×××工程4（2018）574研究绿色工业工序-专题文章有机固体和液体废物Paul Chena，Erik Andersona，Min Addya，Renchuan Zhanga，Yanling Chenga，Peng Penga，YiweiMaa，Liangliang Fana，Yaning Zhanga，Qian Lua，Shiyu Liua，Nan Zhoua，Xiangyuan Denga，Wenguang Zhoua，Muhammad Omara，Richard Griffitha，Faryal Kabira，Hanwu Leia，YunpuWangb，Yuhuan Liub，罗杰·阮a，b，a明尼苏达大学生物精炼中心和生物产品与生物系统工程系，Paul，MN 55108，USAbMoE生物质工程研究中心，南昌大学，南昌330047阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年12月11日收到2018年4月20日修订2018年4月26日接受在线提供2018年保留字：城市固体废物城市污水热解气化厌氧消化微藻生物发酵生物精炼A B S T R A C T有机固体和液体废物含有大量的能量、营养素和水，不应被视为仅仅是废物。几十年来，不可回收物的回收、堆肥和燃烧一直被用于从城市固体废物中获取能量和价值。处理和处置一直是废水的主要管理战略随着新技术的出现，固体废物和废水利用的替代方案已经出现。考虑到这些废物的化学、物理和生物特性的复杂性，可能需要多种技术来最大限度地从废物中回收能量和价值。为此，生物精炼往往是一种适当的方法，以完全利用废物中的能量和价值。研究表明，不可回收的废物和生物固体可以通过各种过程转化为可用的热量、电力、燃料和化学品，液体废物流有可能支持作物和藻类生长，并提供其他能源回收和食品生产选择。在本文中，我们提出了新的生物精炼计划，旨在从城市来源，食品和生物加工厂，动物生产设施的有机固体和液体废物。四个新的突破性技术，即真空辅助嗜热厌氧消化，扩展的鱼菜共生，含油废物通过甘油分解为生物柴油，和微波辅助热化学转化-可以被纳入生物精炼计划，从而使这些废物的生产化学品，肥料，能源（沼气，合成气，生物柴油，生物油），食品和饲料的完全利用，并导致清洁的水和污染物排放量显着减少©2018 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一个在CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍世界每年产生大量的固体和液体废物，其来源包括家庭、商业、工业、建筑和农业活动。全球城市生活垃圾（MSW）年产生量超过2109t.按人均计算，发达国家产生的城市固体废物至少是发展中国家的五倍。然而，作为最大的发展中国家，仅中国一国的石油产量就超过2× 108t*通讯作者。电子邮件地址：ruanx001@umn.edu（R. Ruan）。MSW，占全球MSW的10%以上城市固体废物如果处置不当，会对环境构成严重威胁目前，堆肥、填埋和焚烧是不可回收垃圾处理的主要方法。在中国，不可回收的城市生活垃圾主要通过填埋（65.5%）和焚烧（32.5%）[1]处理，这两种方式都有可能造成意外的地下水污染[2]和空气污染[3]。中国在2012年产生了6.85 1010 t的城市污水（MWW）[4]，而美国在2012年产生了约4.46 1010 t的城市污水。2008年[5]。MWW处理在中国[6]和美国[7]分别消耗总生物量的0.4%和3%-因此，MWW不仅是一个很大的污染源，https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.07.0042095-8099/©2018 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engP. Chen等人/工程4（2018）574575× ×··巨大能源消耗和大量能源相关排放的来源。