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

人類生產生活會消耗大量的資源，同時產生大量的廢棄物。中國有機廢棄物包含廚余垃圾、餐廚垃圾、城市污泥等生活源，農業秸稈、畜禽糞污等農業源和菌渣、酒糟等工業源廢棄物，產量大，涉及面廣，總量超過40億t，位居全球首位。有機固廢具有污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污染和資源浪費。有機廢棄物的資源化處理處置是我國減污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為主，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為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、污染與資源并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、多組分的復雜特性，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“污染物”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污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產生與處理現狀,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,以期為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污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產量與處理現狀，梳理了我國無廢城市、減污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，以及污染和資源雙重屬性，提出了以無害化為目標、以資源化為手段的基本理念。總結分析了有機固廢作為多介質、多組分交互的復雜體系，在生物轉化、熱化學轉化、固液分離、產物資源利用方面的研究進展和技術難點，并提出了有機固廢未來重點突破方向，旨在為我國有機固廢資源化處理處置的技術研究提供參考。

01

我國有機固廢產生與利用現狀

1. 產生與處理處置現狀

近年來，我國城鄉有機固體廢棄物(廚余垃圾、城市污泥、農作物秸稈、畜禽糞便等)的產生量迅速增長。根據中國城鄉建設統計年鑒，2021年我國縣級以上城鎮地區污泥產量超過8000萬t(以80%含水率計)，預計2025年我國城鎮污泥產量將突破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)年產生量約為1.28億t。根據第二次全國污染源普查測算，2020年我國畜禽糞污年產量30.5億t，秸稈產生量約為8億t。我國有機固廢年產總量超過40億t。

我國城鎮生活垃圾早期以混合填埋為主，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%，已形成以焚燒為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為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。以上海市為例，2021年濕垃圾產量平均已經超過1萬t/d，占干濕垃圾總量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%。

我國污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，大部分污泥以簡易填埋為主，沒有得到妥善處理處置。隨著國家對污泥問題的重視和配套科技投入的不斷加大，建設了一批示范工程，污泥穩定化處理和焚燒比例有所增加，基本形成4條污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%的污水處理廠采用了污泥厭氧消化，遠低于歐洲、美國和新加坡等國家。由于我國大部分污泥沒有經過穩定化處理，同時污泥土地利用受跨部門限制，導致污泥土地利用比例遠低于發達國家70%的水平。

《第二次全國污染源普查公報》顯示：2017年國內畜禽養殖業水污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%，是農業面源污染的主要來源。據估算，2016年全國每年產生畜禽糞污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；每年產生秸稈近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，具有污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污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污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，并排放大量溫室氣體。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。然而污泥等有機固廢具有多介質、多組分交互作用的復雜特性，特別是我國污泥有機質低(我國污泥有機質含量為30%～60%，發達國家污泥有機質含量為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。

污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。但由于污泥是有機—無機—水分高度混雜的非均相復雜體系，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污泥體系并不適用，尚缺乏污泥專用的調理方法。傳統機械脫水存在脫水難度大、加藥量大的瓶頸問題，傳統熱干化能耗高，不可持續。實現固液高效分離是污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，其中磷作為重要的戰略性資源，其回收對于解決全球磷危機具有重要意義。以污水廠污泥為例，污水中90%以上的磷資源富集在污泥中。德國于2017年10月3日通過了對《污水污泥條例》的修訂，其核心內容是要求從污水污泥或其焚燒灰中回收磷，其難點在于污泥中磷的形態復雜、釋放效率低、回收難度大。有機固廢厭氧會產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。

產物出路不暢通是有機固廢處理的瓶頸問題之一。以污泥為例，污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污泥的主要處置方式，但污泥填埋會占用大量土地，并釋放大量溫室氣體，且我國部分經濟發達城市面臨無地可埋的困局。建材利用需要對污泥進行干化焚燒或協同焚燒處理，以實現污泥的礦化和無害化。由于污泥含水率較高，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。土地利用是污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、標準銜接、處理水平等方面，我國污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年資源與經濟要脫鉤，實現零廢棄物的目標；新加坡提出了“零廢物”的國家愿景；日本提出建設“循環型社會”；我國臺灣地區提出構建“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，形成可復制、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產業體系，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，加強農作物秸稈綜合利用和畜禽糞污資源化利用。

