文章推薦｜戴曉虎教授團隊：雙碳背景下有機固廢資源化處理處置技术发展思考
楊東海 華煜 武博然 戴曉虎*
（同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092）
研究背景
人類生産生活會消耗大量的資源，同時産生大量的廢棄物。中國有機廢棄物包含廚余垃圾、餐廚垃圾、城市汙泥等生活源，農業稭稈、畜禽糞汙等農業源和菌渣、酒糟等工業源廢棄物，産量大，涉及面廣，總量超過40億t，位居全球首位。有機固廢具有汙染物和資源的雙重屬性，如不妥善處理和利用，將會造成嚴重的環境汙染和資源浪費。有機廢棄物的資源化處理處置是我國減汙降碳和無廢城市建設的重要任務。
我國有機固廢傳統上以填埋處置方式爲主，資源化利用率較低。近年來，國家陸續提出了無廢城市、垃圾分類和循環經濟等系列行動計劃，對有機固廢資源化提出了明確的要求。在氣候變化和資源短缺的背景下，固體廢物資源化利用成爲綠色發展和循環發展的重要切入點和抓手。有機固廢易腐敗、高含水、汙染與資源並存的屬性決定了其穩定化、減量化、無害化和資源化處理處置的基本原則。但由于有機固廢具有多介質、多組分的複雜特性，傳統處理過程存在生物轉化效率低、固液分離能耗藥耗高、熱化學過程調控難的瓶頸問題，限制了有機固廢資源轉化的技術水平。故亟需對有機固廢關鍵物質結構與性質進行識別，解析“汙染物”潛藏資/能源物質激活原理與轉化途徑，開發資源物質回收與難降解汙染物的穩定去除的方法，創新有機固廢資源化處理處置技術和協同模式，實現從“有機固廢大國”向“有機固廢強國”的轉變。
本文圍繞我國有機固廢資源化的技術需求,綜述了我國有機固廢産生與處理現狀,分析了有機固廢特性和處理技術需求,總結了有機固廢生物處理、熱化學處理、固液分離、資源回收等技術的研究進展和難點,提出了有機固廢未來技術突破方向,以期爲我國無廢城市建設和雙碳目標的實現提供科技支撐。
摘 要
有機固廢資源化是我國減汙降碳和無廢城市建設的重要任務，是綠色低碳循環發展的重要抓手。綜述了我國不同來源有機固廢的産量與處理現狀，梳理了我國無廢城市、減汙降碳等有機固廢相關政策文件。基于有機固廢易腐敗、高含水的特性，以及汙染和資源雙重屬性，提出了以無害化爲目標、以資源化爲手段的基本理念。總結分析了有機固廢作爲多介質、多組分交互的複雜體系，在生物轉化、熱化學轉化、固液分離、産物資源利用方面的研究進展和技術難點，並提出了有機固廢未來重點突破方向，旨在爲我國有機固廢資源化處理處置的技術研究提供參考。
01
我國有機固廢産生與利用現狀
1. 産生與處理處置現狀
近年來，我國城鄉有機固體廢棄物(廚余垃圾、城市汙泥、農作物稭稈、畜禽糞便等)的産生量迅速增長。根據中國城鄉建設統計年鑒，2021年我國縣級以上城鎮地區汙泥産量超過8000萬t(以80%含水率計)，預計2025年我國城鎮汙泥産量將突破1億t。2021年我國縣級以上城鎮地區生活垃圾清運量達到3.2億t。詳見圖1。按照廚余垃圾占比40%估算，我國廚余垃圾(含餐廚垃圾)年産生量約爲1.28億t。根據第二次全國汙染源普查測算，2020年我國畜禽糞汙年産量30.5億t，稭稈産生量約爲8億t。我國有機固廢年産總量超過40億t。
我國城鎮生活垃圾早期以混合填埋爲主，隨著垃圾填埋設施逐漸趨于相對飽和，垃圾焚燒設施建設進入高峰期，垃圾焚燒處理能力逐年增加。目前，城市生活垃圾焚燒處理量占比約62%，衛生填埋占比約33%，已形成以焚燒爲主的生活垃圾處理格局。縣城生活垃圾衛生填埋處理量占比爲72%，仍是當前生活垃圾最主要的處理方式。隨著國家垃圾分類政策的不斷推進，目前46個重點城市基本建成生活垃圾分類系統。以上海市爲例，2021年濕垃圾産量平均已經超過1萬t/d，占幹濕垃圾總量40%左右。根據統計數據，國內已建和在建廚余垃圾處理設施中，厭氧消化工藝約占處理總量的87.5%，其余工藝僅占12.5%。