除MWW外，还有许多其他废水来源;特别是农业活动产生数百万吨浓缩废水。由于自然生物过程，这些废水排放出甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）等温室气体（GHG）。一些MWW污泥和动物废水用于通过受控厌氧消化（AD）生产沼气[8]。然而，废水中的大部分资源仍未被捕获。正确管理，特别是固体和液体的利用，UID废物可以对我们的环境、可再生能源和材料生产以及经济产生潜在的积极影响。固体和液体废物由大量有机物质和化合物组成，含有大量可回收能量。表1列出了主要固体废物的能量含量。 世界表1垃圾的能量含量类型MSW能源（×106Btu · t-1）生物皮革14.4纺织品13.8木材10.0食物5.2庭院装饰6.0报纸16.0瓦楞纸板16.5混合纸6.7非生物源聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）20.5高密度聚乙烯（HDPE）38.0聚氯乙烯（PVC）16.5低密度聚乙烯/线性24.1低密度聚乙烯（LDPE/LLDPE）COD的能量密度为17.6 kJ g-1，世界上有78亿人[9]。这不包括农业和工业废水中的能量。因此，从固体废物和液体废物中回收大量的能量具有很大的潜力。最近的研究表明，不可回收的废料和生物固体可以通过各种过程转化为可用的热量、电力、燃料和化学品。液体废物流可以通过额外的能源回收选项发送，有可能支持农作物和藻类生长，并提供其他可用的副产品。本文件的目标是：描述生物精炼计划，有机固体废物和废水废物的有益利用，作为一种可持续的废物管理战略;确定技术选择;并介绍作者的实验室正在开发的一些重要技术突破2. 生物精炼方案考虑到各种固体和液体废物的化学、物理和生物特性的复杂性，可能需要多种技术来最大限度地从废物中回收能量和价值。特定废物的物理和化学状态在管理和利用过程中发生变化。例如，固体污泥在废水处理过程中产生，并且来自MWW处理厂的浮渣可以分离成三种不同的流，即油、水和干固体。需要引入额外的进程来处理新的状态和流。这导致了生物精炼的概念，其已经在生物质能源生产领域中被广泛讨论。已经提出了许多不同的生物精炼方案[10，11]。在生物精炼方案中，生物质被用来代替fos-1英热单位= 1.055千焦。聚丙烯（PP）38.0聚苯乙烯（PS）35.6其他塑料20.5橡胶26.9银油作为传统石油炼制原料，生物质通过该原料转化为不同形式的能源、化学品和材料，这些能源、化学品和材料通常可以从化石资源中获得（图1）[12]。该方案主要针对植物基生物质原料，其含有高含量的木质纤维素，Fig. 1. 通过不同途径从生物质中获得生物能源[12]。 DME：二甲醚;576P. Chen等人/工程4（2018）574图二. 一种生物精炼方法，将有机固体和液体废物转化为增值产品，同时清洁水和空气。糖、糖或油。这样的原料不适用于MSW、MWW或农业和食品加工废水，其通常纤维素、糖和油（除了油性浮渣）相对低，并且水分含量高。为了针对这些独特的废物定制生物精炼方案，我们提出了一种新的系统方法，如图2所示。这种系统方法包括能够生产化学品、肥料、能源（沼气、合成气、生物柴油和生物油）、食品、清洁水和减少空气污染排放的过程。核心转化技术模块是湿固体和半固体废物的AD;利用废水的鱼菜共生;含油废物转化为生物柴油的过程;以及有机固体的热化学转化。这些技术中的一些已用于商业应用，但并非没有问题和挑战。在下一节中，我们将讨论这些核心技术选项，并报告作者实验室正在进行的研究和开发的最新进展3. 技术选择和新发展3.1. 常规AD对于潮湿的有机固体，如污泥和食物垃圾，以及高浓度的废水，AD在稳定这些废物和生产沼气作为能源方面非常有效。沼气的主要成分是甲烷，用于通过燃烧发电和通过催化重整制氢[13，14]。AD对不同水分含量范围的原料相当稳健，因此适用于各种固体和液体废物，只要它们含有足够的碳源和营养物。有几个问题影响AD技术的有效性和效率。首先，AD后剩余的液体和固体残留物仍然含有一定水平的营养物质，使其不适合直接排放。