随着当今社会能源短缺与环境污染问题日益加剧,城市有机垃圾能源化利用逐渐成为当前研究热点,其中餐厨垃圾与脱水污泥为两种最为典型代表,然而该类有机垃圾高含水率特性成为其能量回收的瓶颈。生物干化技术以其经济、节能、环保等优势被广泛应用于该类垃圾干化预处理,然而干化过程微生物极易受环境因素影响,造成反应启动迟缓,运行温度不稳定,最终产物干化效率低等问题。针对上述问题,本论文首先通过餐厨垃圾与脱水污泥联合调质,均衡生物干化物料中微生物及有机组成。结果表明,两者联合作用可有效缩短反应启动时间,促进物料升温,提高系统运行稳定性。餐厨垃圾的引入有效提高过程水分去除率(84.28-92.71%),而脱水污泥则提高了水分蒸发能量利用效率(62.96-68.13%),两者2:2联合作用表现出最高的生物干化因子(4.86 g H20/g VS)。同时调控变量考察结果表明,较小的调理剂粒径(<3 mm)更利于堆体蓄热升温,通风量0.04 m3·h-1.kg-1可有效结合生物热和空气对流影响,而初始含水率60%则可维持物料高生物活性,最终提高水分去除率(89.97%)。通过餐厨与污泥联合调质及变量优化,可有效实现两者协同高效的生物干化处理。调理剂是生物干化过程必要的添加物,本论文使用不同调理剂(玉米芯、稻草和木屑)进行联合生物干化研究,揭示其对物理调控和生物调节机制。基于理化性质分析,玉米芯表现出更优的孔隙结构和水分解吸特性。在生物干化过程中,玉米芯有效促进物料升温和水分去除,提高生物干化因子(5.97 g H20/g VS)。同时,玉米芯还提高淀粉酶及脂肪酶活性,促进易降解糖类和脂质分解,其中脂质分解为干化过程提供主要热量(40.58-41.53%)。相对其它调理剂,玉米芯更有效地提高系统能量利用效率,降低水分蒸发耗能(3.47 kJ/g H2O)。在干化过程中,Bacillus和Ochrobactrum分别成为高温和低温阶段优势菌属,促进初期易降解有机物及后期木质纤维素分解。本研究从机理上揭示了微生物代谢规律,可为生物干化处理中调理剂选择提供一定的理论依据。生物干化后期,针对物料在低温阶段微生物活性及干化效率较低的问题,本论文提出热辅助强化方法,并与传统过程进行对比。结果表明,热辅助作用(37℃)可有效提升低温阶段物料温度,同时提高生物代谢活性(0.0232-0.0292 0.0151-0.0209 d-1)和强化空气对水分去除效率(12.97-15.68 vs.5.05-8.23 kg·kPa)。此外,热辅助有效改善酶活性,促进有机物分解,提高能量利用效率(61.69-63.64%55.24-59.43%)。对比发现,为达到热辅助相同干化效果,传统干化过程需消耗更多外界热量进行深度干化(2.38-2.56 vs.1.30-1.67 kJ/g H20),且设备投资较高,延长回收周期。本研究证实热辅助作用可有效强化低温阶段生物产热,提升干化效果,减少外热消耗,具有良好的经济可行性。鉴于热辅助协同强化作用,本论文进一步提出高温热辅助(50℃)强化有机垃圾生物干化处理研究。结果表明,阶段式升温驯化方法可有效从脱水污泥中富集高活性的嗜高温接种物[OUR>5 mg 02/(g TS·h)],其细菌和真菌丰度均高于传统驯化物料。接种后,热辅助作用加速反应启动,物料温度8 h内超过辅助温度(58.1℃),具有较高的生物活性[8.92-9.09 mg O2/(g TS·h)],避免传统生物干化初始过程有机酸积累。热辅助提高了水分去除速率(4.46-5.49 kg·kPa)和有机物降解潜能(0.136 d-1),同样实现了物理和生物的协同强化。此外,在通风量0.8 L·min-1·kg-1下,热辅助生物干化运行4天,物料含水率即可降至30%以下,且过程仍以生物热为主(86.63%),具有较高的热能和风能利用效率,产物热值增长131.14%,相当于传统生物干化运行20天干燥效果。在有机物降解方面,高温热辅助作用显著提升淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶活性,强化糖类、脂质和纤维素分析。相反地,蛋白酶活性变化较小,热辅助抑制蛋白质降解,最终热辅助过程NH3释放量相对低于传统生物干化(216.5 280.8 mg)。在微生物组成中,细菌丰度远高于真菌,占据主导地位,其中Bacillus为优势菌属(>50%)。在干化初期,代替传统生物干化中耐酸性的Weissella,热辅助生物干化中Ureibacillus菌属快速繁殖,分解易降解底物和大分子有机物,促进堆体快速升温。在干化后期,Pseudoxanthomonas和Saccharomonospora菌属丰度逐渐提高,可促进木质纤维素类有机物分解。网络分析结果表明比例相对较低菌属,如Lactobacillus和Streptomyces,在生物干化细菌菌群间具有较高相关性,与各菌属联系密切。同样,为达到同等干化效果,热辅助生物干化、传统生物干化(+产物热干化)和热干化过程消耗外界热量分别为0.58、1.28和3.86 MJ/kg H20,热辅助过程能量消耗较低且产出比例较高。此外,本论文对生物干化产物的燃烧特性进行了分析,结果表明木质纤维类调理剂可有效提升有机垃圾燃烧特性。干化产物中大部分有机物在500-600 K分解(>50%)。通过Malek法和补偿效应法,确认本研究热分解机理方程为G(α)=-In(1-α)。热动力学参数表明生物降解促进木质纤维素热分解,同时提高初始燃烧活化能和反应复杂度,改善干化产物的稳定性,利于其短期储存。与褐煤相比,生物干化产物燃点和起始活化能较低,具有较高的燃烧指数和热值(11.97-12.66 MJ/kg),可进行有效的燃烧利用。综上所述,本论文研究结果表明,联合调质和热辅助方式可有效提高生物干化系统运行稳定性,强化过程微生物代谢,加速水分蒸发去除,有效实现高含水率有机垃圾经济、高效的减量化和稳定化处理,提高其能量回收潜能,为城市有机垃圾处理提供一种切实可行的处理途径。