我國汙泥處理處置起步較晚，早期存在“重水輕泥”現象，投資嚴重不足，大部分汙泥以簡易填埋爲主，沒有得到妥善處理處置。隨著國家對汙泥問題的重視和配套科技投入的不斷加大，建設了一批示範工程，汙泥穩定化處理和焚燒比例有所增加，基本形成4條汙泥安全處理處置與資源化利用主流技術路線。但目前我國只有不到5%的汙水處理廠采用了汙泥厭氧消化，遠低于歐洲、美國和新加坡等國家。由于我國大部分汙泥沒有經過穩定化處理，同時汙泥土地利用受跨部門限制，導致汙泥土地利用比例遠低于發達國家70%的水平。
《第二次全國汙染源普查公報》顯示：2017年國內畜禽養殖業水汙染物排放的化學需氧量達1000.53萬t，占農業源排放總量的94%，總氮和總磷排放量分別占42%和56%，是農業面源汙染的主要來源。據估算，2016年全國每年産生畜禽糞汙38億t，綜合利用率不到60%；每年生豬病死淘汰量約6000萬頭，集中的專業無害化處理比例不高；每年産生稭稈近9億t，其中未利用的約2億t，綜合利用率不足80%。農業廢棄物量大面廣、亂堆亂放、隨意焚燒，嚴重威脅城鄉生態環境。
2. 處理處置技術需求與瓶頸
有機固廢具有易腐敗、高含水的特性，具有汙染和資源的雙重屬性，故穩定化、減量化、無害化和資源化是有機固廢處理處置的基本原則。城鄉有機廢棄物量大面廣，其資源化處理處置是我國減汙降碳和無廢城市建設的重要任務。
有機固廢的處理處置同時也是不可忽視的碳減排抓手。歐洲統計局(Eurostat)2016年數據顯示，廢棄物領域是第5大碳排放行業，碳排放量占全社會總量的3.2%。從溫室氣體類型來看，甲烷是全球第2大的溫室氣體，對溫室效應的影響占比達到17.3%，其中廢棄物是甲烷的第3大排放源，26%的甲烷排放來自于廢棄物。雖然廢棄物領域碳排放量占全社會比例不大，但涉及環境和民生問題，對于我國是深入打好汙染防治攻堅戰的重要抓手，社會效益顯著。同時有機廢棄物蘊含了大量的資源和能源，通過對廢棄物資源化潛力的挖掘，是最有望實現碳中和的領域之一。此外，廢棄物領域甲烷占全社會排放量比例較大，而實現CH4等逸散性溫室氣體的減排，是在短期內實現減少全球變暖和控制全球升溫幅度在1.5℃以內目標的重要途徑。
有機固廢含有大量易腐有機質和病原菌，如不進行穩定化處理，容易腐敗發臭，傳播病原菌，並排放大量溫室氣體。厭氧消化是實現有機固廢穩定化處理最經濟有效的方式，同時還可以回收沼氣能源。然而汙泥等有機固廢具有多介質、多組分交互作用的複雜特性，特別是我國汙泥有機質低(我國汙泥有機質含量爲30%～60%，發達國家汙泥有機質含量爲60%～80%)、含砂量高，采用傳統厭氧消化工藝存在降解率低、停留時間長、有機負荷低的瓶頸。和廢水厭氧處理相比，有機固廢厭氧轉化整體效率較低，停留時間較長，通常需要維持在20d以上。實現易腐有機質的高效穩定化和生物質能的高效回收是有機固廢厭氧處理的難點。
汙泥等易腐有機固廢具有高含水的特性，大量水分會導致其運輸成本高，是制約易腐有機固廢處理處置效率的主要因素之一。但由于汙泥是有機—無機—水分高度混雜的非均相複雜體系，有機組分親水性較強，導致傳統脫水方式固液分離困難。而傳統水處理領域中的混凝/絮凝理論對于高固體濃度的汙泥體系並不適用，尚缺乏汙泥專用的調理方法。傳統機械脫水存在脫水難度大、加藥量大的瓶頸問題，傳統熱幹化能耗高，不可持續。實現固液高效分離是汙泥等高含水有機固廢資源化處理處置的技術難點。
