超临界水无害化处理及能源化利用技术可以克服城市污泥传统处理方法存在的缺点，能够实现城市污泥的高效无害化处理，且可以回收处理过程中产生的热量或氢气，能够实现城市污泥的最大化能源利用，因此具有光明的发展前景。然而，该技术的应用需要解决目前存在的氢气产率低、反应器腐蚀和盐沉积这三个问题。为此，本文搭建了用于该技术研究的间歇式实验装置，优化升级和完善了连续式实验装置和分析设备。在此基础上，研究了城市污泥基质的模型化合物（氨基乙酸、甘油）和中间产物（苯酚）在超临界水处理中过程参数对产物特性的影响规律和催化反应机理，为复杂组成的城市污泥超临界水处理氢气产率的提高提供理论依据。探索了氧化系数、反应温度等过程参数和催化剂对城市污泥超临界水处理过程中气液固三种产物特性的影响，确定无害化处理条件并提高氢气产率。考查了城市污泥超临界水处理环境中不锈钢316L和316的腐蚀特性以及Na2CO3在超临界水中的沉积特性，为新型反应器的材料选型、防腐控制和避免盐沉积提供支撑。本文首次揭示了Na2CO3对氨基乙酸超临界水气化过程催化反应机理，获得了理想状态下氨基乙酸和甘油超临界水气化过程的总反应方程式；首次建立了苯酚超临界水部分氧化过程中苯酚的消失动力学方程，阐明了Na2CO3对苯酚超临界水部分氧化过程催化作用机制，给出了存在Na2CO3条件下苯酚在超临界水部分氧化过程的转化路径；通过模型化合物和真实城市污泥催化反应过程的研究，显著提高了城市污泥超临界水处理能源化利用过程中的氢气产率，并确定了城市污泥超临界水无害化处理条件；本文成功设计开发出具有耐腐蚀、防止盐沉积、催化反应功能的新型反应器，并建立了该新型反应器总脱盐效率的数学模型。本文分别以城市污泥中蛋白质和油脂类物质的模型化合物氨基乙酸和甘油为研究对象，进行超临界水气化实验研究。实验结果表明：Na2CO3可以用作氨基乙酸超临界水气化过程的催化剂，且添加0.1wt﹪Na2CO3时的催化效果优于添加0.2wt﹪Na2CO3时的情况，氢气产率的提高是通过促进氨基乙酸的水解产物（甲酸）的脱羧反应而不是通过促进水汽转换反应来实现。氨基乙酸和甘油的气化效率均可达98﹪以上，气体产物中氢气的体积含量可以超过50﹪，氢气产率分别可以达到5.45mol•mol-1和5.08　mol•mol-1。水参与了氨基乙酸和甘油超临界水气化反应过程，二者的气体产物—氢气中分别超过1/3和1/5的份额来源于水。此外，本文首次获得了理想状态下氨基乙酸和甘油超临界水气化的总反应方程式。本文研究了城市污泥超临界水气化中间产物—苯酚的超临界水部分氧化过程。结果表明：苯酚超临界水部分氧化过程中选用合适的氧化系数才能获得最大的氢气产率。Na2CO3可以用作苯酚超临界水部分氧化过程的催化剂，在添加0.1wt%　Na2CO3、反应时间为2.96min、氧化系数为0.6、500°C条件下氢气产率可以达到0.477　mol•mol-1，这大约为未添加Na2CO3时氢气产率的2倍。此外，本文也首次建立了苯酚超临界水部分氧化过程中苯酚的消失动力学方程，给出了存在Na2CO3条件下苯酚超临界水部分氧化可能的转化路径。本文首次将分别用于超临界水气化和超临界水氧化的催化剂结合在一起用作城市污泥超临界水部分氧化过程的催化剂，研究发现MnO2-CuO和活性C的混合物对城市污泥超临界水部分氧化过程具有一定的催化作用，可以提高氢气产率，氢气产率可达151.1ml•L-1，大约为未添加催化剂时的3倍。在540°C、25MPa、氧化系数为2.0时，城市污泥经超临界水氧化处理后的液体可以达到《污水综合排放标准》GB8978-1996，液体的色度可与洁净水媲美，少量的黄色固体可经过滤去除。此外，不锈钢316L在复杂的城市污泥超临界水处理环境中主要是斑蚀，表层腐蚀氧化物是Fe3O4-NiFe2O4。不锈钢316在城市污泥超临界水氧化条件下主要是均匀腐蚀。NaOH不适合用作超临界水氧化装置中反应器前的碱性中和剂。本文成功设计开发出一种用于城市污泥超临界水无害化处理及能源化利用技术的新型反应器，该反应器在国际上首次结合了逆流罐式反应器和蒸发壁式反应器的优点，有效解决了反应器腐蚀和盐沉积问题。此外，也建立了该新型反应器总脱盐效率的数学模型，根据模型推断：提高反应器总脱盐效率最主要途径是提高反应器中心管喷口处的局部脱盐效率。相应的方法包括优化喷口的结构去减少垂直方向上的扰动，增加喷口处的温度，降低喷口处的压力、温度梯度和流体流速。