城市固体废物是由人类活动产生的各种材料混合体，包括有机组分、纸张、玻璃、塑料以及金属化合物[1]。其组成会因季节、地区以及消费模式的不同而有所变化[2]、[3]，这给废物的有效管理、处理和回收带来了巨大挑战。2013年至2023年间，欧盟的废物产生量增长了6.7%，达到每人每年511公斤[4]，为此欧盟根据2008/98/EC指令制定了相关政策和激励措施，以推动废物减量、回收以及有价值材料的再利用[5]。在同一时期，填埋处理的废物比例从48%下降到23%，而回收率则从33%上升至48%[4]，这说明监管措施正在助力更加可持续的废物管理方式的形成。
尽管在分类收集和材料回收方面取得了进展，城市固体废物依然是一种宝贵的资源，其中有机组分约占其总量的46%[6]。城市固体废物中的有机组分来源于厨房、花园和公园等场所的废弃物[7]，目前全球范围内广泛采用机械-生物处理技术来处理这类废物[3]、[8]，这些有机组分要么在机械-生物处理设施中作为单独的流出来分离，要么通过独立的分类收集获得。在典型的有机废物处理设施中，首先会通过机械预处理步骤将富含有机质的组分与其他废物分开，之后再将这些有机质送入堆肥和厌氧消化等生物处理流程中[6]、[9]、[10]。这样的预处理过程会产生一种由多种非危险性材料组成的残余物，包括塑料、木质生物质和纸张等，这类材料无法通过堆肥或厌氧消化有效处理，因此被归类为欧洲废物目录代码19 12 12中的废弃物[11]。所以，虽然堆肥和厌氧消化仍是处理可生物降解有机组分的首选方法，但如何处理这类残余物仍然是一个重大难题。
这类残余物并非无关紧要。据意大利环境研究与保护研究所的数据，2024年意大利的堆肥厂产生了约496,000吨残余废物，综合厌氧-好氧处理设施产生了921,000吨，厌氧消化厂则产生了479,000吨，其中分别有30.2%、35.3%和12.1%属于代码为19 12 12的残余物——总计约为533,000吨/年[12]。这些残余物大多被用于焚烧或填埋处理；同样，在英国，2023年用于填埋的废物中约有70%也是来自机械处理过程的残余物质[13]。这一情况表明，尽管这类废物通常被用于能源回收，但其作为材料资源的潜力却一直未被充分重视。
与此同时，欧洲还面临着另一种类型的资源危机——磷资源短缺。由于欧洲在磷矿石方面的进口依赖度较高，十多年来磷矿石一直被列入欧盟的关键原材料清单之中[14]，因此从废物中回收磷资源逐渐被视为一种战略性的应对举措[15]。与早先人们担忧的磷矿石长期耗尽问题（“磷峰值”）不同，目前的证据表明，更紧迫的问题是由于市场集中度上升以及地缘政治不稳定导致的短期经济短缺，因为全球的磷矿石生产和储备主要集中在少数几个国家手中[16]。这种状况可能会影响到欧盟各国，包括意大利的农业和食品系统，这就更需要制定跨行业的磷资源规划，优先考虑从二次来源，即废物中回收磷资源，而非继续依赖原始磷矿石[16]。最新的政策分析也指出，尽管欧盟在磷资源回收方面已经建立了相对完善的监管体系，但由于治理机制不完善以及市场激励不足，实际应用仍然十分有限——这就需要像本研究中所探索的那样，通过经过技术验证的回收方法，将政策目标转化为可行的解决方案[15]。
实际上，这两个问题并非毫无关联。上文提到的那些被废弃的废物是一种富含碳且目前尚未得到充分利用的废弃物，它或许可以为磷资源回收提供机会，从而在减少焚烧依赖的同时，为市场提供额外的磷资源。慢速热解技术已被广泛用于各种有机废物的热化学转化，包括污水污泥、城市固体废物中的有机组分以及木材废弃物等，它在稳定废物、实现资源回收以及生产高附加值产品方面都取得了不错的效果[17]、[18]、[19]。相比之下，城市固体废物有机组分在预处理过程中产生的残余物却几乎未被研究过，尽管这类废物的产量相当大，而且除了填埋和焚烧之外，几乎没有其他有效的利用途径。因此，评估这类残余物是否适合进行慢速热解处理，有望为通过生产高附加值产品来实现资源回收开辟新的途径。这些产品包括生物炭，它可以用作土壤改良剂、吸附剂或碳基燃料[20]、[21]、[22]、[23]；还有可凝缩的液体组分（生物原油），可用于生产可再生燃料[24]、[25]、[26]；以及不可凝缩的气体组分（合成气），可用于提供工艺热能并满足其他热能需求[27]。
不过，慢速热解的效果以及所得生物炭的性能在很大程度上取决于原料的特性。由于城市固体废物有机组分预处理过程中产生的残余物属于高度异质的材料，因此需要专门的研究来确定其是否适合进行热化学转化。此外，通过对原料进行预处理或后续处理，还可以进一步提升生物炭的性能。其中，化学浸出技术被认为是一种很有前景的方法，它不仅可以改善生物炭的性能，使其可用于替代冶金燃料或作为废水处理中的吸附剂，还能同时回收磷和钾等有价值的养分，用于生产肥料[28]、[29]。先前的研究已经表明，将热解与浸出相结合的方法，能够在实现生物炭性能提升的同时从废物中回收磷元素，从而有助于更可持续地管理这一重要且不可再生的资源[30]、[31]、[32]、[33]。然而，目前将慢速热解与化学浸出相结合的试点研究还十分少，至今还没有在任何实际操作条件下，对城市固体废物有机组分预处理过程中产生的残余物进行过完全整合的处理工艺验证。
在此背景下，本研究提出了一种新的方法，即结合慢速热解和化学浸出技术，将这种复杂且性质各异的废物转化为四种高附加值的产品：水相、生物油、生物煤以及富含磷的无机肥料。据作者所知，这是首次在真实环境中，对城市固体废物有机组分预处理过程中产生的残余物进行试点规模的慢速热解和化学浸出处理，并验证了该方法的可行性。本研究旨在探讨通过结合慢速热解和化学浸出技术，对这类残余物进行创新处理的可行性和规模化潜力。该方法系统地评估了工艺性能、生物煤的质量、各类产品的特性（包括生物炭、凝缩物和气体），以及磷的回收效率，最终目标是生产出高质量的生物煤，并实现磷作为高附加值产品的回收。通过减少对原始磷资源的依赖，这项研究有助于提高资源利用效率，推动废物管理领域的循环经济发展。
