餐厨垃圾水热处理及其产物资源化利用特性研究

摘要

随着城市化进程的加快和人口的快速增长，中国城市固体废弃物（MSW）产量正在急剧增加。餐厨垃圾作为MSW的重要组成部分，对其产量的增长起主要作用。餐厨垃圾因其富含有机质和营养物质，具有污染物和资源的双重属性，若能实现有效处理，具有巨大的能源和营养元素回收潜力。　　近年来，水热炭化技术因其具有将湿生物质转化为固体燃料和含碳材料等优势，在餐厨垃圾资源化处理方面具有极大的应用潜力。本研究针对中国餐厨垃圾含水率高、有机质含量高以及富含营养物质等特性，以及传统处理工艺中餐厨垃圾处理难度大、能量回收率低等问题，以实现能量和营养元素双重回收效益为目的，在总结前人研究和预试验的基础上，基于响应曲面分析方法开展餐厨垃圾水热处理及其产物资源化利用特性研究。通过对水热炭化产物的分布和理化特性进行分析，明晰工艺条件对餐厨垃圾水热炭化产物的分布、组成及性质的影响机制，探寻并揭示营养元素分布和能量转化规律，最终通过响应曲面模型拟合优化获得能量和营养元素回收的最佳工艺条件。主要研究工作有以下几方面：　　①采用Box-Behnken（BBD）响应曲面设计试验考察了反应温度、停留时间和含水率对餐厨垃圾水热炭化产物的分布及其理化特征的影响，结果表明餐厨垃圾水热炭化产物主要分布在固相（44.0~56.5%）和液相（30.4~55.7%）中，气相产物较少（3.5~16.5%）。反应条件对水热产物分布具有显著影响，随着反应温度的升高，液相产物逐渐向固相和气相中转化；停留时间的影响在低温下更为显著，180℃时延长停留时间有助于固相产物水热炭的生成；含水率升高导致水热炭产率降低，但这种影响会随着反应温度的升高被削弱，当含水率从80%升高至90%时，180℃，220℃和260℃条件下水热炭产率分别降低了20.0%，9.6%和6.1%。餐厨垃圾水热反应后，固相产物中碳、氮、磷浓度明显增加，H/C和O/C原子比大幅降低，热值和能量密度显著提升，餐厨垃圾燃烧性能得到有效改善，可作为清洁燃料进行能源应用；液相产物中富含大量有机酸以及高浓度的SCOD、TN和TP等营养物质，具备极高的营养回收潜力；CO2是水热炭化反应最主要的气体组分（＞75%），并且由于水热炭化期间产生的H2S气体浓度较高（679.3~2178.0ppm），实际应用中需要考虑气体回收的后续处理工序。　　②基于质量平衡和能量守恒关系，对不同炭化条件下碳氮磷3种营养元素的分布以及水热炭化过程能量平衡进行分析，结果表明在评估的所有炭化条件下，原料中的碳大部分保留在固相（57.2~86.5%）中，仅有少量向气相（1.7~9.4%）和液相（5.4~28.4%）中转移；同碳分布类似，原料中的氮主要保留于固相（60.0~88.4%）中，转移到液相中仅占19.5~43.2%；与碳和氮分布不同，原料中的磷约有36.0~70.4%转移到固相中，29.1~78.0%转移到液相中。能量平衡分析结果表明，水热炭化有助于能量回收，除了含水率为90%的试验组外，所有试验组均实现了净能量正平衡，并且当反应温度220℃，停留时间4h，含水率80%时，餐厨垃圾进行水热炭化处理可实现最大的净能量回收。　　③利用Design Expert软件对响应曲面试验结果进行分析，结果表明4种响应值拟合得到的回归模型均具有极显著性（P＜0.01），且未出现失拟现象（P＞0.05），相关系数R2>0.97，表明该模型能较好地反映餐厨垃圾水热炭化过程中试验参数对水热炭能量产率（EY）、碳固存率（CF）、氮固存率（NF）和磷固存率（PF）的影响。响应面和等高线分析结果表明，反应温度和含水率对于水热炭能量和碳、氮回收具有显著的拮抗作用，而反应温度和停留时间对磷固存具有明显的协同作用。基于模型分析和试验验证获得水热炭中能量和营养元素回收的最佳工艺条件为：反应温度220℃，停留时间3.8h，含水率80%，此时可获得最大的EY、CF、NF和PF值，分别为91.3%，90.9%，90.3%，68.1%。

目录

目 录

1 绪 论

1.1 选题背景

1.2.1 餐厨垃圾来源

1.2.2 餐厨垃圾特性

1.2.3 餐厨垃圾处理处置现状

1.3.1 水热炭化反应机理

1.3.2 水热炭化主要影响因素

1.3.3 水热炭化技术发展与应用

1.4 餐厨垃圾水热炭化研究进展

1.4.1 能源应用

1.4.2 营养元素回收

1.4.3 功能化材料

1.5.1 课题来源

1.5.2 研究目的

1.5.3 研究内容

1.6 技术路线

2 试验材料及方法

2.1 试验原料

2.2 试验设计

2.2.1 试验参数选取

2.2.2 试验方案设计

2.3 试验装置及运行

2.4 分析方法

2.4.1 原料及固相产物理化性质分析

2.4.2 液相产物理化性质分析

2.4.3 气相产物组成分析

2.5 数据处理

2.5.1 基本指标计算

2.5.2 响应曲面回归建模分析

3 餐厨垃圾水热炭化产物分布及理化特征分析

3.1 固液气三相产物分布规律

3.2.1 物理构象

3.2.2 组成分析

3.2.3 官能团特征分析

3.2.4 燃烧特性分析

3.2.5 燃烧行为分析

3.3.1 表观性状

3.3.2 pH 和电导率（EC）

3.3.3 溶解性化学需氧量（SCOD）和总有机碳（TOC）

3.3.4 总氮（TN）和氨氮（NH4+-N）

3.3.5 总磷（TP）

3.4.1 表观性状

3.4.2 压力曲线

3.4.3 组成分析

3.5 本章小结

4 营养元素分布与过程能量平衡分析

4.1.1 碳分布

4.1.2 氮分布

4.1.3 磷分布

4.2 餐厨垃圾水热炭化过程能量平衡分析

4.3 本章小结

5 餐厨垃圾水热炭化工艺条件优化探究

5.1 响应曲面设计与结果

5.2.1 模型构建

5.2.2 方差分析

5.2.3 误差检验

5.3 响应面和等高线分析

5.3.1 试验参数对响应值能量产率的影响

5.3.2 试验参数对响应值碳固存率的影响

5.3.3 试验参数对响应值氮固存率的影响

5.3.4 试验参数对响应值磷固存率的影响

5.4 优化研究及模型验证

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