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，發揮減污降碳協同效應，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《減污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《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》(發改環資〔2022〕1453號)，提出要加快補齊污泥處理短板，提高污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“以資源化為手段，無害化為目標”，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、高附加值產品以及營養物質。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污染。

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、固液分離與產物資源化。而易腐有機固廢作為多介質、多組分交互的復雜體系，生物轉化效率低、熱化學過程調控難、固液分離能耗高、產物資源利用率低經濟效益缺乏，已成為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后續轉化過程的影響機制尚不清晰，“污染物”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污染物深度去除效果尚不穩定，生產過程各類產物的環境行為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產甲烷、好氧發酵生物穩定、氮磷物質回收或去除、其他高值產品制備等，如圖2所示。

厭氧消化是從易腐有機固廢中回收生物質能最常用的方式。易腐有機固廢中的復雜有機物在微生物的作用下，經過水解、產酸、產氫產乙酸和產甲烷作用，最終轉化為清潔能源———甲烷。這是一個將生物質能轉化成化學能的過程，能量轉化效率可以通過單位有機物產甲烷量來衡量。在實際的厭氧消化過程中，有機質的降解效率通常不足50%，且單位降解有機質的甲烷產率低于300mL/g VSdegraded，遠低于理論甲烷產率(450～600mL/g VS)。為使得實測值盡可能接近理論值，從而獲得更高的生物質能收益，相關研究熱點主要集中在：1)厭氧消化前基于有機質破穩解構原理的高效預處理方法開發，如提出了基于等電點預處理的新方法，從易腐有機固廢結構性質的角度，討論了限制污泥有機質厭氧生物轉化產甲烷的機制和強化產甲烷的可能方法；2)厭氧消化過程基于功能微生物強化的定向調控機制探索，例如利用微電壓的引入，提高易腐有機固廢厭氧消化過程電子傳遞效率，從而驅動電活性功能微生物更高的轉化效率(如地桿菌是直接電子傳遞過程中最為熟知的電子供體微生物，其廣泛參與了直接電子傳遞介導的互養產甲烷過程)；3)復雜體系中以高占比為目標的甲烷氣定向生產策略，如Fe3O4的引入能夠充當連接丙酸氧化產乙酸菌和二氧化碳還原產甲烷菌的電子導線，使2種微生物之間建立種間直接電子傳遞，從而促進丙酸降解產甲烷過程，提高沼氣中甲烷的純度。

好氧發酵是易腐有機固廢生物穩定化的重要途徑之一。具體來講，依靠細菌、放線菌、真菌等微生物，在一定的人工條件下，可控地促進可被生物降解的有機物向穩定的腐殖質轉化的生物化學過程。工藝運行不穩定、占地面積較大、存在惡臭等二次污染等問題在工程應用中時有發生。聚焦當前的工程應用瓶頸，相關研究熱點主要集中在：1)生物轉化產物與環境交互作用及風險評價，例如復雜介質有機固廢好氧發酵腐殖化產物，向土壤有機質轉化過程的作用規律及其穩定機制值得深入探索；2)有毒有害物質的代謝機制及遷移轉化規律，有研究發現好氧發酵過程中重金屬形態分布會隨著發酵腐殖化進程而變化，可交換態等不穩定態含量降低，結合態和殘留態等穩定態含量增加，重金屬鈍化現象與機制的解析進一步指導了好氧發酵調理劑的研發；3)易腐有機固廢高參數好氧生物穩定技術及調控，例如開發了基于堆肥利用通風量計算模型確定分段式曝氣模式和通風參數的快速發酵方法，闡明了前期的小分子物質如何與中后期醌基定向聚合是生物強化定向腐殖化過程調控關鍵。

