表面积约65 m2/g,比优选单独常规热解炭的约50 m2/g高出近30%;比优选单独微波热解炭的26 m2/g高出近150%。污泥协同热解炭的重金属固化程度高,浸出性显著降低。优选单独常规热解炭的重金属残留率约为40～75%,优选单独微波热解炭的重金属残留率约为40～50%;而优选协同热解炭的重金属残留率约为80%,且重金属的浸出量最小。协同炭化过程通过调控并降低热解温度、时间或微波功率的措施,均有利于管控和降低协同炭化过程的整体能耗。其次,研究污泥介电特性和吸波升温特性随其热解程度的演变规律,探寻协同炭化过程的优化匹配条件。结果表明:优化的匹配条件参数为:调质热解温度为600～700℃左右,调质热解时间为5～20 min左右,微波辐照功率为700～1000 W左右,微波辐照时间为3～6 min左右。调质热解温度是影响污泥介电特性和吸波升温特性的关键因素,随调质热解温度升高,污泥调质热解炭的介电特性增强越明显,进而增强其吸波升温特性。影响因素由强到弱依次为:调质热解温度,微波辐照功率和时间,调质热解时间和质量。调质热解温度约为600℃及以上时,有利于使污泥调质热解炭获得适度的介电与吸波升温特性。调质热解程度影响污泥介电特性的机制,主要归因于调质热解温度能明显改变调质热解炭的化学成分及微观结构,通过提高调质热解炭中固定碳的含量与石墨化程度,来增强介电特性。然后,基于污泥介电特性和吸波升温特性的优化匹配条件,从优化热解炭理化结构特性的角度筛选协同热解匹配条件。结果表明:优化的匹配条件参数为:调质热解温度为700℃左右,调质热解时间为10～15 min左右,微波辐照功率为700～900W左右,微波辐照时间为4～5 min左右。调质热解温度是影响污泥协同热解炭理化结构特性的关键因素,其次是微波辐照功率及时间,调质热解时间及质量。当调质热解温度从400℃增大到700℃时,污泥协同热解炭的热解程度和稳定性得到显著提高,其中摩尔比值H/C减小约62%、固定碳含量增大约75%,pH值从约7.5增大到11.5;孔隙结构更发达,比表面积增大约432%,平均孔径以中孔为主且减小约49%,总孔容增大约218%;更有利于改变污泥协同热解炭的矿相形式,生成微纳米尺寸的玻璃化球形颗粒以及新的晶体结构。相比于传统炭化路线所得污泥炭,优化的污泥协同热解炭的孔隙结构更优异。主要归因于微波诱导调质热解炭的高能位点而产生的微域高温,有利于强化其微域内的灰分熔融玻璃化和挥发分的强化析出而改善孔隙结构。再者,基于污泥介电特性和吸波升温特性,及理化结构特性的优化匹配条件,以污泥中常见重金属Cu、Zn、Ni及Pb作为研究对象,从优化热解炭对重金属固化特性的角度继续筛选协同热解匹配条件。结果表明:优化的匹配条件参数为:调质热解温度600～700℃左右,调质热解时间10～20 min左右,微波辐照功率700～1000 W左右,微波辐照时间3～6 min左右。调质热解温度是影响污泥协同热解炭重金属固化特性的关键因素,其次是调质热解时间,微波辐照功率及时间,调质热解质量。当调质热解温度增大到600～700℃左右,且尽量缩短调质热解时间和微波辐照时间时,有助于获得重金属的残留率较高、浸出率较低、残渣态（F4）比例较高且风险较低的污泥协同热解炭。相比于传统炭化路线所得优化污泥炭,优化的污泥协同热解炭的重金属固化效果更好。其机理主要归因于两方面因素:一是炭化时间的缩短降低重金属的挥发几率,进而减小损失量;二是微波作用于吸波性增强的调质热解炭能够产生微域高温,从而造成污泥炭的微域玻璃化现象,降低重金属的浸出能力。最后,基于上述试验与机理研究结果,初步建立微波诱导协同炭化工艺,并对其能耗特点进行分析,还探究优化污泥协同热解炭作为碳基催化剂的应用潜力,以探索协同炭化工艺及所得热解炭的实际应用价值。结果表明:协同炭化过程与常规高温直接炭化过程的能耗差异,主要体现在协同炭化过程微波诱导炭化阶段的设备表面散热损失较小。制备理化结构和重金属固化特性等品质近似的污泥热解炭时,协同炭化过程比常规直接炭化过程具有约20%甚至更高的节能潜力,且微波诱导阶段用时越短节能性越显著。本课题能为制备廉价且高效的碳基催化剂提供一种参考工艺。