餐厨垃圾自适应化学催化氧化靶点攻击转化为低分子量有机酸盐的机制研究

Large amounts of organic waste need to be efficiently reused and recycled. This project focuses on the conversion from organic waste to small molecular weight organic acid salts, like acetates, propionates, amino acid salts, via chemically catalytic oxidation. Free radical scission and connection, rearrangement, exchange, increase or decrease of functional groups can accurately predict the main reaction mechanisms involved in the above process. Taking advantage of self-oxidation of organic components in the organic waste, the external stimulation elements for oxidation process and strategies for the oxidation inhibition, oxygen-rich compounds (O3, H2O2), oxygen or air are used for selectively reduction or oxidation of starch, cellulose, protein and other organic components in the organic waste with the help of ferrous ion or other catalysts. Meanwhile, dissociation of molecular chains during oxidation, conjugate dissipation of donors and acceptors, assemble radical substitution or combination, the intrinsic character of small molecular weight organic acid salts and their separation and recovery through molecular incompatibility design are also studied.

餐厨垃圾数量巨大，应进行高效资源化利用。本项目围绕餐厨垃圾自适应化学催化氧化靶点攻击转化为低分子量有机酸盐这一核心科学问题，通过餐厨垃圾中有机组分自氧化特征表征、外部刺激氧化促进及体系中氧化效应的阻逆掩蔽策略、氧化过程中分子链解离､供体与受体之共轭耗散、基团取代及定向组合、自适应催化氧化研究，基于低分子量有机酸盐内禀特性，以及分子不相容设计及分离回收，利用富氧化合物（O3､H2O2）以及氧气和空气，在铁离子（Fe2+）等催化作用下，选择性还原氧化餐厨垃圾中的有机物，使餐厨垃圾中淀粉､纤维素､蛋白质等有机组分和不饱和脂肪酸、烃等，经自由基断链分解，以及官能团连接､重排､互换和增减，实现餐厨垃圾自适应化学催化氧化靶点攻击转化为乙酸盐、丙酸盐、氨基酸盐等低分子量高附加值有机酸盐的目标。

项目围绕餐厨垃圾化学催化氧化与高值转化目标，系统开展了餐厨垃圾化学氧化过程特性分析、化学强化有机酸及有机酸盐产出机制、餐厨垃圾碳源转化及其强化脱氮效果、衍生产物营养元素利用等研究工作，主要结论如下。.（1）餐厨垃圾化学氧化强化有机酸盐转化方法与机制。利用FTIR、XRF等分析手段研究了餐厨垃圾的基本性质及记录H2O2/KMnO4氧化过程种各组分转化现象。餐厨垃圾中以氨基酸类和糖类（含结晶水）官能团为主，元素含量由高到低依次为钙、钠、氯、碳、氢、氧、氮元素；在室温H2O2/KMnO4氧化体系中，H2O2的添加有利于使不溶性有机碳氮向可溶态转变；当H2O2质量比为3.0%和反应时间为12h时, 氧化产物酸度为自然有氧发酵状态的8倍，且乙酸与丙酸产量与H2O2和KMnO4比例呈正相关关系；继续延长反应时间则有利于丙酸的进一步产生；餐厨垃圾自身高浓度的氯离子会影响氧化反应的进程，计算可知H2O2氧化后25%平均氯进入残渣，而KMnO4氧化则仅为5%。.（2）餐厨垃圾预处理产有机酸盐强化污水反硝化脱氮技术与方法。利用餐厨垃圾、厨余垃圾和菜场垃圾三种常见有机垃圾，通过预处理发酵，实现短链脂肪酸（VFAs）的产出。在最佳的反硝化试验条件，即餐厨垃圾发酵液碳源、初始碳氮比为7，反硝化温度为30℃，污水体系硝酸盐氮的去除率在4h内增大至99.23%。在此基础上，本课题进一步以四种腐烂水果，包括苹果、香蕉、梨、葡萄，作为补充碳源被用于促进老龄垃圾渗滤液的脱氮作用。在最佳条件，即腐烂水果种类、初始C/N值分别为腐烂香蕉和6.5，99.55%的硝酸盐氮、99.36%的总氮以及94.60%的有机物在两天内去除，平均反硝化速率为11.78 mg/(gVSS⋅h)，远高于其它腐烂水果组，且脱氮成本最低，仅为5元/kgNO3−-N。.（3）餐厨垃圾发酵液制备飞灰重金属螯合剂技术。立足于逐年增长的垃圾焚烧飞灰处理规模和飞灰填埋过程棘手的Pb浸出超标问题，本课题基于硫碳基和有机垃圾水解液中胺负离子的亲核加成反应研发了淡黄色餐厨垃圾基DTC螯合剂粉末（FW-CA），明确了达标所需最佳FW-CA添加比例为4.6%，螯合后飞灰抗酸碱能力显著增强；这归于FW-CA中交替的S共价键与配位键与Pb形成稳定的三维颗粒包裹状物质；这一成果为有机垃圾的氮资源回收利用提供了新思路。