马 涛，闫娟枝，王军丽
（太原学院 材料与化学工程系）
污泥基水热炭强化颗粒污泥运行效能及作用机制
马 涛， 闫娟枝， 王军丽
（太原学院 材料与化学工程系，山西 太原 030032）
摘 要： 为阐明污泥基水热炭对除磷颗粒污泥的强化机制，以剩余污泥制备水热炭，构建序
批式反应器，在0~2.0 g/L投加梯度下连续运行100 d，系统考察其对污泥性状、微生物群落及脱氮除
磷性能的影响。结果表明，水热炭具备多孔结构（比表面积为68.5 m
2
/g，总孔容为0.18 cm
3
/g）与丰富
的表面官能团（羟基、羧基等）。当水热炭投加量为1.0 g/L时强化效果最佳，污泥密实度与颗粒化程
度显著提升，功能性微生物群落丰富度最高，优势菌门为 Proteobacteria（42.6%）与 Bacteroidetes
（21.5%），聚磷菌（Candidatus Accumulibacter，7.5%）与硝化菌（Nitrospira，4.9%）明显富集，ppk1 基因
丰度提高2.3倍，关键酶活性达到峰值，总磷、氨氮与COD去除率分别达到96.8%、98.5%和94.6%。
而过量投加（2.0 g/L）水热炭会引发污泥颗粒中空化，导致功能菌与基因丰度下降，处理效能降低。
水热炭通过微生物调控与物质转化协同机制优化污泥性能，强化颗粒化过程，该研究可为污水深度
脱氮除磷与污泥资源化提供理论依据与技术途径。
关键词： 颗粒污泥； 水热炭； 脱氮除磷； 功能基因； 微生物群落
中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1000 - 4602（2026）11 - 0089 - 08
Operational Efficiency and Mechanism of Granular Sludge Enhanced by
Sludge‑based Hydrochar
MA Tao， YAN Juanzhi， WANG Junli
（Department of Materials and Chemical Engineering， Taiyuan University， Taiyuan 030032，
China）
Abstract： To elucidate the enhancement mechanism of sludge⁃based hydrochar on phosphorus⁃
removing granular sludge, this study prepared hydrochar from waste activated sludge and constructed
sequencing batch reactors operated for 100 days with hydrochar addition gradients of 0-2.0 g/L. The
effects on sludge characteristics, microbial community, and nitrogen and phosphorus removal performance
were systematically investigated. Results showed that the hydrochar possessed a porous structure (specific
surface area 68.5 m
2
/g, total pore volume 0.18 cm
3
/g) and abundant surface functional groups (e. g.,
hydroxyl and carboxyl). The optimal effect was observed at 1.0 g/L of hydrochar dosage, which
significantly improved sludge compactness and granulation degree, and resulted in the highest richness of
functional microbial communities. Proteobacteria (42.6%) and Bacteroidetes (21.5%) were the dominant
phyla, with significant enrichment of phosphate⁃accumulating organisms (Candidatus Accumulibacter,
7.5%) and nitrifying bacteria (Nitrospira, 4.9%). The abundance of the ppk1 gene increased by 2.3 times,
and key enzyme activities reached their peak. In this group, the removal efficiencies of total phosphorus,
DOI：10. 19853/j. zgjsps. 1000-4602. 2026. 11. 013
基金项目：山西省教育厅教学改革创新项目（J20231431）
·89·第 42 卷 第 11 期
中 国 给 水 排 水
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ammonia nitrogen, and COD reached 96.8%, 98.5%, and 94.6%, respectively. However, excessive
addition of hydrochar (2.0 g/L) induced hollowing of granules, leading to a decline in functional microbe
abundance and treatment performance. Hydrochar optimizes sludge properties and enhances granulation
through a synergistic mechanism involving microbial regulation and substance transformation, providing
theoretical and technical support for advanced nitrogen and phosphorus removal in wastewater and sludge
resource recovery.
