食物废弃物转化为能源与可持续性应用：一项综述

《ACS Engineering Au》：Food Waste Conversion for Energy Production and Sustainability Applications: A Review

　　

食物废弃物（FW）代表着一个日益严峻的全球性挑战，具有重大的环境和经济影响，同时也作为一种用于能源生产和增值产品的可再生资源展现出巨大潜力。本综述全面评估了FW转化技术及其在可持续资源回收中的应用。研究人员首先总结了全球FW产生的规模及其相关的环境和经济影响，随后阐述了来自家庭、餐饮服务和零售部门的FW的生化和物理化学特性，包括其作为动物饲料的潜在用途。研究人员批判性地评述了生化转化技术（厌氧消化和发酵）和热化学转化技术（燃烧、气化、热解和液化），以及集成式生物炼制方法。此外，本综述比较评估了原料适用性、技术性能、技术经济可行性、环境可持续性以及相关的政策和立法框架，以突显不同转化技术的优势、局限性和实施挑战。总体而言，本综述提供了对当前FW转化技术的全面评估，并强调了其在技术、经济、环境和政策方面的考量，以支持可持续的FW资源化利用和可再生能源生产。

研究背景、现存问题与研究意义

食物废弃物（FW）是一个日益严峻的全球性挑战。据统计，2019年全球产生了约9.31亿吨FW，约占人类消费食品总量的三分之一，造成了约1万亿美元的经济损失。FW在快速分解过程中会排放大量温室气体（GHG），特别是甲烷（CH₄），占全球人为碳足迹的8-10%。不当的管理还会导致气味、病原体滋生和渗滤液产生等环境与公共卫生问题。尽管面临这些挑战，FW因其富含碳水化合物、蛋白质、脂类等有机物以及多种宏量和微量营养元素，被视为一种可用于能源生产和增值产品开发的宝贵可再生资源。然而，现有的综述多聚焦于单一技术（如厌氧消化或热解），缺乏从可再生能源生产角度对生化转化和热化学转化技术进行的系统性比较。因此，有必要开展一项全面的研究，系统评估并比较各类FW转化技术在原料要求、操作原理、产品产出、优缺点、技术成熟度以及相关政策法规等方面的表现，为FW的资源化利用提供科学依据和技术指导。

关键技术方法

研究人员主要通过文献综述的方法，系统地收集、整理和分析了关于食物废弃物（FW）转化技术的现有研究成果。研究涵盖了以下几个主要方面：

1. 1.
   FW的来源与特征分析：基于联合国环境规划署（UNEP）的数据和既往文献，分析了来自家庭、餐饮服务及零售部门的FW产量、生化组成（如碳水化合物、蛋白质、脂类含量）和物理化学特性（如工业分析、元素分析和热值）。
2. 2.
   生化转化技术评估：详细回顾了厌氧消化（AD）和发酵两大核心技术。对于AD，分析了其四个阶段（水解、产酸、产乙酸、产甲烷）、关键运行参数（如有机负荷率OLR、水力停留时间HRT）和甲烷（CH₄）产率。对于发酵，则分别探讨了生产乙醇、氢气（H₂）、挥发性脂肪酸（VFAs）、乳酸、琥珀酸和丁醇的不同路径及典型微生物。
3. 3.
   热化学转化技术评估：系统评估了燃烧、气化、热解和液化等技术。重点关注了这些技术对FW含水率和热值的不同要求，以及它们的主要产物（如生物炭、生物油、合成气）。
4. 4.
   集成分析与讨论：综合比较了不同转化技术的原料适用性、技术经济可行性、生命周期环境影响，并梳理了相关的政策和立法框架。

研究结果

2. 食物废弃物的表征

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  2.1 食物废弃物的来源：研究指出，2019年全球约61%的FW来自家庭，26%来自餐饮服务，13%来自零售业。不同来源的FW成分差异显著，例如家庭FW种类繁多，而零售FW则以未售出的新鲜农产品为主。
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  2.2 各国食物废弃物产生量：数据显示，人均家庭FW产生量与国家的收入水平并无强关联。高收入国家（如塞舌尔183千克/人/年）与中低收入国家（如马尔代夫208千克/人/年）的最高产生率相近。同时，研究也指出了全球FW数据的一个重大局限性，即餐饮服务和零售部门的数据在高收入和中等偏上收入国家之外非常匮乏。
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  2.3 食物废弃物的特性：通过分析文献中的生化组成和物理化学特性（如表2和表3），研究发现FW的特性在不同原料间差异很大，且来源对其影响并不一致。一般而言，高水分和易生物降解的有机物更适合生化转化，而高干物质、挥发分和热值的FW更有利于热化学转化。
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  2.4 食物废弃物用作动物饲料的潜力：研究表明，FW含有丰富的赖氨酸、蛋氨酸等必需氨基酸以及钙、磷等矿物质，其营养价值可媲美甚至超越传统谷物饲料，具备替代猪、禽饲料的潜力。但同时指出，食品安全问题和成分异质性是其大规模应用前需解决的关键障碍。
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  2.5 基于传感器和人工智能的分选预处理系统：研究介绍了结合人工智能（AI）的传感器自动分选技术，如电磁传感器（EMS）、激光诱导击穿光谱（LIBS）、近红外（NIR）光谱和高光谱成像（HSI）。这些技术与深度学习算法结合，可实现超过90%的分选精度，有效提高FW纯度，保障下游处理过程的稳定。