但经过solid–liquid其次，在AD过程中游离氨和硫化氢的浓度通常很高，以至于抑制甲烷的产生[15第三，作为一个相关的问题，沼气中的高硫含量最后，液体部分如果含有高水平的氨，则由于植物毒性而不适合于水培蔬菜生长氨对水产养殖中的鱼类也有毒性[18]。3.2. 酵母辅助嗜热AD为了解决上述问题，我们一直在开发一种结合真空处理的嗜热AD工艺[19]。在30至40 °C的温度范围内运行的MPEGILIC AD已在全球范围内实践了数十年。它仍然被推荐用于处理高强度的动物粪便，因为与嗜热AD相比，该工艺具有更高的鲁棒性。另一方面，嗜热AD比嗜中温AD具有许多优点，包括更高的有机物降解、更高的pH、更高的CH4产率、更高的最终CH 4回收百分比和更低的残留CH 4排放[20]。在我们实验室最近进行的一项研究中[19]，在嗜热AD之前和期间对基质施加真空，以从AD系统中去除氨和硫化氢。研究了两种不同的真空处理方法。我们首先使用热真空作为液体猪粪的预处理，以在嗜热AD之前汽提氨和硫化氢。这种处理被称为热真空剥离（TVS）。真空度和温度水平的影响进行了研究。真空压力被证明是影响TVS效率的主要因素。超过98%的氨，38%的有机物P. Chen等人/工程4（2018）574577氮气和80%的硫化氢在55 °C下除去，100. 63 ± 3.79 mmHg（1 mmHg= 133.28 Pa）真空，初始pH值为10，在1小时内通过TVS过程。在25d内，未驯化污泥的产甲烷率由11.56 ± 1.75%提高到17.60 ± 0.49%，水解时间缩短了40%。TVS-AD是提高液体猪粪水解效率的有效策略，其出水可用于藻类培养和/或水培系统。在一项正在进行的研究中，我们研究了第二个真空处理实验，其中在嗜热AD过程中对基材施加真空。注意到间歇真空处理足以去除显著量的氨和硫化氢，同时节省能量并简化操作。也可以通过改变真空处理条件（即，压力和时间）。在两种真空处理中，汽提的氨和硫化氢分别被硫酸溶液和氢氧化钠溶液吸收以形成硫酸铵和硫化钠。硫酸铵和硫化钠可以收集用作肥料（硫酸铵）和造纸和纺织工业中的漂白剂（硫化钠）。真空辅助嗜热AD的重要性在于新型AD工艺能够有效降解城市和农业废水中的有机物，并产生高产率的甲烷，同时具有成本效益地汽提氨和硫化氢。这导致液体具有低得多的营养物负载，特别是低的氨水平，这对于液体进一步用于微藻和水培生产是重要的，有时是关键的。3.3. 扩展鱼菜共生鱼菜共生（即，水生植物共生系统）已经成为全球公认的食品生产模式，其中含有一定水平的未使用的营养物和由鱼排泄的营养物的水产养殖水被再循环并用于生产水耕植物。反过来，植物作为几个生物过滤器之一，清洁和净化水产养殖用水。鱼菜共生有很多与传统的农业/园艺和水产养殖相比，它具有以下优点：①它需要更少的交换/处理富含营养的水;②它大大减少了由于渗漏到土壤和地下水而造成的水损失;③它重复使用矿物营养素所有这些优点都有助于减少水和矿物质营养素的使用。水被认为是宝贵的资源，保持清洁的水源变得越来越重要。令人震惊的是，全球农业消耗了地球上70%的淡水资源用于作物生产[21]。据估计，水耕生产的let-tobacco使用的水比传统的农业生产少12倍[22]。通过综合循环水产养殖进行的鱼类生产使用的水不到池塘养殖所需水的1%，以生产同等的罗非鱼产量[23]。因此，在用水方面，鱼菜共生生产系统比传统生产系统效率高得多，最适合缺水地区。此外，鱼菜共生生产具有更高的单位土地、养分和水投入的产量和生产力，并且可以容易地适应绿色或有机生产实践。如果在城市地区实施，它可以大大缩短生产供应链。鱼菜共生的实践仍然面临着技术、社会生态和经济方面的挑战，但仍有许多机会有待探索[21，24]。作者的实验室正在进行研究，调查将动物废水和食品加工废物用于鱼菜共生生产，目的是制定零排放再循环生产战略。图图3显示了扩展的鱼菜共生系统概念的工艺流程图。该扩展系统包括：真空辅助的嗜热AD反应器，以便通过汽提过量的氨和硫化氢来产生甲烷并制备剩余的高强度废水用于鱼菜共生生产;微藻培养过程，以便进一步减少氨，分解残留的有机物，并产生基于藻类的鱼饲料;以及黑水虻/蠕虫生产组件，以便从食物和其他固体生物废物提供鱼饲料由于矿物质营养素由动物废水和鱼废水两者提供，因此水培生产预期大于依赖于淡水的普通养耕共生系统中的生产。