固體廢物是放錯位置的資源，固廢資源化利用是循環經濟的典型內涵。有機固廢富含碳、氮、磷資源物質，其中磷作爲重要的戰略性資源，其回收對于解決全球磷危機具有重要意義。以汙水廠汙泥爲例，汙水中90%以上的磷資源富集在汙泥中。德國于2017年10月3日通過了對《汙水汙泥條例》的修訂，其核心內容是要求從汙水汙泥或其焚燒灰中回收磷，其難點在于汙泥中磷的形態複雜、釋放效率低、回收難度大。有機固廢厭氧會産生大量的高氨氮沼液，傳統脫氮工藝流程長，藥劑投加量大，處理能耗高。功能性微生物的富集、調控與規模化培育是實現高效脫氮的難點。
産物出路不暢通是有機固廢處理的瓶頸問題之一。以汙泥爲例，汙泥處置的方式主要有填埋、建材利用和土地利用。目前，脫水填埋依然是我國汙泥的主要處置方式，但汙泥填埋會占用大量土地，並釋放大量溫室氣體，且我國部分經濟發達城市面臨無地可埋的困局。建材利用需要對汙泥進行幹化焚燒或協同焚燒處理，以實現汙泥的礦化和無害化。由于汙泥含水率較高，有機質含量低，熱值不高，導致焚燒存在投資運行成本高，尾氣排放難以穩定達標，鄰避效應突出等問題。土地利用是汙泥生態化處置的重要消納路徑，是發達國家最重要的處置方式，但受限于意識、標准銜接、處理水平等方面，我國汙泥土地利用比例目前還較低。
3. 相關政策分析
發達國家和地區紛紛提出了無廢社會的目標。歐盟委員會2014年提出了“邁向循環經濟：歐洲零廢物計劃”，2019年發布《歐洲綠色新政》，明確提出在2050年資源與經濟要脫鈎，實現零廢棄物的目標；新加坡提出了“零廢物”的國家願景；日本提出建設“循環型社會”；我國台灣地區提出構建“零廢棄社會”的目標。從發達國家和地區的經驗來看，固體廢物資源化利用是綠色發展和循環發展的重要切入點和抓手。建設“無廢社會”是經濟社會發展的一項基礎性工作，是解決新時期社會主要矛盾的重要舉措，生態文明建設的內在要求，實施鄉村振興戰略的有力抓手。
近年來，隨著我國對環境問題的重視，陸續發布了一些列涉及有機固廢資源化相關的指導文件，對于我國無廢城市建設、發展循環經濟、實現雙碳目標具有重要的指導意義。
2018年12月，國務院辦公廳印發《“無廢城市”建設試點工作方案》(國辦發〔2018〕128號)，提出通過“無廢城市”建設試點，大力推進源頭減量、資源化利用和無害化處置，探索建立量化指標體系，形成可複制、可推廣的建設模式。
2021年5月，國家發展改革委、住房城鄉建設部發布的《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》提出，到2025年底，全國城市生活垃圾資源化利用率達到60%左右，基本滿足地級及以上城市生活垃圾分類收集、分類轉運、分類處理需求。
2021年7月，國家發展改革委印發《“十四五”循環經濟發展規劃》，提出要遵循“減量化、再利用、資源化”原則，著力建設資源循環型産業體系，全面提高資源利用效率，建立健全綠色低碳循環發展經濟體系。
2021年10月，國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》，提出重點實施“循環經濟助力降碳行動”，大力推進生活垃圾減量化資源化，加強農作物稭稈綜合利用和畜禽糞汙資源化利用。
2021年12月，生態環境部印發《“十四五”時期“無廢城市”建設工作方案》，提出大力推進減量化、資源化、無害化，發揮減汙降碳協同效應，提升城市精細化管理水平，推動城市全面綠色轉型。
2022年6月，七部委聯合印發《減汙降碳協同增效實施方案》(環綜合〔2022〕42號)，提出加強“無廢城市”建設，加強生活垃圾減量化、資源化和無害化處理。
