高湿有机垃圾中水溶性有机物聚合反应转化为非水溶性物质和水碳分离的方法及机制研究

An annual quantity of 100 M t of wet domestic organic wastes is being produced in China, and its conventional treatment methods may include anaerobic digestion and anaerobic-aerobic composting, with a low conversion rate. In this work, a conversion of the solubles into the insolubles aiming to a separation of carbon from moisture in wet domestic organic wastes via polymerization process will be studied, taking advantage of the presence of unsaturated components such as oil via radical reactions. The organic wastes may include four types of components, i.e., unsaturated oils, starch, cellulose and protein, which can occur polymerization reactions, and Cl-, S, Fe3+/Cu2+ and nitro/nitroso, which may inhibit the radical polymerization. Hence, the effects of unsaturated hydrocarbon and physical conditions on polymerization mechanism and the synthetic dynamics, phase behavior as well as the microstructures and environmental characteristics of NWSO, will also be investigated.

我国城镇年产高湿有机垃圾近1亿t，传统的厌氧产沼和好氧堆肥转化率低。本项目围绕高湿垃圾有机物高分子聚合转化为非水溶性有机物（Non-water soluble organic, NWSO）这一重要科学问题，利用高湿有机垃圾中存在不饱和废油脂特征，通过自由基聚合将水溶性有机物转化为非水溶性固体/半固体，实现有机物与水相的分离。主要研究内容包括高湿有机垃圾中不饱和废油脂、淀粉、纤维素、蛋白质四种典型组分聚合特征及其相互聚合反应过程，Cl-、S、Fe3+、Cu2+、硝基/亚硝基等组分对聚合的阻滞效应，以及外加不饱和烃与四种典型组分聚合反应机制、聚合过程中的熵变/分子势能函数及分子间作用力的计算等。同时，研究NWSO合成动力学行为、NWSO与水相的相行为及分相机理，提出高湿有机垃圾中水分和聚合碳相互分离的方法。研究成果可为高湿有机垃圾通过聚合反应形成更高分子量聚合碳、实现C的全量回收提供新方法。

本项目利用高湿有机垃圾中存在不饱和废油脂、淀粉、纤维素、蛋白质四种典型组分等特征，系统开展餐厨垃圾自由基聚合交联聚合资源化、厌氧发酵沼液C、N同步回收利用和沼渣能源化等研究工作，主要结论如下。.(1) 以AA为单体，KPS为引发剂，MBA作交联剂，采用自由基聚合技术制备新型餐厨垃圾水凝胶产品（FW-Hydrogel），其呈淡黄色凝胶状和网状交联结构，具有良好的吸水保水性能；在最佳合成条件下，即9.1 wt.% AA添加量、4 mmol/L KPS、0.2 wt.% MBA以及70℃的合成温度，可实现FW-Hydrogel的最大吸水率Qm为90.0 g/g；(2) 通过交联聚合方法制备有机-无机复合凝胶缓释肥（LR-g-PAA/MMT/Urea）。在最优条件：WLR/WAA = 10%，KPS = 4 mmol/L，WMBA/WAA = 3%，Urea = 10 g， LR = 1.0 g时，凝胶具有最大溶胀率102.3 g/g；LR-g-PAA/MMT/Urea在蒸馏水和不同盐溶液中的溶胀行为遵循Schott拟二阶膨胀动力学模型；N淋洗实验结果表明：LR-g-PAA/MMT/Urea的N损失率为19.7%，远低于纯尿素的N损失率（52.3%）。(3) 以FW-Hydrogel为基体，制备并改性得到具有–NH2官能团的立体多孔活性炭（SPAC-NH2），可应用于废水中腐殖酸（HA）的分离回收。(4) 成功实现了VFA和NH3-N分别转变为VFA-LDH和NH4HCO3，且经C、N源回收后，厌氧发酵液中COD，VFA和NH3-N的回收率分别为49.4％，27.9％和43.6％；所得到的VFA-LDH表现出良好的C源缓释性能，与NH4HCO3联合作用可作为外部营养源以改善土壤肥力。 (5) 未经pH调控的FW-Hydrogel呈酸性，内部结构为网状交联结构，且富含-OH、-COOH等特征官能团，对NH3和水分子具有较好的吸收作用，其应用于污泥集装化运输，在污泥运输至码头过程中自动自发吸收和消减NH3、VOCs等；LR-g-PAA/MMT/Urea复合凝胶缓释肥因其具有适宜的pH、高膨胀性和保水性等特点，可作为新型替代型土质覆盖层。