初始底物浓度对厨房垃圾水热碳化过程中所得产品的影响

《Waste Management》：Influence of the initial substrate concentration on the products obtained during hydrothermal carbonisation of kitchen waste

本研究探究了初始厨房废料（KW）浓度对水解热解碳化（HTC）过程的影响，发现随着KW浓度增加，水炭产量显著提升（24.5%至52.3% w/w），但热值保持稳定（25.7 MJ/kg）。低浓度下水炭热稳定性较差，且溶出无机物较多。液体产物中乙酸、碳和氮含量随KW浓度增加而升高，挥发性有机物如酚类和醛类减少，表明高浓度 KW 可提升液体产物的生物气潜力。气体中CO?浓度随KW浓度增加而升高，CO浓度降低。

　　### 中文解读：厨房垃圾在水热炭化过程中的影响研究

近年来，厨房垃圾（Kitchen Waste, KW）的产量逐年上升，已经成为城市固体废弃物（Municipal Solid Waste, MSW）的重要组成部分，占比达到15%至30%（按重量计）。厨房垃圾的组成会因产生地点、季节以及社会经济状况而有所不同，通常包括蔬菜、水果以及其他生物基材料，如面包、乳制品、蛋壳、咖啡渣和茶叶等。由于其高水分含量（通常在70%至90%之间），厨房垃圾难以直接用于热化学处理工艺，如气化、热解和焚烧。因此，寻找一种能够有效利用厨房垃圾的工艺成为研究重点。

水热炭化（Hydrothermal Carbonization, HTC）作为一种新型的生物质转化技术，近年来受到广泛关注。该工艺能够在高温高压条件下将湿生物质转化为固态产物（即水热炭，hydrochar）、液态产物（liquid fraction）和气态产物（gas phase）。与传统的热解工艺相比，水热炭化具有更低的能耗，并且能够有效处理高水分含量的生物质材料。在HTC过程中，反应通常在180至250摄氏度之间进行，持续时间为5分钟至12小时，反应压力则由水蒸气压力和反应过程中产生的气体压力共同决定。这些条件使得水热炭化过程比自然煤化过程快100倍。

本研究的重点是探讨初始厨房垃圾浓度对水热炭化过程及其产物的影响。实验中使用了不同浓度的厨房垃圾（1.0%、8.8%、18.8%和26.3% w/w），通过控制反应温度和时间，观察不同浓度下的产物特性变化。研究发现，随着初始厨房垃圾浓度的增加，水热炭的产率显著提高，从24.5%提升至52.3%。然而，水热炭的高热值（Higher Heating Value, HHV）保持稳定，约为25.7 MJ/kg。这一结果表明，虽然水热炭的产率随着原料浓度增加而提高，但其能量密度并未明显变化。

与此同时，研究还发现，较低的原料浓度会导致水热炭中无机化合物的流失增加，这可能是因为在较低浓度下，水热炭更容易与水分离。而较高的原料浓度则有助于减少这种流失，从而提高水热炭的热稳定性。此外，水热炭的燃烧特性也受到原料浓度的影响，表现出更高的热稳定性，尤其是在较低浓度条件下，其热分解行为更加均匀，减少了局部过热的可能性。

在液相产物方面，随着厨房垃圾浓度的增加，有机碳、氮和醋酸的含量显著上升。在最高浓度（26.3% w/w）时，液相中醋酸的浓度达到13.1 g/L，有机碳的浓度为32.0 g/L，氮的浓度为1.6 g/L。然而，酚类化合物和醛类化合物的含量则随着浓度增加而减少，从8种减少到3种，从3种减少到0种。这种变化可能是由于高浓度条件下，更多的有机物被转化为更稳定的化合物，如有机酸和异环化合物，而较少的物质残留于液相中。这表明，高浓度厨房垃圾经过水热炭化后产生的液相具有较高的有机碳含量，并且含有较少的微生物抑制物质，因此更适合用于生物制气过程，如厌氧发酵。

气相产物方面，水热炭化过程中产生的气体主要以二氧化碳（CO?）为主，其体积占比从95.1%增加到98.8%。与此同时，一氧化碳（CO）的体积占比则从4.9%减少到1.2%。这一趋势可能与水热炭化过程中有机物的分解路径有关，其中CO?的形成主要与脱羧反应相关，而CO的形成则与脱羰反应有关。研究还指出，随着厨房垃圾浓度的增加，气体产量略有上升，但总体变化不大，这可能是因为反应条件的稳定性。

在水热炭化过程中，不同浓度的原料会导致不同的反应路径。例如，在低浓度条件下，更多的有机物可能被完全分解，从而导致水热炭的产率较低，而高浓度条件下，更多的有机物被保留并转化为水热炭，同时液相中有机物的含量增加。此外，水热炭的元素组成也受到原料浓度的影响，其中碳、氮的含量增加，而氧的含量减少。这些变化可能与反应过程中脱水和脱羧反应的强度有关，从而影响水热炭的热值和燃烧特性。

从研究结果来看，水热炭化过程在处理厨房垃圾时具有显著的优势。首先，水热炭的产率随着原料浓度的增加而提高，这有助于提高资源利用效率。其次，水热炭的热值保持稳定，表明其在作为燃料时具有一定的应用潜力。最后，液相产物中的高有机碳含量和低抑制性物质含量，使其成为生物制气的理想原料。因此，水热炭化技术不仅能够有效处理厨房垃圾，还能产生具有经济价值的副产物，如水热炭和液相产物，从而提高整体的资源利用率。

本研究的结论表明，水热炭化过程在厨房垃圾处理方面具有广阔的应用前景。通过优化原料浓度，可以提高水热炭的产率和热值，同时减少对环境的负面影响。此外，研究还发现，高浓度原料的水热炭化过程需要较少的能量和产生较少的废水，这为大规模应用提供了理论依据。因此，未来的研究可以进一步探索不同原料浓度对水热炭化产物的微观结构和功能团的影响，以期获得更优的材料性能。同时，对于液相产物的进一步利用，如用于藻类培养或皮革鞣制，也有待深入研究。