2022年9月，國家發展改革委、住房城鄉建設部、生態環境部聯合印發《汙泥無害化處理和資源化利用實施方案》(發改環資〔2022〕1453號)，提出要加快補齊汙泥處理短板，提高汙泥無害化處理和資源化利用水平。
黨的二十大報告提出，要實施全面節約戰略，推進各類資源節約集約利用，加快構建廢棄物循環利用體系。構建廢棄物循環利用體系，是實施全面節約戰略的重要內涵，是深化循環經濟發展的重要舉措，是全面提高資源利用效率的必由之路。
02
易腐有機固廢研究的熱點與難點
易腐有機固廢處理的基本理念是“以資源化爲手段，無害化爲目標”，在低能耗的基礎上，將廢棄的易腐有機固廢最大程度地轉化成生物質能、高附加值産品以及營養物質。從物質元素組成層面上，通過生物或化學手段重新組合C、H、O、N、P和S等元素，改變以上元素的分子組成，使之從低能量載體轉變成高能量載體，以實現易腐有機固廢的資源循環利用和降低對環境的汙染。
以易腐有機固廢處理處置全生命周期的視角，當前研究熱點主要集中在4個方面：生物轉化、熱化學轉化、固液分離與産物資源化。而易腐有機固廢作爲多介質、多組分交互的複雜體系，生物轉化效率低、熱化學過程調控難、固液分離能耗高、産物資源利用率低經濟效益缺乏，已成爲易腐有機固廢處理處置技術瓶頸。究其根源，易腐有機固廢物質賦存結構與性質及其對後續轉化過程的影響機制尚不清晰，“汙染物”潛藏資源/能源物質激活釋放原理及其轉化途徑待進一步完善，資源物質回收方法與難降解汙染物深度去除效果尚不穩定，生産過程各類産物的環境行爲及其交互屬性亟待進一步評估。
1. 易腐有機固廢生物轉化
生物轉化是易腐有機固廢的主流處理方式，常用方式包括厭氧消化産甲烷、好氧發酵生物穩定、氮磷物質回收或去除、其他高值産品制備等，如圖2所示。
厭氧消化是从易腐有机固废中回收生物质能最常用的方式。易腐有机固废中的复杂有机物在微生物的作用下，经过水解、产酸、产氢产乙酸和产甲烷作用，最终转化为清洁能源———甲烷。这是一个将生物质能转化成化学能的过程，能量转化效率可以通过单位有机物产甲烷量来衡量。在实际的厭氧消化过程中，有机质的降解效率通常不足50%，且单位降解有机质的甲烷产率低于300mL/g VSdegraded，远低于理论甲烷产率(450～600mL/g VS)。为使得实测值尽可能接近理论值，从而获得更高的生物质能收益，相关研究热点主要集中在：1)厭氧消化前基于有机质破稳解构原理的高效预处理方法开发，如提出了基于等电点预处理的新方法，从易腐有机固废结构性质的角度，讨论了限制污泥有机质厌氧生物转化产甲烷的机制和强化产甲烷的可能方法；2)厭氧消化过程基于功能微生物强化的定向调控机制探索，例如利用微电压的引入，提高易腐有机固废厭氧消化过程电子传递效率，从而驱动电活性功能微生物更高的转化效率(如地杆菌是直接电子传递过程中最为熟知的电子供体微生物，其广泛参与了直接电子传递介导的互养产甲烷过程)；3)复杂体系中以高占比为目标的甲烷气定向生产策略，如Fe3O4的引入能够充当连接丙酸氧化产乙酸菌和二氧化碳还原产甲烷菌的电子导线，使2种微生物之间建立种间直接电子传递，从而促进丙酸降解产甲烷过程，提高沼气中甲烷的纯度。
