废弃物处理、再利用与能源生产的新兴技术

《Applied Sciences》：Emerging Technologies for Waste Treatment, Reuse and Energy Production

　　

专业术语翻译 能源与环境危机、日益增长的能源需求以及自然资源的退化[1,2,3]凸显了开发和实施创新性、可持续性材料加工与能源回收技术的重要性。在此背景下，向循环经济（circular economy）[4,5,6]的转型是提升资源效率、减少环境影响以及促进可持续生产与消费的关键。与此同时，将有机生物质（organic-biomass）和废弃物残渣（waste-residues）作为二次原材料加以利用，可有助于能源与生物燃料生产[7,8,9,10,11,12]以及材料回收[13,14,15,16,17,18,19]。 这些挑战与联合国可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs）直接相关（目标7：可持续且低成本的能源；目标8：可持续经济发展；目标9：创造性思维与创新技术；目标11：绿色城市与社会；目标12：负责任的制造与消费；目标13：强化气候行动承诺的实践[20,21]）。实现这些目标需要建立废弃物综合管理、优化现有工艺，并利用能够提升能源产出、减少环境影响并促进资源回收的组合式技术路径。 在此背景下，发表于《Applied Sciences》期刊、题为“Emerging Technologies for Waste Treatment, Reuse and Energy Production”的特刊（Special Issue, SI）旨在探讨能源生产、废弃物处理与再利用以及材料回收领域的最新技术进展。该特刊收录的原创研究论文和综述论文涵盖了广泛的科学领域，包括生物质热化学与生化转化路径、生物燃料与生物气生产、水溶液中有价值材料的提取、农业与工业残渣的能源价值、吸附剂再生，以及与废弃物管理相关的环境影响评估。此外，该特刊还探讨了与热储存、热回收、能源效率以及可持续利用二次资源相关的问题。本特刊的贡献强调了采用跨学科方法应对复杂能源与环境挑战的重要性。更具体而言，多种生物质（如酿造工业副产物、微藻、水生植物、宠物食品废弃物和锯末）的能源回收潜力得到了重点展示。此外，关于活性炭再生、从海水中回收锶以及污水污泥中微塑料评估的研究，同时凸显了材料回收的可能性与有效的环境风险管理，拓展了循环经济原则的应用范围。结合热储存的有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）系统研究则强调了有效利用原本未被开发的废热流的重要性。 总体而言，本特刊有助于展示支持从线性经济模式向综合循环资源管理系统转型的科学与技术进展。研究成果与文献综述的综合分析为优化废弃物处理工艺、提升能源与材料回收效率以及开发更高效且对环境更负责任的技术提供了有价值的见解。本特刊的贡献凸显了科学技术创新在推进可持续能源转型、加强环境保护以及支持全球可持续发展目标方面的重要作用。

论文解读文章

一、研究背景与意义

全球能源与环境危机、持续增长的能源需求以及自然资源的不断退化，构成了当今社会面临的重大挑战。传统的线性经济模式——即“开采-使用-丢弃”——导致了资源浪费和环境污染的加剧。在此背景下，向循环经济（circular economy）模式的转型成为提升资源效率、降低环境负面影响并促进可持续生产与消费的关键路径。将有机生物质和废弃物残渣作为二次原材料加以利用，不仅能够为能源与生物燃料生产提供新的来源，还能实现有价值的材料回收。这些挑战与联合国可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs）中的多项目标直接相关，包括目标7（可持续且低成本的能源）、目标8（可持续经济发展）、目标9（创新技术）、目标11（绿色城市与社会）、目标12（负责任的制造与消费）以及目标13（气候行动）。实现这些目标需要建立废弃物综合管理体系、优化现有工艺，并采用能够提升能源产出、减少环境影响并促进资源回收的组合式技术方案。

正是在这一背景下，发表于《Applied Sciences》期刊的题为“Emerging Technologies for Waste Treatment, Reuse and Energy Production”的特刊（Special Issue, SI）应运而生，旨在系统性地探讨废弃物处理、再利用与能源生产领域的最新科技进展。该特刊收录了七篇原创研究论文和四篇综述论文，涵盖生物质热化学与生化转化路径、生物燃料与生物气生产、水溶液中价值材料的提取、农业与工业残渣的能源价值、吸附剂再生以及废弃物管理相关的环境风险评估等广泛主题。此外，研究还涉及热储存、热回收、能源效率提升以及可持续利用二次资源的工艺开发。该特刊的贡献强调了采用跨学科方法应对复杂能源与环境挑战的重要性，其研究成果为从线性经济模式向综合循环资源管理系统的转型提供了科学依据和技术支撑。

