一、摘要

由徐芙清副教授领导的生物基能源与材料研究实验室(BBRL)在餐厨垃圾在源头分类不充分时的可持续化处理方面取得了新进展。研究优化了含有杂质的餐厨垃圾的热解处理方法，并评估了使用厌氧和热解技术处理含杂餐厨垃圾的三个可持续性指标，包括环境影响、技术经济和能量投入产出。该研究的系列成果发表于三篇SCI期刊，分别为“Valorization of food waste impurities by catalytic co-pyrolysis for production of pyrolysis oil with high energy potential”（ Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，IF = 6) ；“Experimental study and techno-economic analysis of a co-processing system for treatment of food waste with various impurities” （Bioresource Technology，IF = 11.4)，以及 “Environmental sustainability assessment of a new food waste anaerobic digestion and pyrolysis hybridization system” （Waste Management，IF = 8.1)。三篇文章的通讯作者为徐芙清副教授，第一作者均为国际学生Solomon Inalegwu Okopi。研究得到了陕西省重点研发项目(No. 2022ZDLNY02-07);中国博士后科学基金一般项目(No.2023M732804);浙江省创新创业领军团队项目(2019R01008)等项目资助，第一作者Solomon Inalegwu Okopi得到了西安交通大学“涵英奖学金”（全校共16人，js33333金沙线路检测1人）资助。

二、创新点

• 研究发现了塑料、木头等杂质在优化后的热解条件下可以提高餐厨垃圾固渣的热解油品质；

• 展示了不同餐厨垃圾组分的每日和累积甲烷产量的独特变化，确定了餐厨垃圾杂质对产甲烷菌的抑制作用，并阐明了含杂质的餐厨垃圾仍然可以被经济地处理。

• 探究了如何有效管理处理过程中的能源消耗，同时提高餐厨垃圾中高附加值产品的产量；

• 进行了敏感性分析，强调了优化预处理步骤以减小环境影响；

• 揭示了不同餐厨垃圾处理技术在全球变暖潜势(GWP)、生态毒性潜势(ETP)和酸化潜势(AP)方面的不同影响。

• 提出了通过协同处理方案，有望减少餐厨垃圾和厨余垃圾源头分类的繁琐，挑战了传统方法。

三、图文摘要

四、研究简介

源头分离不充分会导致餐厨垃圾中出现各种杂质，对其可持续化和增值处理造成障碍 。单独使用厌氧或热解的方法处理存在沼渣沼液后处理压力大，和热解原料烘干前处理能耗大的缺点，而将厌氧消化（AD）和热解的联用可能解决其各自的缺点。对两种技术联合使用的研究传统上主要有两个方向:一个是通过热解处理AD过程产生的沼渣；第二个是在AD过程中添加热解油和生物炭等热化学处理产物以提高产气并全组分利用产物。然而这些研究还未能实际应用，其主要原因包括热解油具有生物毒性，设备成本高、操作单元复杂带来的经济压力，以及沼渣干燥能耗高、存在系统能量缺口等环境负担，阻碍了共处理系统充分发挥其潜力。

鉴于这些缺点，本研究提出了一种新的、独立的AD与热解相结合的餐厨垃圾处理方法。为了实现这一目标，首先将餐厨垃圾研磨制浆后分成两种不同的类别:富含营养的浆液和过滤后的固体残渣。这种划分允许对不同部分分别进行优化处理。浆液部分富含蛋白质和脂质，具有较高的甲烷潜力，通过AD进行处理显著的提高了这些有机成分的生物降解，有利于沼气和有机肥的生产。其次，使用热解工艺来处理包括不溶性成分的固体残渣，如纤维、木质素和餐厨垃圾中的纸、塑料等杂质。通过热解分解，这些固体组分有效地转化为生物油、生物炭和其他有价值的生物基产品，通过减少对化石燃料的依赖和减少碳排放，为循环经济做出贡献。

这项研究不仅解决了传统处理方法带来的问题，而且揭示了这些先进技术协同处理的潜力。通过利用餐厨垃圾不同组分的特性，可以优化系统协同的整体效率，同时最大限度地减少资源浪费。

虽然这种新颖的方法有较大的理论可行性，但同时必须考虑到这种方法的经济可行性。对AD和热解协同处理系统的技术经济评价重点强调了一些缺点，包括初始资本成本高，操作复杂，需要严格的原料制备。了解这些挑战对于解决潜在障碍并确保这种独立的一体化方法成功实施至关重要。因此，AD和热解的结合代表了寻求餐厨垃圾可持续化管理的一种未来方向。通过独立处理不同组分的餐厨垃圾，这项研究在释放这些先进技术的一些新潜力方面迈出了重要的一步。随着调查深入到技术经济评估领域，它的目的是确定和解决存在的缺陷，为更绿色、更环保的未来铺平道路。

图1 餐厨垃圾浆液（filtrate）、浆液加热解油（Faqs）、全组分餐厨垃圾（FW）、及全组分餐厨垃圾与塑料（FWP）和其他杂质（FWimps）的单位质量产甲烷潜力（a，b）及单位体积甲烷产率（c，d）对比。

图2 不同杂质对餐厨垃圾固渣热解油的组成和产率的影响

图3 不同工艺：AD (a)，热解 (b)，AD和热解共处理ADCo-Py (c)，AD和焚烧共处理ADCo-INC (d)对AP(酸化潜能值)、ETP(生态毒性潜能值)、EUTP(富营养化潜能值)、GWP(全球变暖潜能值)、ODP(臭氧消耗潜能值)、POP(光化学氧化潜能值)、REP(呼吸效应潜能值)的贡献和总体影响。灰点表示系统中每个影响类别的总影响贡献。

图4 对碳排放贡献最大的几种工艺： AD (a)，热解 (b)，ADCo-Py (c)，ADCo-INC (d)对AP、ETP、EUTP、GWP、ODP、POP、REP的贡献和碳补偿作用。

图5 不同处理工艺：AD、热解、ADCo-Py和ADCo-INC的LCA生命周期环境影响比较

五、文献信息

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.130020

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jaap.2023.105918