好氧發酵是易腐有机固废生物稳定化的重要途径之一。具体来讲，依靠细菌、放线菌、真菌等微生物，在一定的人工条件下，可控地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。工艺运行不稳定、占地面积较大、存在恶臭等二次污染等问题在工程应用中时有发生。聚焦当前的工程应用瓶颈，相关研究热点主要集中在：1)生物转化产物与环境交互作用及风险评价，例如复杂介质有机固废好氧發酵腐殖化产物，向土壤有机质转化过程的作用规律及其稳定机制值得深入探索；2)有毒有害物质的代谢机制及迁移转化规律，有研究发现好氧發酵过程中重金属形态分布会随着发酵腐殖化进程而变化，可交换态等不稳定态含量降低，结合态和残留态等稳定态含量增加，重金属钝化现象与机制的解析进一步指导了好氧發酵调理剂的研发；3)易腐有机固废高参数好氧生物稳定技术及调控，例如开发了基于堆肥利用通风量计算模型确定分段式曝气模式和通风参数的快速发酵方法，阐明了前期的小分子物质如何与中后期醌基定向聚合是生物强化定向腐殖化过程调控关键。
氮、磷是生命活動所必需的營養元素，但也會引起水體富營養化、微生物過度增殖等環境問題。易腐有機固廢是氮磷的重要媒介，從中回收或去除氮、磷具有重要意義，也是易腐有機固廢生物轉化方向研究熱點。具体体现在：1)氮磷物质的赋存形态解析与富集是实现后端高效去除或回收的首要前提，氮素按存在形态分为颗粒态和溶解态2种，按化学性质分为无机氮和有机氮2种，磷的赋存形态与易腐有机固废种类密切相关，如活性污泥中磷主要以聚磷形式存在于微生物细胞内，化学除磷污泥中90%以上的磷以Fe-P/Al-P形式存在或吸附在Fe(OH)3/Al(OH)3的表面，与有机物形成大的絮状体，焚烧灰渣中的磷主要以矿物质沉淀形式的磷酸盐存在，然而目前受检测手段限制，还无法全面、精准地识别复杂体系下氮磷的空间分布和相应的化学形态，后续研究应进一步探索其形态分析方法；2)复杂体系氮磷回收新方法与新原理，如从富蛋白质类易腐有机固废中回收对植物根系/叶面有较高传递效率的氨基酸螯合肥(由金属离子提供空轨道与氨基酸中的氧、氮等原子提供2对或2对以上的孤对电子，通过配位共价键形成环，结构稳定)，或利用酸溶及厌氧发酵为主要途径的强化释磷后，进一步利用金属分离提纯实现磷的清洁回收，复杂体系下磷的原位回收技术亦是研究热点(直接形成矿物质磷沉淀后固液分离回收，或降低有害物质含量后磷素直接回收利用)；3)高氨氮、低碳氮比沼液的绿色低耗脱氮处理一直是行业难题，基于厌氧氨氧化菌的自养脱氮技术成为解决该行业问题的关键技术，工艺层面需要进一步增强厌氧氨氧化菌和氨氧化细菌在系统中的停留与富集，以确保污水处理系统中有效的生物量停留，同时抑制其他微生物(特别是亚硝酸盐氧化细菌和异养菌)的生长，并通过强化手段如载体增加有效生物质的持留，目前厌氧氨氧化自养脱氮技术已经在污泥厭氧消化沼液等高氨氮废水脱氮领域实现了工程应用。然而厌氧氨氧化菌具有倍增速度慢、易受环境因素抑制的特性，并且我国缺少规模化运维经验，限制了该技术在我国的推广应用。如何提高反应器启动速度，减少微生物流失，提升脱氮负荷，减少复杂水质的抑制性影响，在国内构建厌氧氨氧化接种泥基地，是未来推动厌氧氨氧化自养脱氮工艺在我国应用亟待解决的问题。
從避免更多化石能源消耗，減少系統熵增，避免營養競爭角度出發，易腐有機固廢源高值化産品制備意義重大：1)易腐有機固廢合成聚羟基脂肪酸酯(PHA)研究領域重點方向將是從生物多樣性角度出發，深入研究合成PHA菌群的特征及相關代謝途徑，對菌群産PHA潛力的分析和模擬是有必要的，尋求具有更低成本、更高性能、更低環境影響的純化方式是後續研究的重點方向。除此之外，從馴化富集後的混合物料中篩選PHA合成優勢菌株，並在開放條件下利用水解酸化産生的VFA合成PHA，也可以作爲易腐有機固廢合成PHA研究的重要方向；2)需要進一步提高易腐有機固廢生産中長鏈脂肪酸(MCCAs)原料的豐富性，建立相應分類收集和儲存系統後，對每個潛在原料的利用成本和生産效能進行綜合評估。多組分物料的協同消化，也可能是提高MCCAs産率的有效手段。高效預處理、高産菌株的篩選以及具有一定功能彈性的碳鏈延長反應微生物群落的塑造，從而提高MCCAs的産量和純度，是實現MCCAs高效和經濟生産的關鍵。