3. 生化转化

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  3.1 厌氧消化：厌氧消化（AD）是将FW转化为沼气和消化物的一项成熟技术。研究指出，FW因其高水分和可生物降解性，是AD的理想底物，在中温条件下甲烷（CH₄）产率可达0.25-0.45 m³ CH₄/kg VS。然而，FW的快速降解易导致酸化，且高蛋白含量可能产生氨抑制。为此，研究人员提出了共消化、微量元素补充和两阶段AD等工艺强化策略来提高稳定性与产气效率。
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  3.2 发酵：发酵是在温和条件下将FW转化为多种高价值产品的生化过程。
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    3.2.1 生物乙醇：利用酿酒酵母可将FW中的糖类转化为乙醇，产率约为80-120 g乙醇/kg FW。
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    3.2.2 生物氢：通过暗发酵，梭菌属等产氢细菌可将碳水化合物转化为氢气（H₂），产率约为20-120 L H₂/kg VS。
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    3.2.3 挥发性脂肪酸：通过控制反应条件，可从FW中生产挥发性脂肪酸（VFAs），产率约为0.3-0.7 g VFA/g VS，其中乙酸和丁酸是酸性条件下的主要产物。
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    3.2.4 乳酸：乳酸菌（LAB）可将FW发酵生产乳酸，研究显示德氏乳杆菌在同步糖化发酵（SSF）下可达到理论产率的91%。
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    3.2.5 琥珀酸：琥珀酸是一种高价值的平台化合物，可通过琥珀酸放线杆菌等微生物发酵生产。研究证实，利用苹果渣和乳清等FW衍生的底物可以成功生产琥珀酸。
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    3.2.6 丁醇：通过丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵，溶剂型梭菌可将FW转化为丁醇，其能量密度高于乙醇，与现有燃料系统兼容性更好。

4. 热化学转化

研究介绍了燃烧、气化、热解和水热液化四种主要的热化学转化技术。这些技术通过高温反应将FW转化为热能、燃气（合成气）、液体燃料（生物油）和固体产物（生物炭）。研究强调，FW的高含水率通常会降低燃烧效率，而热解和气化等过程则能在一定程度上克服此缺点，并产出更具价值的副产品。

总结与讨论

讨论部分总结：本研究通过对生化转化（厌氧消化AD、发酵）和热化学转化（燃烧、气化、热解、水热液化）技术的系统比较，揭示了它们在原料适用性、技术性能、经济可行性和环境影响方面的显著差异。高水分、易降解的FW更适合AD和发酵等生化途径，而低水分、高热值的FW则更适用于热化学转化。技术经济分析表明，AD因兼具能源回收和肥料生产的双重效益，通常在经济上更具吸引力，但受规模和政策补贴影响较大。生命周期评价（LCA）显示，与填埋相比，所有FW转化技术均能显著减少温室气体排放，但具体减排效果取决于技术路径和系统边界。政策和立法框架（如欧盟的废弃物指令和美国的食品回收层级）对推动FW资源化利用至关重要，但全球范围内仍存在执行力度不一和数据缺口等问题。

研究结论：食物废弃物（FW）作为一种富含有机物的可再生资源，通过适当的转化技术可以实现能源回收和增值产品生产，从而减轻环境负担并促进循环经济发展。厌氧消化（AD）是目前最成熟、应用最广泛的FW处理技术之一，能够高效生产沼气和有机肥料。发酵技术则展现出生产生物乙醇、生物氢、挥发性脂肪酸（VFAs）等多种高价值化学品的巨大潜力。热化学转化技术，尤其是热解和气化，为处理干燥FW提供了有效的能源回收途径。然而，FW成分的高度异质性是所有转化技术面临的共同挑战，需要通过先进的传感器和人工智能（AI）分选预处理系统来解决。未来的研究应致力于开发集成式生物炼制系统，优化工艺参数以降低成本和提高效率，并加强跨学科合作，以应对商业化过程中的技术和经济瓶颈。