Keywords： granular sludge; hydrochar; nitrogen and phosphorus removal; functional gene;
microbial community
颗粒污泥是一种依赖微生物在胞外聚合物
（EPS）作用下形成的致密生物团聚体，具有沉降性
能好、生物密度高和抗冲击负荷能力强等优势，在
污水处理中应用广泛［1］ 。然而，其在实际应用中仍
存在启动周期长、低温下结构松散与除磷效果下
降、高负荷下易解体等问题［2］ 。因此，开发新型强化
材料以促进除磷颗粒污泥快速形成并增强其结构
稳定性，已成为当前研究的重要方向。
污泥作为污水处理厂的主要副产物，用其制备
水热炭兼具“以废治废”与资源循环利用优势［3］ 。水
热炭因独特的多孔结构、较大的比表面积及丰富的
表面官能团，在吸附、催化、能源等领域已展现应用
潜力，例如可吸附水体中的重金属与有机物，或作
为电极材料用于能量存储［4］。Shi 等［5］研究报道水
热炭在提高甲烷生产速率和产量方面均高于生物
炭，且水热炭诱导与电子传递相关的代谢物上调。
在污水处理方面，一种以 Ni-Mg-Al 层状双氧化物
催化的水热炭可强化脱氮被证实［6］ 。水热炭可通过
提供微生物附着界面、官能团络合除磷、调节微环
境及缓释碳源以促进 EPS分泌等多重方式，协同强
化颗粒污泥结构与效能。但截至目前，其在颗粒污
泥快速培养中的应用潜力仍未被充分认知，关键机
制有待揭示。为此，本研究旨在通过系统解析污泥
基水热炭对颗粒污泥形成、结构及去除营养盐性能
的影响规律，深入探究其调控微生物群落、酶活与
功能基因的作用方式，最终揭示微生物调控与物质
转化协同强化的内在机制，为缩短启动周期、提升
系统稳定性并推动污泥资源化利用提供关键技术
支撑，兼具重要的环境效益与工程价值。
1 材料与方法
1. 1 实验材料
实验用剩余污泥取自某市政污水处理厂二沉
池，污泥取回后在实验室静置24 h，去掉上清液后基
本特性如下：含水率为82. 5%，pH为6. 8，TP含量为
3. 2 g/kg，挥发性固体（VS）含量为 3. 8 g/L，总固体
（TS）含量为 5. 2 g/L。污泥采集后置于 4 ℃冰箱保
存，使用前经100目筛网过滤以去除杂质。
水热炭以污水处理厂剩余污泥为原料，采用水
热合成法制备，具体步骤参考文献［7］并略有调整：
首先将新鲜剩余污泥在 4 000 r/min 下离心 10 min，
获得含水率约80%的浓缩污泥；取100 mL浓缩污泥
置于200 mL聚四氟乙烯内衬高压反应釜中，密封后
转入烘箱，以 5 ℃/min 升温至 200 ℃，保温反应 2 h；
反应结束后自然冷却至室温，产物经去离子水重复
洗涤、离心 6~8 次，直至上清液 pH 稳定在 6. 5~7. 0；
所得固体经冷冻干燥（-50 ℃，10 Pa，48 h）至恒质
量，研磨后过 80 目筛，筛下物密封保存于干燥器中
备用。
实验用水为模拟城市污水，参照目标污水处理
厂进水水质配制，具体配方如下：葡萄糖为150 mg/L，
乙酸钠为 70 mg/L，KH
2
PO
4
为 37. 3 mg/L，NH
4
Cl 为
152. 7 mg/L，尿素为34 mg/L，MgSO
4
·7H
2
O为20 mg/L，
CaCl
2
为 10 mg/L，FeSO
4
·7H
2
O为 0. 5 mg/L，微量元素
溶液为 1 mL/L。实验用水经缓冲溶剂调节 pH 至
7. 0±0. 2，主要水质特性如下：COD为（230±15） mg/L、
TP 为（8. 5±0. 3） mg/L、NH
4
⁺-N 为（40±2） mg/L、TN
为（56±3） mg/L。