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。具體體現在：1)氮磷物質的賦存形態解析與富集是實現后端高效去除或回收的首要前提，氮素按存在形態分為顆粒態和溶解態2種，按化學性質分為無機氮和有機氮2種，磷的賦存形態與易腐有機固廢種類密切相關，如活性污泥中磷主要以聚磷形式存在于微生物細胞內，化學除磷污泥中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，與有機物形成大的絮狀體，焚燒灰渣中的磷主要以礦物質沉淀形式的磷酸鹽存在，然而目前受檢測手段限制，還無法全面、精準地識別復雜體系下氮磷的空間分布和相應的化學形態，后續研究應進一步探索其形態分析方法；2)復雜體系氮磷回收新方法與新原理，如從富蛋白質類易腐有機固廢中回收對植物根系/葉面有較高傳遞效率的氨基酸螯合肥(由金屬離子提供空軌道與氨基酸中的氧、氮等原子提供2對或2對以上的孤對電子，通過配位共價鍵形成環，結構穩定)，或利用酸溶及厭氧發酵為主要途徑的強化釋磷后，進一步利用金屬分離提純實現磷的清潔回收，復雜體系下磷的原位回收技術亦是研究熱點(直接形成礦物質磷沉淀后固液分離回收，或降低有害物質含量后磷素直接回收利用)；3)高氨氮、低碳氮比沼液的綠色低耗脫氮處理一直是行業難題，基于厭氧氨氧化菌的自養脫氮技術成為解決該行業問題的關鍵技術，工藝層面需要進一步增強厭氧氨氧化菌和氨氧化細菌在系統中的停留與富集，以確保污水處理系統中有效的生物量停留，同時抑制其他微生物(特別是亞硝酸鹽氧化細菌和異養菌)的生長，并通過強化手段如載體增加有效生物質的持留，目前厭氧氨氧化自養脫氮技術已經在污泥厭氧消化沼液等高氨氮廢水脫氮領域實現了工程應用。然而厭氧氨氧化菌具有倍增速度慢、易受環境因素抑制的特性，并且我國缺少規模化運維經驗，限制了該技術在我國的推廣應用。如何提高反應器啟動速度，減少微生物流失，提升脫氮負荷，減少復雜水質的抑制性影響，在國內構建厭氧氨氧化接種泥基地，是未來推動厭氧氨氧化自養脫氮工藝在我國應用亟待解決的問題。

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產品制備意義重大：1)易腐有機固廢合成聚羥基脂肪酸酯(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，對菌群產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后續研究的重點方向。除此之外，從馴化富集后的混合物料中篩選PHA合成優勢菌株，并在開放條件下利用水解酸化產生的VFA合成PHA，也可以作為易腐有機固廢合成PHA研究的重要方向；2)需要進一步提高易腐有機固廢生產中長鏈脂肪酸(MCCAs)原料的豐富性，建立相應分類收集和儲存系統后，對每個潛在原料的利用成本和生產效能進行綜合評估。多組分物料的協同消化，也可能是提高MCCAs產率的有效手段。高效預處理、高產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的產量和純度，是實現MCCAs高效和經濟生產的關鍵。

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，并可回收能源資源等優勢，熱化學轉化已成為易腐有機固廢的主要處理方式之一。常用的處理方式包括干化焚燒、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)易腐有機固廢組分復雜，熱化學特性差異大，基礎理論研究滯后；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、重金屬等污染物含量高，對于二噁英等污染物仍為被動控制。基于以上瓶頸問題，易腐有機固廢熱化學轉化過程復雜組分熱化學轉化機理需進一步揭示，多重污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。

干化焚燒是最普遍的易腐有機固廢熱化學轉化技術，是易腐有機固廢高溫分解和深度氧化的過程，可實現有機物礦化、污染物削減與深度減量，適合于高碳低含水有機固廢。燃燒過程會產生大量大氣污染物，如甲烷、揮發性有機化合物、氮/硫氧化物、氯化氫、多環芳烴、呋喃、二噁英以及有機和無機氣溶膠微粒等。此外，易腐有機固廢中存在的堿金屬在高溫燃燒過程中，會引起積灰、結渣、腐蝕等問題。高含水和高含氧量，也必然導致低位熱值的降低，燃燒消耗量增加。圍繞前述瓶頸，易腐有機固廢干化焚燒過程的研究熱點包括：1)二噁英等污染物原位阻滯機理及主動調控方法；2)熱工機制的進一步闡釋，可助推焚燒過程向智能化控制主動調控；3)低容量(＜300t)清潔焚燒關鍵技術和裝備開發。

