水力空化预处理餐厨垃圾：理化特性调控与沼气增产机制

针对餐厨垃圾(FW)厌氧消化(AD)中水解效率低、产气稳定性差的问题，上海团队创新性采用水力空化(HC)预处理技术。研究发现20分钟HC处理使FW油相含量提升168%，粒径d(0.9)降低52%，溶解性有机物(DOC)增加63%，最终沼气产量达434.46 ml/g VS（增产44%），能耗仅1650 kJ/kg TS。该研究为FW资源化提供了高效低耗的工程化解决方案。

　　

随着全球每年约1/3的食物被浪费，餐厨垃圾(FW)处理已成为环境与能源领域的焦点问题。传统厌氧消化技术面临FW复杂组分（淀粉、蛋白质、脂类及纤维素）导致的水解瓶颈，尤其脂类物质既可能抑制微生物活性又影响传质效率。现有预处理方法如热解、超声等存在能耗高或操作复杂等缺陷，亟需开发新型高效预处理技术。

上海的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，首次系统评估了水力空化(HC)对FW的预处理效果。通过Venturi管产生空化效应，发现20分钟处理即可实现三大突破：油相含量从6 wt%跃升至15 wt%，固体颗粒d(0.9)从819.17 μm锐减至392.56 μm，溶解性有机碳(DOC)浓度提升63%。微生物群落分析揭示，HC预处理显著富集了水解菌（如Bacteroidetes）和产甲烷菌（如Methanosaeta），最终使沼气产量提升44%至434.46 ml/g VS，单位能耗仅1650 kJ/kg TS。

关键技术包括：1）合成FW模拟真实组分（含20%米饭、15%鸡肝等）；2）HC系统采用0.5 MPa入口压力与12 m/s喉部流速；3）三相分离通过离心（4000 rpm,10 min）实现；4）AD测试采用500 ml反应器（35±1°C,60 rpm）；5）Illumina高通量测序分析微生物群落。

【Food waste】
合成FW的标准化配方确保实验可重复性，HC处理后油相透明度显著提高（图2a,b），证实其对油脂乳化态的破坏作用。

【Oil phase】
HC空化效应使油水界面张力降低，20分钟处理油回收率提升168%，对应能量输入仅需0.23 kWh/kg TS。

【Particle size distribution】
激光粒度仪显示d(0.5)和d(0.9)分别下降42%和52%，证明空化微射流对颗粒的破碎效果优于传统机械研磨。

【Organic matter transformation】
溶解性碳水化合物（+75%）和VFA（+30%）的同步增加，表明HC同时促进多糖水解和酸化过程。

【Biogas production】
累积产气曲线显示HC组滞后期缩短3天，最大产气速率达25.34 ml/g VS·d，较对照组提高61%。

【Microbial community】
HC组Bacteroidetes相对丰度增加8.7%，与纤维素降解相关的Ruminococcaceae上升2.3倍，形成更高效的代谢网络。

该研究证实HC通过物理破碎（粒径减小）、界面效应（油水分离）和生物调控（群落重构）三重机制协同提升FW产气性能。特别值得注意的是，其单位TS能耗仅为超声处理的1/5，且无需化学添加剂，符合绿色化学原则。作者Peng Zhou等指出，该技术对高脂FW（如餐饮业垃圾）处理具有特殊优势，未来需在中试规模验证长期运行稳定性。这项研究为"双碳"目标下的有机固废处理提供了兼具科学创新性和工程可行性的技术路径。