2. 易腐有機固廢熱化學轉化
因具有反應時間短、設施占地面積小、有機物實現礦化或碳化，並可回收能源資源等優勢，熱化學轉化已成爲易腐有機固廢的主要處理方式之一。常用的處理方式包括幹化焚燒、熱解碳化、熱解氣化、水熱碳化等，其在實際工程應用中仍存在技術難點待突破：1)易腐有機固廢組分複雜，熱化學特性差異大，基礎理論研究滯後；2)易腐有機固廢能源利用效率較低，高參數技術與裝備缺乏；3)易腐有機固廢種氯、重金屬等汙染物含量高，對于二噁英等汙染物仍爲被動控制。基于以上瓶頸問題，易腐有機固廢熱化學轉化過程複雜組分熱化學轉化機理需進一步揭示，多重汙染物過程交互生成機制、主控方法及環境效益待進一步探索，能量優化提升及其資源回收新原理新方法亟待進一步開發，詳見圖3。
幹化焚燒是最普遍的易腐有机固废热化学转化技术，是易腐有机固废高温分解和深度氧化的过程，可实现有机物矿化、污染物削减与深度减量，适合于高碳低含水有机固废。燃烧过程会产生大量大气污染物，如甲烷、挥发性有机化合物、氮/硫氧化物、氯化氢、多环芳烃、呋喃、二噁英以及有机和无机气溶胶微粒等。此外，易腐有机固废中存在的碱金属在高温燃烧过程中，会引起积灰、结渣、腐蚀等问题。高含水和高含氧量，也必然导致低位热值的降低，燃烧消耗量增加。围绕前述瓶颈，易腐有机固废幹化焚燒过程的研究热点包括：1)二噁英等污染物原位阻滞机理及主动调控方法；2)热工机制的进一步阐释，可助推焚烧过程向智能化控制主动调控；3)低容量(＜300t)清洁焚烧关键技术和装备开发。
熱解碳化是在无氧或缺氧条件下，在反应温度400～700℃内将易腐有机固废转化为富含碳的固体残渣的过程，适合于高碳低含水有机固废。熱解碳化技术是20世纪90年代在日本和欧美发展起来的污泥处理新技术，2008年以后，我国也逐步开展了相关技术研究和工程应用。国内外工程应用的结果表明，和传统的堆肥、焚烧等处理技术相比，熱解碳化在能源有效利用、资源化、温室气体减排等方面表现出一定的优势，逐渐成为国际上有机固废处理的研究热点和新发展方向。以全链条处理处置视角，易腐有机固废熱解碳化过程重点关注：1)热解反应器热转化效率提升；2)全流程污染物削减与自清洁；3)产物定向调控关键技术与装备；4)热解炭产物定向合成与高值资源化利用。目前易腐有机固废熱解碳化技术已经在日本实现了大规模的工程应用，并建立了完善的技术標准規範体系。我国在易腐有机固废碳化技术引进吸收、工程示范等方面已经具有一定的基础，同时开展了相关产学研工作，但在关键技术装备开发和工程推广应用等方面还存在较大的发展空间，相关標准規範尚需进一步完善。
熱解氣化是无氧或缺氧的条件下，易腐有机固废中有机组分的大分子发生断裂，产生小分子气体和残渣的过程，适合于高碳低含水有机固废。工程实践经验表明，易腐有机固废熱解氣化技术减量化大于90%，较大程度上降低了土地资源占用，1100℃的高温使无害化处理更为彻底，气化过程产生的可燃气可用于前端干化，残渣则可进行建材资源化利用。同时，从原理上遏制了二噁英的生成，气化产物渣中重金属得到固化，无飞灰产生，全过程更洁净、高效。高参数熱解氣化技术和装备、全过程污染物削减及热解气高效清洁与利用是其重点研究方向。
