《Bioresource Technology》：Unlocking the energy potential of orange wastes using various pre-treatments and co-digestion strategy: Technological and energy analysis and polycyclic aromatic hydrocarbons distribution
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研究人员研究了污水污泥与预处理后的橙渣的共消化（co-digestion）。在各种预处理方法中，水力空化（hydrodynamic cavitation, HC）显示出最高效率。微波辐射（microwave radiation, MR）不建议作为橙渣（oran
研究人员研究了污水污泥与预处理后的橙渣的共消化（co-digestion）。在各种预处理方法中，水力空化（hydrodynamic cavitation, HC）显示出最高效率。微波辐射（microwave radiation, MR）不建议作为橙渣（orange wastes, OW）的预处理方法。水力空化确保了3、5和6环多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）的有效分解。水力空化产生了43%的能量利润。
**论文解读：利用多种预处理与共消化策略解锁橙渣的能量潜力**
**1. 研究背景与问题**
厌氧消化（anaerobic digestion, AD）技术广泛应用于有机废物处理，尤其在市政污水处理厂（wastewater treatment plants, WWTPs）中，用于稳定化市政污泥（municipal sewage sludge, MSS）。然而，MSS单独消化存在营养失衡、碳氮比不佳，以及重金属和多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）等抑制剂问题。共消化（anaerobic co-digestion, AcoD）通过引入互补性底物可改善甲烷产量和过程稳定性，符合循环经济原则。橙渣（orange wastes, OW）作为食品加工废弃物，具有高糖分和水分，但含有精油（如d-柠檬烯）和复杂木质纤维素结构，导致直接消化时甲烷产量低且易抑制。现有预处理方法（如热、机械、生物处理）效果有限或能耗高，因此亟需开发高效、经济的预处理技术，解锁OW的能量潜力，并同步评估其对PAHs（EPA优先控制污染物）分布和能量平衡的影响。
**2. 研究内容与方法**
研究人员开展了批量AD实验，将MSS与经不同预处理后的OW进行共消化。预处理方法包括声空化（acoustic cavitation, AC）、水力空化（hydrodynamic cavitation, HC）、微波辐射（microwave radiation, MR）和固化二氧化碳（solidified carbon dioxide, SCD）。实验设置6个系列：A0（MSS单独消化）、A1（未处理OW+MSS）、A2（AC预处理OW+MSS）、A3（HC预处理OW+MSS）、A4（MR预处理OW+MSS）、A5（SCD预处理OW+MSS）。MSS和接种物取自波兰卢布林WWTP，OW购自当地市场，生活污水（municipal wastewater, MW）取自比亚韦斯托克WWTP。主要关键技术方法包括：各预处理装置的特定操作参数（如AC采用150W、26kHz/30min；HC采用3bar、10min、孔板3/10mm；MR采用900W、50°C、5min；SCD采用10g/L、-78.5°C）；中温（37°C）批量AD反应器（21天周期）；分析方法涵盖化学需氧量（COD）、可溶性COD（sCOD）、总固体（TS）、挥发性固体（VS）、PAHs含量（GC-MS）、沼气成分（GC）、挥发性脂肪酸（VFA）、碱度（ALK）、总氨氮（TAN）、d-柠檬烯、酚类、木质素（Van Soet法）、傅里叶变换红外光谱-衰减全反射（FTIR-ATR）及热重分析/导数热重分析（TGA/DTG），并基于2500m3/d消化器容量进行能量平衡计算。
**3. 研究结果**
**3.1 有机化合物降解与PAHs分布**
通过比较COD、sCOD、TS和VS的去除率，发现几乎所有预处理OW的共消化系列中，有机质去除率均优于MSS单独消化（A0）和未处理OW共消化（A1）。其中，HC预处理（A3）的COD去除率较A0和A1分别提高18%和8%，sCOD去除率也显著提升。PAHs分析显示，HC预处理虽增加了进料中总PAHs含量，但AD后实现了3、5、6环PAHs的有效去除，而AC和MR预处理则导致部分PAHs释放。A3的消化物中总PAHs含量低于1000 μg/kg DW，符合欧盟土壤改良剂标准（≤6000 μg/kg DW）。
**3.2 过程稳定性与抑制剂存在**
所有系列中pH、VFA/ALK比值（0.047–0.051）均处于稳定范围，表明过程稳定。但预处理增加了进料中酚类、d-柠檬烯和TAN含量，例如AC预处理导致酚类含量较A0升高2倍以上，但消化物中浓度均低于抑制阈值（酚类<250 mg/L，d-柠檬烯<200 mg/kg）。d-柠檬烯在HC预处理进料中最高，但未抑制甲烷化。
**3.3 沼气与甲烷产量及动力学**
与A0相比，所有预处理OW共消化系列均提升沼气及甲烷产量，但A1（未处理OW）产量下降7.7%和6.7%。HC预处理（A3）获得最高甲烷产量400.1 mL CH
4/g VS，较A0提高7.5%，较A1提高15.3%。动力学模型（Modified Gompertz和Logistic growth）显示，所有预处理系列的最大甲烷产率（R
m）均提高，滞后期（λ）缩短，其中SCD预处理使λ较A0降低67%–85%。MR预处理虽R
m提高20%，但甲烷产量仅略增，表明可能存在抑制。
**3.4 FTIR和TGA分析**
FTIR显示，OW添加增加了脂类、萜烯、羰基化合物及抑制剂（如柠檬烯、p-伞花烃）的特征峰。AD后，这些峰强度降低，尤其HC预处理（A3）中柠檬烯和p-伞花烃相关峰几乎完全消失，表明抑制剂被有效降解。TGA/DTG分析显示，所有消化物在Stage II（270–320°C）的DTG峰降低，残留物增加，其中A3残留物从19.4%升至33.5%，对应最高甲烷产量。
**3.5 能量平衡评估**
能量计算表明，所有预处理方法中，热能从甲烷燃烧可覆盖加热进料、热损失及预处理能耗。HC预处理能量利润最高，达37361 MJ/d，较A0和A1分别提高54%和43%。AC和SCD也实现正能量利润，而MR因能耗高导致净能量亏损，不推荐用于OW预处理。
**4. 讨论与结论**
研究结论指出，不同预处理方法对OW与MSS共消化效果影响各异。HC预处理在有机质去除、甲烷产量、PAHs降解及能量平衡方面表现最优，尽管进料中酚类和d-柠檬烯含量升高，但未抑制过程。AC和SCD也呈现良好效果，而MR因能耗高且能量利润为负，不建议采用。该技术可有效解锁OW的能量潜力，并提升WWTPs的能量平衡。研究人员建议未来在长期半连续流系统中进一步验证PAHs去除机制，并优化HC工艺参数以降低能耗。