二、研究内容与主要发现

Gim?auskait?和Eimontas（贡献1）综述了多种生物质热化学转化路径，旨在实现可持续生物燃料生产，减少对化石燃料的依赖并降低环境风险。该综述系统梳理了主要转化路径、影响转化效率的因素以及利用各类生物质的潜力，并探讨了这些技术在可持续能源发展背景下面临的挑战与未来前景。

Vasileiadou等人（贡献2）研究了利用啤酒糟（Brewer’s Spent Grain, BSG）进行能源生产、提升整体工艺效率以及基于BSG开发能源储存材料。BSG是酿造企业的主要副产物。该综述特别强调通过将工业废弃物转化为重要能源来源来减少环境影响和实施循环经济原则。研究数据显示，BSG厌氧消化（anaerobic digestion, AD）可产生约302 NL CH?/kg COD，每公斤BSG可产生约0.39 kWh电力和1.71 MJ热能。超声波预处理可使CH?产量增加（107 L CH?/kg TVS），并将CO?排放降低0.083 t CO??q/t BSG。当BSG与其他酿造废弃物进行厌氧共消化时，产率提升至88 mL CH?/g TVS，产生约0.35 kWh/kg TVS电力，排放减少0.114 kg CO??q/kg TVS。BSG热解产生的生物油中高达71.8%的平均能量含量为22 MJ/kg。BSG燃烧热值超过19 MJ/kg，而烘焙处理后的BSG热值达到25 MJ/kg。生物氢产量可达5154 mL H?/g葡萄糖，生物乙醇产率可接近72%。由BSG制备的活性生物炭用于锂硫电池时具有显著比表面积（1792 m2/g）。该研究表明，BSG向可持续能源和储能材料的转化符合可持续发展和废弃物减量目标。

Nganko等人（贡献3）实验研究了Framiré木材锯末的资源化利用，将生物活性化合物的回收与固体燃料生产相结合。研究探索了从木质生物质中提取次级代谢产物并将剩余残渣转化为燃料压块的潜力。含次级代谢产物的燃料总热值约为26.15 MJ/kg，不含代谢产物的燃料约为26.20 MJ/kg。燃料消耗量从无代谢产物燃料的1.400 kg/L显著降至含代谢产物燃料的0.86 kg/L。提取物的黄色指数介于73.490（浸渍法）和81.720（煎煮法）之间。研究结果为利用Framiré提取物开发木材及其衍生物的阻燃产品提供了前景，同时凸显了能源与化合物联合生产的潜力。

D?bowski等人（贡献4）实验研究了超临界CO?（sCO?）预处理微藻和蓝藻对厌氧消化（AD）效率的影响。AD是将有机物质转化为生物气的重要生物路径。研究考察了AD动力学、有机物溶解度变化以及CH?生成产率。结果表明，在最优条件下（1 sCO?: 2.5 生物质），T. subcordiformis的CH?产率提升至354 mL CH?/gVS，L. platensis的CH?产率达到403 mL CH?/gVS。利用sCO?作为解离剂可有效提升生物废弃物管理中的发酵效率和节能效果。

Puratich-Fernández等人（贡献5）实验研究了将不可销售的宠物食品废弃物作为生物质燃料用于能源生产的潜力。该废弃物类别可提供替代能源，但需要评估其燃烧特性、排放物以及设备腐蚀风险。研究评估了化学成分、能源影响、挥发性有机化合物（VOCs）排放和锅炉金属腐蚀情况。该材料与辐射松木材相似，重金属含量极低，能量含量高达0.0195 GJ/kg，灰分浓度低于1%。每吨宠物食品生产可减少0.015 Mg CO??q排放。由于分子性质，VOCs对环境的影响极小。在猫粮的情况下，废弃物燃烧产生的腐蚀速率与家用燃气相当，而狗粮产生的腐蚀速率与其他生物质类型（如木片和颗粒）相似。研究结果表明，使用木片和不可销售宠物食品废弃物的生物质组合用于工业锅炉，可产生热能、降低温室气体排放，并有助于实现2050年碳中和目标。

Worek等人（贡献6）以微塑料为重点，研究了在农业中使用稳定化污水污泥作为肥料的环境风险。微塑料是农业中持续存在的环境污染物，对土壤、地下水和食物链构成威胁。该研究聚焦于评估这些风险，并强调在农业用地施用污泥前进行适当质量控制的重要性。

贡献7的综述研究探讨了从海水和海水淡化技术产生的卤水中回收高纯度锶（Sr）的方法。Sr是众多工业应用中的关键元素。从水溶液中回收Sr是替代陆地矿床开采的可行方案。该论文探讨了与回收过程效率和纯度相关的机遇、限制和技术挑战，重点介绍了能够选择性捕获该元素的吸附材料。