水产养殖部分包括一些过滤和生物过滤站以及一个鱼缸。最近的研究发现，微藻成分不仅有助于去除氨氮和总氮，还有助于补偿硝化细菌引起的pH值下降。该研究还表明，通过仔细控制微藻组分的容量，微藻不会与图三. 扩展型鱼菜共生系统概念的工艺流程图。578P. Chen等人/工程4（2018）574水培蔬菜如果控制得当，所有的营养物质都被利用，没有水被排放到地表。已计划进行密集的研究和开发工作，以平衡系统中的各个组成部分，并进行质量和能量平衡分析。还将进行技术经济分析和生命周期分析，以提供技术的财务和3.4. 含油废物到生物柴油工艺含油废物包括来自许多来源的脂肪、油和油脂（FOG），例如MWW浮渣、食品加工浮渣、杂货店和仓库废水浮渣、废食用油等。含油废物堵塞下水道和废水收集及处理系统。它们还可能对环境和人类健康构成威胁。含油废物通常通过AD处理，以产生低能量密度的沼气，或者通过填埋，这会引起严重的环境问题。 对可再生生物柴油的高需求为含油废物利用提供了机会，因为使用初榨植物油作为原料对于生物柴油工业来说已经变得非常昂贵。 废食用油现在被收集用于生物柴油生产，因为它相对清洁。到目前为止，浮渣在生物柴油原料中的等级最低。其皂和游离脂肪酸（FFA）含量高（> 90%），杂质多，水分高，与主油复合物乳化，使油成分提取非常困难。在未净化的状态下，标准的生物柴油工艺无法处理从浮渣中提取的油。含有约30% FFA的低级油原料可以通过两步法转化，其中使用酸催化预处理来使FFA脱水，然后用碱性催化剂使甘油三酯转酯化[25]。当含油废物（即，浮渣）含有具有大于30%的FFA和许多其它杂质的油，两步法是低效的或根本不起作用新过程在的提交人的实验室能够将浮渣中的脂肪酸、脂质和肥皂直接转化为ASTM级生物柴油[26，27]。使用与溶剂萃取相结合的酸洗从浮渣中除去肥皂和细固体颗粒，使得所萃取的油组分适合于下游过程。代替使用低温两步法，其中再循环甲醇可能是能量密集型方法，因为甲醇和水具有非常接近的沸点，我们开发了基于称为“甘油解”的甘油酯化反应的替代方法，其中甘油与FFA反应以产生甘油酯和水[27]。由于反应在238 °C下发生，因此甘油解过程中产生的任何水都被蒸发，然后用氮气从反应器中吹扫。所得的油是干燥的并且适合于随后的酯交换过程。我们的研究表明，虽然反应温度高，但总能耗低，热量可以回收来预热来流。这种新工艺已在小规模试验中得到证实，并有可能适用于其他高FFA油原料。生命周期分析表明，MWW浮渣到生物柴油的过程有可能比目前的做法，如AD和燃烧更经济和更环保[28]。3.5. 微波辅助热化学转化气化和热解是热化学过程，被认为是生物质转化的可行选择[29]。它们在世界许多地方都有实行 气化通过生物质在高温（>800 °C）下的部分燃烧产生合成气。合成气是一氧化碳（CO）、氢气（H2）、CO2、CH4和一些轻质烃的混合物它也可以通过传统的费托和其他新型催化重整工艺转化为化学品合成气可能含有硫化氢、盐酸（HCl）、焦油和固体颗粒等污染物，在使用前必须通过复杂的清洁工艺将其去除[31，32]。热解在不存在氧气的情况下在中等高温（300-700 °C）下将有机原料转化为生物油、生物炭和热解气体。热解分解固体生物质和生产生物油的能力使其成为生产急需的液体燃料的理想选择，液体燃料具有更高的能量密度，并且比气体燃料更容易处理见图4。合成气重整的途径[30]。DME：二甲醚; DMFC：直接甲醇燃料电池; MTBE：甲基叔丁基醚; MTG：甲醇制汽油; MTO：甲醇制烯烃; WGS：水煤气变换。P. Chen等人/工程4（2018）574579·燃料.气化和热解工艺在污染物排放和能量回收方面均优于焚烧。有许多类型的气化和热解方法，其在加热介质和速率以及材料流方面不同它们还提供不同的产品组成、质量、效率和处理具有不同物理和化学性质的原料的能力（即，尺寸、含水量、均匀性、木质素含量等）。