棉秸秆水热碳化的优化与生命周期评估：一种改善盐碱土的可持续方法

《Waste Management》：Optimization and life cycle assessment of cotton straw hydrothermal carbonization: a sustainable approach for enhanced saline-alkali soil remediation

本研究评估了市政固体废物（MSW）热导率和比热容随组成、水分含量、干密度及分解程度的变化，通过合成MSW模拟美国典型组成，测试水分含量6%-60%及围压2-400kPa，发现热导率随水分和围压增加而升高，比热容亦因水分升高而增大。对比了系列、并联和几何平均模型，发现新混合模型预测热导率更准确，质量加权模型准确预测比热容。

　　近年来，研究发现高温垃圾填埋场（ETLFs）中热能和温度的管理对于市政固体废弃物（MSW）垃圾填埋场的运行至关重要。在制定和评估热管理策略时，预测垃圾填埋场内部的热传导以及垃圾填埋场与周围环境之间的热交换具有重要意义。本研究旨在探讨合成MSW的热导率和比热容如何随其组成、含水量、干密度以及分解程度的变化而变化。同时，还评估了基于MSW成分估算热导率和比热容的方法。合成垃圾是根据美国环境保护署（USEPA）2015年固体废弃物数据库中报告的平均MSW组成进行配制的。通过厌氧分解，研究人员制造了退化的垃圾样本，以模拟垃圾填埋场中垃圾随时间变化的特性。实验中测量了新鲜和退化垃圾在含水量为6%至60%（按干质量计算）以及约束应力范围为2至400kPa的条件下的热物理性质。研究发现，随着含水量的增加，垃圾的热导率显著上升，而更高的约束应力则通过增加干密度间接提升了热导率。在相同干密度下，含水量较高的垃圾表现出更高的比热容，这是因为水相的比热容较高。研究人员还对比了实际测量的热导率与基于串行、并行和几何平均体积加权模型预测的热导率，以及比热容与基于质量加权模型预测的比热容之间的差异。结果显示，串行和几何平均模型低估了热导率，而并行模型则高估了热导率。一种新的混合模型在低含水量范围内略微高估了热导率，但在高含水量范围内与实际测量值相当。相比之下，质量加权模型在预测比热容方面表现较为准确。这些发现有助于更精确地模拟垃圾填埋场的热行为，从而为制定有效的热管理策略提供科学依据。

垃圾填埋场中的高温现象可能对整个系统产生深远影响。高温不仅可能削弱垃圾填埋场的密封性能，还可能加快垃圾的沉降速度，改变垃圾分解过程中的微生物群落结构，影响垃圾气体的生成速率和组成，增加渗滤液的产生量和浓度，甚至导致恶臭气体的释放。这些变化不仅影响垃圾填埋场的环境安全，还可能对周边生态系统和人类健康构成威胁。因此，准确预测和管理垃圾填埋场的温度变化，是确保其长期稳定运行的关键。垃圾填埋场内部的热传导过程受到多种因素的共同影响，包括垃圾的组成、含水量、干密度以及分解状态。这些因素相互作用，决定了垃圾填埋场的热特性，从而影响其整体热行为。在实际操作中，垃圾填埋场的热特性往往具有高度的空间异质性，这使得建立统一的热传导模型变得复杂。

垃圾填埋场的热物理性质对于热传导模型的建立至关重要。这些模型用于预测垃圾填埋场内的温度分布，评估热管理措施的有效性，以及防止或应对高温垃圾填埋场的形成。热导率和比热容是热传导模型中的两个核心参数，它们的准确测定对于模型的可靠性具有决定性作用。然而，由于垃圾填埋场中垃圾的组成和结构复杂多变，这些参数的预测往往面临挑战。因此，本研究通过实验测量和模型对比，试图找到一种更精确的估算方法，以提高热管理策略的科学性和实用性。

垃圾填埋场中的热传导行为通常受到垃圾内部结构的影响。垃圾填埋场由固体、液体和气体三相组成，其热导率取决于各相之间的相互作用。在垃圾填埋场中，热传导主要通过三种方式进行：串行传导、并行传导和混合传导。串行传导是指热量依次通过各个相进行传递，而并行传导则是热量同时通过各个相进行传递。混合传导则介于两者之间，反映了实际垃圾填埋场中热传导的复杂性。不同模型对热导率的预测结果存在显著差异，这表明在实际应用中需要根据具体条件选择合适的模型。例如，串行和几何平均模型低估了热导率，这可能是因为它们未能充分考虑垃圾内部结构的复杂性。而并行模型则高估了热导率，这可能是因为它假设各相之间的热传导是完全独立的，忽略了实际中相间相互作用的影响。因此，开发一种能够更准确反映垃圾填埋场热传导特性的混合模型，对于提高热管理策略的准确性具有重要意义。

