隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，中國產(chǎn)生的市政廢水和污泥量持續(xù)增加。到2023年，已建成超過2900座市政污水處理廠，總處理能力超過2.26億立方米/天。預(yù)計(jì)到2030年，全球干污泥產(chǎn)量將超過1.275億噸[1]。污泥中含有重金屬、致癌、致畸和致突變（CTM）有機(jī)污染物以及病原微生物，同時具有較高的含水量和快速分解的特性。不當(dāng)處置可能導(dǎo)致嚴(yán)重的二次污染，威脅地下水、土壤和生態(tài)安全。傳統(tǒng)的處置方法如焚燒和填埋存在顯著限制，包括二噁英和含重金屬的飛灰排放、土地占用以及滲濾液污染等問題，這些因素削弱了它們的可持續(xù)性[2]。因此，迫切需要開發(fā)生態(tài)可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)可行的污泥處理技術(shù)[3]。

熱解是一種熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，可將有機(jī)材料分解為生物炭、生物油和合成氣[4]。該過程不僅顯著減少了污泥體積，還促進(jìn)了有機(jī)成分（尤其是富含氮的組分）向高價(jià)值含氮雜環(huán)化合物的轉(zhuǎn)化。據(jù)Xu等人[5]的研究，污泥衍生的焦油中含有多種N-雜環(huán)化合物，如吡咯、吡嗪、吡啶和咪唑。在污泥中，氮的主要來源是無機(jī)氮和蛋白質(zhì)，而吡啶、吡咯、腈類和芳香胺等含氮化合物是制藥和染料合成的關(guān)鍵中間體[6],[7]。目前，這些化合物的工業(yè)生產(chǎn)主要依賴于石油和煤炭等化石資源；然而，傳統(tǒng)合成路線往往轉(zhuǎn)化效率低且會產(chǎn)生有害副產(chǎn)物[8]。因此，像污泥這樣豐富且易于獲取的生物質(zhì)原料越來越被視為生產(chǎn)N-雜環(huán)化合物（NCCs）的理想替代前體。Zhang等人[9]研究了在氨氣氛下快速熱解玉米芯制備乙腈的過程，發(fā)現(xiàn)氨顯著提高了乙腈的產(chǎn)率（達(dá)到18.4%）。Zheng等人[10]使用Zn/HZSM-5催化劑催化熱解松木顆粒，顯示出其對芳香烴和N-雜環(huán)化合物（如吲哚）的高選擇性。Zainan等人[11]觀察到，在使用負(fù)載Ni的沸石催化劑熱解小球藻時，含氮化合物占生物油的23%至33%。在污泥熱解過程中，氮主要分布在熱解氣體和生物油中，約40%的氮留在油中，24%存在于氣體中，主要以NH?的形式存在[12]。這種獨(dú)特的分配行為為從污泥中定向生產(chǎn)含氮雜環(huán)化合物提供了獨(dú)特優(yōu)勢。

NCCs（如吡咯和腈類）在污泥熱解過程中產(chǎn)生，但該過程的選擇性通常有限，整體生物油產(chǎn)率相對較低。因此，液體產(chǎn)物中所需NCCs的含量往往不足。為了提高生物油中NCCs的相對含量，人們在熱解過程中引入了催化方法。例如，Al?O?等酸性氧化物催化劑在工業(yè)上廣泛用于吡咯的合成（通過氨與呋喃的反應(yīng)），也用于纖維素的催化快速熱解（CFP）以促進(jìn)吡咯的形成。使用酸性氧化物可以避免復(fù)雜的預(yù)處理步驟，并在控制吡咯產(chǎn)量方面具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[13]。Yao等人比較了γ-Al?O?和α-Al?O?在氨氣氛下從纖維素選擇性合成吡咯的催化性能，發(fā)現(xiàn)γ-Al?O?由于其較高的總酸度和較大的表面積，顯著提高了生物油中NCCs的相對含量和選擇性[14]。基于沸石的催化劑也廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)催化熱解。HZSM-5由于其獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)，已被證明能有效將生物質(zhì)和固體有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為芳香NCCs（如吡啶和吲哚）[15],[16]。Luo等人進(jìn)一步證明，HZSM-5不僅在催化條件下對甘油轉(zhuǎn)化為吡啶具有形狀選擇性，還改變了反應(yīng)路徑。具體來說，HZSM-5的受限孔結(jié)構(gòu)抑制了多取代吡啶的形成，從而提高了吡啶和單取代吡啶的產(chǎn)率[17]。

盡管先前的研究已經(jīng)證實(shí)了γ-Al?O?和HZSM-5沸石在促進(jìn)N-雜環(huán)化合物形成方面的有效性，但它們在污泥原位催化熱解中的應(yīng)用及其催化性能的系統(tǒng)比較仍不夠充分。本研究以污泥為原料，在450–650°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了原位催化快速熱解，并使用熱解-氣相色譜/質(zhì)譜（Py-GC/MS）對生物油成分進(jìn)行了半定量分析。系統(tǒng)研究了熱解溫度、催化劑類型和催化劑與污泥比例對NCCs形成的影響。此外，還進(jìn)行了固定床快速熱解實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證Py-GC/MS的結(jié)果。這些結(jié)果為污泥熱解過程中NCCs的催化調(diào)控提供了寶貴見解，并為污泥衍生產(chǎn)品的增值利用奠定了理論基礎(chǔ)。