水熱碳化是在180～260℃和5～25MPa的条件下，将易腐有机固废转化为富含碳的固体煤状产品的过程，适合于高含水有机固废。水热炭产率为40%～80%，液相产率为5%～20%，气体产生量较小(2%～5%)。水热炭除了可用作生物燃料，由于其特殊的化学或结构特性，可根据特定的应用需求制备功能化的碳基材料。水熱碳化反应过程参数调控、水热碳的高效可控合成及液相难降解有机质的处理处置是亟待重点突破的方向。
3. 易腐有機固廢固液分離
水－固混合的稳定胶状絮体状态是易腐有机固废的共性特征，高含水率(质量分数＞95%)是制约易腐有机固废处理处置效率的主要因素之一，有效固液分离(95%→40%)可实现易腐有机固废体积减容92%以上，提高热值15倍以上，是提升易腐有机固废资源化处理效率的首要步骤，也是焚烧、热解等热处理工艺实现能量平衡甚至回收的必要前提。然而，易腐有机固废系有机－无机高度混杂的非均相复杂体系，水－固间的各类物化键合作用使得其呈现稳定的胶状絮体状态，固液分离极度困难。现有易腐有机固废固液分离工艺常采用“脱水调理－机械压滤－热干化”的技术组合模式，普遍存在药耗高(易腐有机固废干基质量的20%～30%)、能耗高(600～800kcal/kg H2O)、效率低等问题，特别是非相变、低药耗方式降低易腐有机固废含水率至60%以下仍是易腐有机固废处理领域的长期技术瓶颈，易腐有机固废固液分离性能的影响机制及提升技术方法是相关领域长期关注的热点难点，如图4所示。
由于水分微尺度空間分布位點和水－固相互作用機制的差異，易腐有機固廢中水分存在潛在的分類分型現象(微生物細胞內水、間隙水、毛細水、表面附著水、結晶水等)。不同類型水分的相對含量及其在固體中浸潤分布的微尺度賦存特征是水－固相互作用影響易腐有機固廢組成結構特性的直接結果，因此是表征易腐有機固廢水－固相互作用強度，解析易腐有機固廢持水能力影響機制的重要切入點，也是准確認知各類固液分離技術對不同來源易腐有機固廢作用效能、提高易腐有機固廢固液分離過程運行調控技術水平的重要理論依據。然而，由于易腐有機固廢屬于有機、無機組分高度混雜的非均相複雜體系，易腐有機固廢水分潛在的分類分型現象缺乏直接實驗證據支撐，可視化、定量化解析易腐有機固廢水分賦存狀態一直是瓶頸性問題。
在易腐有機固廢水分賦存狀態的研究基礎上，相關研究重點關注了水－固相互作用機制對水分賦存狀態的影響機制。根據“相似相溶”原理，易腐有機固廢固體表面親水性官能團和水分子均屬于極性分子結構單元；親水性(極性)官能團和極性水分子均由于內部電荷分布不均而存在永久偶極矩，分子熱運動又使得偶極矩産生變化的電場和磁場，進而導致親水性(極性)官能團和極性水分子之間産生非化學鍵作用(範德華力、氫鍵、鹵鍵等)；若能有效削減易腐有機固廢固體表面親水性分子結構單元與液體分子的吸引作用力，則可大幅降低易腐有機固廢固－液界面親和性能，從而實現易腐有機固廢膠狀絮體結構失穩，提升固液分離效率。因此，易腐有機固廢水－固界面分子間相互作用對水－固親和性能的影響機制和調控機理是突破易腐有機固廢固液分離技術瓶頸的核心科學問題。已有研究系統識別了各類易腐有機固廢的主要持水物質，解析了水－固界面化學組成，水－固界面分子的物化鍵合機理及調控方式是易腐有機固廢固液分離性能影響機制研究未來重點關注的議題。
