通过水热预处理协同增值利用棕榈油厂废水生物质以强化生物甲烷和水炭的生产

《Bioresource Technology Reports》：Synergistic valorization of palm oil mill effluent biomass by hydrothermal pretreatment for enhanced biomethane and hydrochar production

　　

## 摘要

传统的池塘式棕榈油厂废水（POME）处理需要大面积土地和较长的滞留时间，往往导致残留固体未被充分利用且处理效率有限。水热预处理（HTP）提供了一种替代途径，能够增强有机质转化，提高生物可降解性，同时将液态和固态组分升级为高价值能源资源。本研究探讨了HTP条件对POME生物质转化的影响，重点关注液相和固体水焦的理化性质变化，以通过强化生物甲烷生产和作为能量密集型固体燃料实现高附加值利用。POME的预处理在多种水热强度条件下进行，操作温度（150–210 °C）、压力（20–60 kg/cm2）和保温时间（10–30 min）。系统地评估了化学需氧量（COD）、挥发性脂肪酸（VFAs）、生物甲烷产量和水焦特性的变化。结果表明，适中的HTP条件显著改善了底物特性，与原始POME相比，生物化学甲烷潜力（BMP）提高了3倍。此外，HTP改善了固相，生成了富含碳的水焦，其热值为26 MJ/kg，凸显了其作为替代生物能源途径的潜力。在采用热量回收的高压HTP条件下，实现了0.02 kWh的微弱正向净能量平衡，而甲烷回收和将水焦作为固体燃料利用可改善环境绩效和总产品价值。本研究提出了整合HTP-厌氧消化系统从废水流中增强生物能源回收的潜力，支持在循环生物经济框架内高效实现POME增值。

## 引言

全球棕榈油产业的快速扩张加剧了对棕榈油厂废水（POME）可持续管理的需求，POME是棕榈油提取加工过程中产生的高含水率废水（Ho等人，2025年）。年POME产量超过6000万吨，其有机质浓度极高，化学需氧量（COD）通常在50,000–77,000 mg/L，生化需氧量（BOD）为12,000–25,000 mg/L，若不经预处理直接排放可能造成严重的环境挑战（Hayawin，2018年）。传统的POME开放式池塘处理系统通常由冷却池、厌氧池、兼性池、好氧池和终沉池组成，其中厌氧池作为主要的生物处理单元，负责大量有机质的去除和甲烷的生成（Mohammad等人，2021年）。然而，池塘系统通常需要大面积土地和超过100天的极长水力停留时间（HRT），往往无法满足日益严格的环境法规要求，并限制了过程强化和能源回收（Zainal等人，2022年）。随着全球优先事项转向循环生物资源管理，将POME转化为可再生生物能源已成为兼具污染控制和资源回收的日益受关注的策略（Bhatia等人，2025年）。

厌氧消化（AD）是POME沼气增值的主要应用技术之一，这得益于其天然的较高含水率和丰富的可生物降解有机质，包括碳水化合物、蛋白质、脂质和木质纤维素残留物（Imam等人，2025年）。然而，AD受到水解步骤的限制，水解是限速步骤，在该步骤中复杂聚合物被解聚为可溶性单体（Chaiprapat和Laklam，2011年）。水解不充分限制了复杂有机质向可溶性中间产物的分解，进而延迟了产酸和产甲烷过程并延长了整体处理时间（Cardova等人，2025年；Ma等人，2013年）。这一限制对POME尤为相关，因为POME中含有来自棕榈生物质的木质纤维素纤维和其他复杂有机成分。水热处理被认为是一种有效的方法，可在高温高压条件下促进复杂有机结构的裂解，从而增强水解（Lachos-Perez等人，2022年）。尽管化学、物理、机械和生物等多种预处理方法已被探索用于加速水解，但每种方法都存在操作、经济和可扩展性方面的局限（Ratnasari等人，2022年）。因此，针对生物质热化学转化预处理的研究方法日益增多，如水热预处理（HTP），该方法具有强大的水解性能，无需引入外部化学药剂，且与其他方法相比具有令人前景的可扩展性（Yahav Spitzer等人，2023年）。

HTP广泛应用于高含水率废物，操作条件为120–250 °C下的饱和或高压状态（Wang等人，2019年）。HTP促进生物聚合物的自水解，通常增加污泥类材料的水溶性化学需氧量（sCOD）。相比之下，POME生物质在棕榈油提取过程中已经历了高温处理，特别是新鲜果串的杀菌处理在135–145 °C下进行（Siravit等人，2024年）。由于加工过程中的上游加热，POME中相当一部分有机质已以可溶性形式存在，而悬浮固体含量保持适中。废水特征分析对于选择适当且经济的处理策略以及确保符合当地监管机构设定的排放限值至关重要。POME常见的关键理化参数包括酸性pH值、高含水率、升高的COD和BOD，以及悬浮固体、油脂、氮化合物、木质素和其他可生物降解有机物的存在。此外，总有机碳（TOC）、总凯氏氮（TKN）、挥发性固体（VS）和养分含量也是生物处理期间可生物降解性和微生物生长潜力的重要指标（Poh等人，2010年）。