熱解碳化是在無氧或缺氧條件下，在反應溫度400～700℃內將易腐有機固廢轉化為富含碳的固體殘渣的過程，適合于高碳低含水有機固廢。熱解碳化技術是20世紀90年代在日本和歐美發展起來的污泥處理新技術，2008年以后，我國也逐步開展了相關技術研究和工程應用。國內外工程應用的結果表明，和傳統的堆肥、焚燒等處理技術相比，熱解碳化在能源有效利用、資源化、溫室氣體減排等方面表現出一定的優勢，逐漸成為國際上有機固廢處理的研究熱點和新發展方向。以全鏈條處理處置視角，易腐有機固廢熱解碳化過程重點關注：1)熱解反應器熱轉化效率提升；2)全流程污染物削減與自清潔；3)產物定向調控關鍵技術與裝備；4)熱解炭產物定向合成與高值資源化利用。目前易腐有機固廢熱解碳化技術已經在日本實現了大規模的工程應用，并建立了完善的技術標準規范體系。我國在易腐有機固廢碳化技術引進吸收、工程示范等方面已經具有一定的基礎，同時開展了相關產學研工作，但在關鍵技術裝備開發和工程推廣應用等方面還存在較大的發展空間，相關標準規范尚需進一步完善。

熱解氣化是無氧或缺氧的條件下，易腐有機固廢中有機組分的大分子發生斷裂，產生小分子氣體和殘渣的過程，適合于高碳低含水有機固廢。工程實踐經驗表明，易腐有機固廢熱解氣化技術減量化大于90%，較大程度上降低了土地資源占用，1100℃的高溫使無害化處理更為徹底，氣化過程產生的可燃氣可用于前端干化，殘渣則可進行建材資源化利用。同時，從原理上遏制了二噁英的生成，氣化產物渣中重金屬得到固化，無飛灰產生，全過程更潔凈、高效。高參數熱解氣化技術和裝備、全過程污染物削減及熱解氣高效清潔與利用是其重點研究方向。

水熱碳化是在180～260℃和5～25MPa的條件下，將易腐有機固廢轉化為富含碳的固體煤狀產品的過程，適合于高含水有機固廢。水熱炭產率為40%～80%，液相產率為5%～20%，氣體產生量較小(2%～5%)。水熱炭除了可用作生物燃料，由于其特殊的化學或結構特性，可根據特定的應用需求制備功能化的碳基材料。水熱碳化反應過程參數調控、水熱碳的高效可控合成及液相難降解有機質的處理處置是亟待重點突破的方向。

3. 易腐有機固廢固液分離

水－固混合的穩定膠狀絮體狀態是易腐有機固廢的共性特征，高含水率(質量分數＞95%)是制約易腐有機固廢處理處置效率的主要因素之一，有效固液分離(95%→40%)可實現易腐有機固廢體積減容92%以上，提高熱值15倍以上，是提升易腐有機固廢資源化處理效率的首要步驟，也是焚燒、熱解等熱處理工藝實現能量平衡甚至回收的必要前提。然而，易腐有機固廢系有機－無機高度混雜的非均相復雜體系，水－固間的各類物化鍵合作用使得其呈現穩定的膠狀絮體狀態，固液分離極度困難。現有易腐有機固廢固液分離工藝常采用“脫水調理－機械壓濾－熱干化”的技術組合模式，普遍存在藥耗高(易腐有機固廢干基質量的20%～30%)、能耗高(600～800kcal/kg H2O)、效率低等問題，特別是非相變、低藥耗方式降低易腐有機固廢含水率至60%以下仍是易腐有機固廢處理領域的長期技術瓶頸，易腐有機固廢固液分離性能的影響機制及提升技術方法是相關領域長期關注的熱點難點，如圖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，也是準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復雜體系，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產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產生非化學鍵作用(范德華力、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。已有研究開發了若干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、鐵鹽為代表的混凝劑以及以陽離子聚丙烯酰胺及其衍生物為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，排出顆粒間隙水并強化固體顆粒沉降分離性能，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范圍并無統一定論，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干基質量增加和體積增容；此外，以Fenton、類Fenton、過硫酸鹽氧化為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復雜，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)對非選擇性的羥基自由基(·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(易腐有機固廢干基質量的20～50%)，二次污染風險高(Fe2+、Fe3+、過硫酸根等具有一定生物毒性及腐蝕性)，工藝控制復雜(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，反應過程難以精準控制，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，具有污染與資源雙重屬性，有機固廢資源化是我國減污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)污泥等有機固廢具有多介質、多組分的復雜特性，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復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，由中冶建筑研究總院有限公司主辦、工業建筑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。報導內容涵蓋水污染防治、大氣污染控制、有機固廢生物處理與資源化、過程工程環境污染控制與資源化、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為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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