在本研究中，研究人员采用了一种新的混合模型来估算垃圾填埋场的热导率。该模型在低含水量范围内略微高估了热导率，但在高含水量范围内与实际测量值相当。这表明该模型在一定程度上能够反映垃圾填埋场中热传导的复杂性，尤其是在含水量较高的情况下。相比之下，质量加权模型在预测比热容方面表现较为准确，这可能是因为它更直接地考虑了垃圾中各组分的质量比例，而不仅仅是体积比例。因此，质量加权模型在预测比热容时具有更高的可靠性。

垃圾填埋场的热导率和比热容的变化趋势具有重要的工程意义。例如，在垃圾填埋场的设计和运行过程中，热导率的提高意味着热量更容易在垃圾中传播，这可能会影响垃圾填埋场的温度分布和热能的利用效率。而比热容的增加则意味着垃圾能够吸收和储存更多的热量，这对于热能的回收和利用具有潜在的价值。此外，垃圾填埋场的热特性还受到约束应力的影响，这表明在垃圾填埋场的压实和结构设计中，需要综合考虑干密度和含水量的变化对热传导的影响。这些发现为垃圾填埋场的热管理提供了新的视角，有助于优化垃圾填埋场的设计和运行策略。

在实验设计方面，研究人员通过合成垃圾和退化垃圾的对比实验，评估了垃圾填埋场热物理性质的变化。合成垃圾的制备基于USEPA 2015年固体废弃物数据库中的平均MSW组成，确保实验数据具有代表性。退化垃圾则通过厌氧分解过程制造，以模拟垃圾在填埋场中随时间变化的特性。实验过程中，研究人员在不同含水量和约束应力条件下测量了垃圾的热导率和比热容，以全面了解其热物理性质的变化规律。这些实验条件的选择具有科学性和实用性，能够覆盖垃圾填埋场常见的运行参数。通过对比实验数据与不同模型的预测结果，研究人员发现现有的模型在某些条件下存在偏差，这表明需要进一步改进和优化热传导模型，以提高其在实际应用中的准确性。

在垃圾填埋场的实际运行中，热管理策略的制定往往需要综合考虑多种因素。例如，垃圾填埋场的温度分布不仅受到垃圾自身热特性的限制，还受到外部环境条件的影响，如气候、季节变化和周围地质结构。因此，热传导模型不仅要考虑垃圾内部的热物理性质，还需要结合外部环境条件进行综合分析。此外，垃圾填埋场的热管理还涉及能量的回收和利用。例如，高温垃圾填埋场可能成为一种潜在的能源来源，通过热能回收技术，可以将垃圾填埋场中的热能转化为可利用的能量。这种技术的应用不仅有助于提高垃圾填埋场的能源效率，还可能减少垃圾填埋场对环境的影响。因此，准确预测垃圾填埋场的热物理性质，对于热能的回收和利用具有重要意义。

垃圾填埋场的热管理还涉及到垃圾填埋场的环境影响评估。例如，高温可能影响垃圾填埋场的气体排放模式，改变甲烷等温室气体的生成速率和浓度，进而影响垃圾填埋场的碳排放水平。此外，高温还可能影响垃圾填埋场的微生物活动，改变垃圾分解过程中的代谢路径和产物组成。这些变化不仅影响垃圾填埋场的环境性能，还可能对垃圾填埋场的长期稳定性构成威胁。因此，热管理策略的制定需要综合考虑垃圾填埋场的热物理性质、气体排放模式以及微生物活动的变化，以实现环境、经济和社会效益的平衡。

在垃圾填埋场的设计和运行过程中，热管理策略的优化不仅依赖于热物理性质的准确测定，还需要结合实际工程条件进行调整。例如，垃圾填埋场的热导率和比热容可能受到垃圾压实程度、含水量以及垃圾组成的影响，这些因素在实际运行中需要进行动态监测和调整。此外，垃圾填埋场的热管理还可能涉及不同的技术手段，如热能回收系统、冷却系统以及热传导抑制措施。这些技术手段的选择和应用需要基于垃圾填埋场的热物理性质和运行条件进行综合评估。因此，热管理策略的制定不仅是一个理论问题，更是一个实践问题，需要在科学分析和工程应用之间找到平衡点。

本研究的结果为垃圾填埋场的热管理提供了重要的科学依据。通过实验测量和模型对比，研究人员揭示了垃圾填埋场热物理性质的变化规律，为热传导模型的改进和优化提供了参考。这些发现不仅有助于提高热管理策略的科学性和实用性，还可能为垃圾填埋场的环境影响评估和能源回收提供新的思路。此外，研究还强调了垃圾填埋场热物理性质的复杂性，表明在实际应用中需要采用更加精细和准确的模型来预测热传导行为。这为未来垃圾填埋场的热管理研究和工程实践提供了重要的方向和方法论支持。