作为高浓度废水的POME是AD的合适底物，AD仍是棕榈油行业中应用最广泛的主要处理方法。然而，复杂颗粒物、木质纤维素成分和难降解化合物（如木质素）的存在可能限制微生物的可及性并减缓水解速率。先前的研究表明，热或HTP增强溶解作用，增加可溶性COD和挥发性脂肪酸（VFAs），从而提高甲烷产率和整体处理效率（Khadaroo等人，2021年）。除了改善底物溶解度外，HTP还可能影响下游生化反应动力学（Lee等人，2019年）。这进一步凸显了对液相底物特性进行系统研究的必要性，以便为生物甲烷生产提供理解，这对于评估整合HTP与AD以增强生物能源生产和整体废水增值的可行性至关重要。除了液相转化外，HTP还影响固体残留物即水焦副产物的特性。元素组成、工业分析和能量热值的变化可为产品相之间的碳再分配以及高附加值水焦的潜在形成提供见解。对液相和固相两种产物的研究为水热处理期间有机质分布提供了更完整的理解，并支持开发整合废物资源化途径的更广泛目标。

尽管对水热技术的研究兴趣日益增加，但关于温度、压力和停留时间等因素对POME生物质生物能源转化的系统性研究仍然有限。虽然压力已在其他水热系统中得到研究，但其在POME预处理中的具体作用尚未得到明确阐述，而压力对于维持亚临界水条件以改变反应结果（相较于无精确压力控制的系统）至关重要（Kakar等人，2022年；Sun等人，2024年）。现有的POME研究主要集中在COD上，未将溶解行为与VFAs等中间代谢物或生物甲烷生成以及水焦的共生产联系起来。对于复杂的、COD丰富的POME生物质，HTP条件如何影响其生物化学性能的理解仍然不足（Yusnitati等人，2024年）。

因此，本研究旨在探讨HTP操作变量——温度、压力和保温时间——对POME转化性能的影响。研究工作聚焦于这些参数如何通过COD、VFAs形成、潜在生物甲烷产量以及副产水焦的固体特性影响溶解行为。此外，还确定了相关的能耗作为参考指标，以比较不同HTP条件下的相对能源需求。将HTP引入上游AD过程以研究底物溶解和生物可降解性，从而强化AD在更高效POME增值途径中的作用。通过考察水热强度与底物可及性之间的关系，本研究为优化HTP条件以增强甲烷回收和高附加值水焦提供了明确依据，支持开发高效的整合HTP-AD系统用于POME在生物能源应用中的增值。

## 部分摘要

### 生物质与实验材料

原始POME以批次方式采集自马来西亚雪兰莪州班廷Seri Morib棕榈油厂的冷却池。原始POME样品在进一步预处理和处理前储存于4 °C。HTP之前，摇动原始液态POME以确保样品中悬浮固体充分混合。原始POME的悬浮固体含量按照HACH标准方法8006使用光度法测定，pH值使用pH计（Thermo Fisher Accumet AB150）测定。接种物……

### 原始POME生物质的水热预处理（HTP）

表1所示的原始POME特性对于确定其适用于生物质增值的热化学和生物处理至关重要。总COD为81.40 g/L，可溶性COD为45.04 ± 0.86 g/L，表明POME生物质中相当一部分有机负荷已以易于生物降解的形式存在。这对AD可能是一个优势，因为可溶性部分可以直接促进快速的产酸和产甲烷过程以提高甲烷……

## 结论

本研究调查了HTP作为一种增强POME生物能源潜力的方法，通过评估温度（150–210 °C）、压力（20–60 kg/cm2）和保温时间（10–30 min）对液相和固相生物质理化性质的影响。通过表征底物溶解作用、发酵中间产物变化、甲烷产量和水焦特性，结果表明升高的水热压力显著改善了……

## CRediT作者贡献声明

Chao-Wen Wang：撰写——初稿，可视化，方法论，调查研究，概念化。Kai Ling Yu：撰写——初稿，项目管理，资金获取。Eqwan Roslan：撰写——审阅与编辑，资源提供。Zhi-You Chen：可视化，形式化分析。Tzu-Hsien Hsieh：资源提供，调查研究。Cheng-Tang Pan：监督指导，资源提供。Hwai Chyuan Ong：撰写——审阅与编辑，监督指导，概念化。

## 伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。

## 生成式人工智能及写作过程中的AI辅助技术声明

在准备本工作期间，作者使用了ChatGPT以改善句子的清晰度和语言表达。在使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表文章的全文内容承担全部责任。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系竞争。

## 致谢

本研究由Jeffrey Cheah基金会和Sunway大学（项目GRTIN-ECR(02)-SEN-04-2025）资助。研究还获得了UNITEN（基金JPT.S(BPKI)2000/016/015JId.4(21)/2022002HICOE）和AAIBE可再生能源讲席（202408KETTHA）的支持。作者还感谢Green Lagoon Technology Sdn Bhd的Tan先生和Seri Morib棕榈油厂的Raddi先生在本研究中的宝贵支持。

Chao-Wen Wang | Kai Ling Yu | Eqwan Roslan | Zhi-You Chen | Tzu-Hsien Hsieh | Cheng-Tang Pan | Hwai Chyuan Ong

台湾国立中山大学机械与机电工程学院，高雄市80424