在作者的实验室中已经开发了使用微波加热的新的热化学转化过程微波加热与传统的传导加热相比有许多优点.微波加热的特点是内部加热。在生物质的微波加热期间，热流和质量（挥发物）流是并行的，与在常规加热期间发生的逆流相反。基于微波加热的生物质转化的其他优点包括：其处理较大尺寸和高度不均匀的生物质颗粒的能力;其不存在载气，否则载气会稀释产品;以及其缺乏流化和剧烈混合，使得产品中的灰分和颗粒含量显著降低。使用微波加热的热解和气化，被称为最近，通过将微波吸收剂引入该过程中，在提高加热速率和温度方面取得了重大进展[33]。这一添加将工艺从中等加热速率工艺升级为快速加热速率工艺，使得快速微波辅助热解（fMAP）和快速微波辅助气化（fMAG）可行[29，33]。几代中试规模的系统已经得到验证。最新一代可在高达900 °C的温度下运行，加热速率约为250 °C s-1，具体取决于原料。微波辅助转化工艺的独特功能非常适合于通常在水分含量、化学成分和几何形状方面不均匀的垃圾。4. 结论有机固体废物和液体废物的数量不断增加，给这些废物的管理带来了巨大的压力，同时也带来了有益的利用机会。没有任何一种通用技术能够处理如此复杂性质的废物。借用石油精炼过程的概念，已经提出了许多用于木质纤维素生物质的生物精炼方案然而，这些方案不适合市政、农业、食品和生物加工废物。我们已经提出了新的生物精炼方案，旨在完全利用这些废物来生产能源、燃料、食品和饲料，同时清洁水和减少空气排放。四个核心的突破性技术，即真空辅助嗜热AD，延长鱼菜共生，含油废物通过甘油分解，微波辅助热化学转化为生物柴油，我们已经开发出的潜在推进新的生物精炼计划到一个新的水平。每种技术都有其独特的特性和特点，这可能使其在某些废物流和某些情况下发挥最佳作用。真空辅助的嗜热AD适用于固体废物和浓缩废水的处理和利用，并且可能不是将污染物降低到非常低的水平（例如，用于放电目的）。扩展的鱼菜共生要求进入系统的水含有低浓度的营养物质和颗粒，并且是废水处理的最后阶段的合适工艺。油脂废弃物甘油解制生物柴油技术最适合于低品位油脂废弃物，磅微波辅助热化学转化法是一种高效的固体废弃物处理方法，可处理生物质、城市垃圾等多种固体废弃物。高水分含量的固体废物在热化学转化之前需要额外的能量来除去水热化学转化的产物通常需要额外的升级和精制步骤。需要进一步努力改进这些技术，并在更大范围内展示其经济和环境效益，以便将这些技术推向商业应用。确认作者感谢交通部/Sun Grant、美国农业部/能源部、明尼苏达州资源立法-公民委员会、大都会委员会环境服务、明尼苏达大学MNDrive项目、明尼苏达大学生物精炼中心和中国留学基金委员会（CSC）对本研究的资助。遵守道德操守准则Paul Chen 、 Erik Anderson 、 Min Addy 、 Renchuan Zhang 、Yanling Cheng、Peng Peng、Yiwei Ma、Liangliang Fan、YaningZhang 、 Qian Lu 、 Shiyu Liu 、 Nan Zhou 、 Xiangyuan Deng 、Wengang Zhou 、 Muhammad Omar 、 Richard Griffith 、 FaryalKabir、Hanwu Lei、Yunpu Wang、Yuhuan Liu和Roger Ruan声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] 洪俊，陈英，王明，叶良，齐春，袁宏，等。中国城市生活垃圾处理的集约化。Renew Sustain Energy Rev2017;69：168-76.[2] Han Z，Ma H，Shi G，He L，Wei L，Shi Q.中国城市生活垃圾填埋场附近地下水污染研究综述。科学总环境2016;569- 570：1255-64。[3] Li Y ， Yang Y ， Yu G ， Huang J ， Wang B ， Deng S ， et al. 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