在易腐有機固廢水分賦存狀態及影響機制等機理研究的基礎上，高效、低耗的易腐有機固廢固液分離性能提升技術一直是相關領域持續追求的研究目標。已有研究開發了若幹種易腐有機固廢脫水調理技術，通過改變易腐有機固廢固體組成的理化性質削減絮體對水分的束縛作用，改善水分賦存狀態以提高易腐有機固廢脫水性能。因易腐有機固廢固體顆粒表面通常帶負電，以鋁鹽、鐵鹽爲代表的混凝劑以及以陽離子聚丙烯酰胺及其衍生物爲代表的絮凝劑通過表面電性中和與吸附架橋作用促進易腐有機固廢顆粒凝聚，排出顆粒間隙水並強化固體顆粒沈降分離性能，但混凝劑/絮凝劑投加量與易腐有機固廢表面電性以及顆粒粒徑的量化對應關系尚不明確，不同來源易腐有機固廢固體表面電性、顆粒粒徑、孔隙率等物理性質的最優化範圍並無統一定論，同種混凝劑/絮凝劑對不同來源易腐有機固廢的調理效果存在很大差異，且藥劑過量投加易引起易腐有機固廢幹基質量增加和體積增容；此外，以Fenton、類Fenton、過硫酸鹽氧化爲代表的高級氧化技術通過強力裂解持水物質提升易腐有機固廢脫水性能，也得到國內外研究者的廣泛關注，但易腐有機固廢組成極度複雜，持水性有機物的非飽和分子結構單元(雙鍵或芳香環)和親水性官能團(—NH2等)對非選擇性的羟基自由基(·OH)存在競爭作用，導致非選擇性高級氧化反應無法靶向破壞易腐有機固廢固體表面親水性結構單元，基于高級氧化的易腐有機固廢脫水調理技術具有藥劑消耗量高(易腐有機固廢幹基質量的20～50%)，二次汙染風險高(Fe2+、Fe3+、過硫酸根等具有一定生物毒性及腐蝕性)，工藝控制複雜(要求酸性pH值)等問題；近年來，還有研究通過超聲、水力空化、熱水解、循環凍融等物理方式裂解微生物細胞和膠狀絮體結構，通過易腐有機固廢固體組成向液相的強化溶出，破壞易腐有機固廢中的微生物聚集體持水能力，但上述物理調理方法定向調控易腐有機固廢固體組成以及水－固微觀聚集狀態的理論依據尚不完善，反應過程難以精准控制，能量過度輸入反而會惡化易腐有機固廢脫水性能。非相變、低藥耗方式降低易腐有機固廢含水率至60%以下，仍是未來應重點關注的研究目標。
03
結論
1)有機固廢量大面廣，具有易腐敗、高含水的特性，具有汙染與資源雙重屬性，有機固廢資源化是我國減汙降碳和無廢城市建設的重要任務，是綠色低碳循環發展的重要抓手。
2)汙泥等有機固廢具有多介質、多組分的複雜特性，傳統處理處置技術轉化效率低、資源化利用不足。未來需要重點突破多介質複雜體系下的交互作用機制的識別及多介質反應動力學的定向調控機理，形成新原理、新方法。
3)雙碳背景下，有機固廢處理處置與資源化要打破傳統思維，從全生命周期角度秉持“綠色、低碳、循環”理念，實現有機固廢技術的創新突破，實現從“有機固廢大國”向“有機固廢強國”的轉變。
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《環境工程》創刊于1982年，是國內外公開發行的國家級環境科學類期刊，由中冶建築研究總院有限公司主辦、工業建築雜志社有限公司出版發行。本刊主編由中國工程院院士、美國國家工程院外籍院士、中國科學院生態環境研究中心研究員、清華大學教授曲久輝擔任。報導內容涵蓋水汙染防治、大氣汙染控制、有機固廢生物處理與資源化、過程工程環境汙染控制與資源化、環境生態工程、海綿城市建設規劃與實踐、碳減排技術路徑研究與實踐等。本刊已入選北大中文核心期刊要目總覽、中國科學引文數據庫(CSCD)來源期刊（核心庫）、RCCSE中國核心學術期刊、ISTIC中國科技核心期刊、環境科學領域高質量科技期刊分級目錄T2級、世界期刊影響力指數(WJCI)報告等。在科學技術迅猛發展和全球變化的大背景下，《環境工程》既要關注解決環境治理工程難題的最新科技進展，也必須突破以末端治理爲主要目標的學科局限，深刻認識制約我國社會經濟發展的重大環境工程問題，深入思考環境工程科技發展的未來與方向，深度融合相關學科的科技成果，報導更有學術高度和應用價值的綜合性成果。
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