Zhang等人（贡献8）提出了一种综合方法，利用浮萍修复锌和铵污染水体，随后对产生的生物质进行能源化利用。研究使用不同的初始锌和铵浓度培养浮萍。水生植物去除水中污染物后，收集的生物质首先进行AD处理以产生生物气。液体部分比固体部分产生更多CH?。然而，在高锌和高铵条件下，液体水解产物的甲烷产量显著下降，仅在锌条件下培养的浮萍因高锌抑制作用产率最低。该方法将液体废弃物处理与能源回收相结合，提升了水和生物资源的管理效率，同时强调了确定所产生生物质是否适合能源利用的重要性，尤其是生长在受污染水体中的生物质。

Birriel等人（贡献9）评估了有机朗肯循环（ORC）与使用多种导热油的热储存系统相结合的火用和热性能。火用评估有助于识别损失和优化机会，而热分析侧重于系统的能源效率。对于直接加热的ORC，热源与锅炉之间的温差对热效率有显著影响，最高可达约50%。通过集成具有调谐温度曲线的热能储存系统，火用效率显著提升。结果表明，导热油的加入显著提高了ORC系统的火用效率，凸显了其在增强可再生能源热能转化方面的重要作用。

Ye等人（贡献10）的目标是开发一种热解-活化再生技术，从废弃颗粒活性炭（GAC）中制备高孔隙率碳材料。研究进行了热化学分析以考察废弃GAC的热降解行为，随后在不同工艺条件下使用热再生系统进行N?热解和CO?活化实验。结果表明，热再生GAC的孔隙特性显著优于废弃GAC，证明了在工艺条件下沉积物和吸附有机物被有效去除或分解。与单纯热解相比，通过CO?物理活化的热再生产生了更优异的孔隙特性。

Ferreira-Filipe等人（贡献11）考察了源自电气和电子废弃物（e-waste）的塑料，重点关注其表征、环境存在和生物处理潜力。经济障碍、研究缺乏和环境问题是有害电子废弃物塑料环境污染物表征和处理技术面临的挑战。改进电子废弃物塑料的可持续处理需要进一步研究、跨学科合作和政策支持。

三、关键技术与方法

本特刊研究涉及的主要关键技术方法包括：生物质热化学转化技术（热解、燃烧、烘焙）和生化转化技术（厌氧消化、生物氢与生物乙醇生产）；超临界CO?（sCO?）预处理技术用于强化微藻和蓝藻的厌氧消化效率；热解-活化再生技术用于废弃活性炭（GAC）的孔隙结构恢复；有机朗肯循环（ORC）系统与热储存技术的集成用于低温废热回收；以及水生植物（浮萍）修复技术用于重金属和氨氮污染水体的治理。此外，研究还采用了火用分析方法评估能量系统的热力学效率，以及材料表征技术（如扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱、比表面积与孔隙度分析）用于再生碳材料的微观结构评价。

四、结论与展望

本特刊的研究成果表明，现代技术进步在能源回收、二次材料和增值产品开发以及废弃物处理方面发挥着重要作用，有力推动了可持续发展和循环经济的实现。尽管所研究的工艺和材料多种多样，但这些研究的共同特征在于探索将生物质残渣和废弃物转化为有价值的能源或材料资源，同时减少其工艺和处置过程的环境影响。生物质残渣的能源化利用研究尤为重要，热化学和生化转化以及多种生物质残渣/废弃物（如锯末、宠物食品废弃物、酿造废弃物、水生植物和微藻）的利用为固体或生物气生物燃料生产提供了广泛的应用前景。材料回收（从海水和海水淡化卤水中回收锶）和吸附剂（废弃活性炭）再生研究强调了利用二次资源以减少原生原材料消耗的重要性。水生植物去除水体污染物与生物质能源化利用的联合使用，凸显了将能源回收与环境修复相结合的综合系统的潜力。同时，有机朗肯循环与热储存的联合评估强调了低温热回收和能源效率提升的重要性。在废弃物转化为清洁能源和二次材料路径的选择中，必须综合考虑废弃物组成、能源产率、经济成本、工业可行性和环境影响等因素。本特刊的研究表明，有效的废弃物管理需要综合策略，而非仅依赖单一技术。总体而言，新兴技术有望将废弃物转化为增值产品、从生物质残渣中产生更清洁的能源并减少环境影响，从而促进联合国可持续发展目标（SDG7、SDG8、SDG9、SDG11和SDG13）的实现。