生物干燥结合RDF（资源化衍生燃料）、肥料以及热能生产：食品废弃物消化物的多途径资源利用的正交优化与经济分析

《Bioresource Technology Reports》：Bio-drying coupled with RDF, fertilizer, and thermal energy production: Orthogonal optimization and economic analysis of multi-path resource utilization for food waste digestate

中国城市每年产生超10亿吨食品 waste，厌氧消化后残余物占比90%-95%，但受环保法规限制难以直接农用。本研究通过正交实验优化通风模式（连续/间歇）、速率（0.12-0.24 L/(kg DM·min)）和生物炭类型（稻壳炭/木炭/泥炭），发现连续通风结合木炭能最大程度去除水分（19.3%），使低位热值降至8.5 MJ/kg，符合再生燃料（RDF）标准。同时，优化产品作为肥料时，腐殖酸含量>120 mg/g，胡-富比值>2.0，发芽指数达235.2%，显著提升土壤改良效果。生命周期成本分析表明该方案NPV达126.7万元，市场敏感性低，政策补贴下优于焚烧处理。研究首次建立生物炭改性协同通风优化的双路径（能源/肥料）资源化模式，为循环经济提供技术支撑。

　　

侯向东|黄高远|张一然|吴炳炎|张圆圆|李洋洋

西安工业大学，中国

摘要

中国城市化进程每年产生超过10亿吨食物废弃物，其中厌氧消化产生的残渣占处理产量的90-95%。严格的法规限制了这些残渣在农业中的再利用，因此需要高效的资源化策略来实现循环利用。通过正交实验优化了生物干燥参数：通气方式（连续/间歇）、通气速率（0.12–0.24 L/(kg DM·min)以及生物炭类型（稻壳/木炭/泥炭）。评估指标包括工艺效率、产品质量、温室气体排放量和多路径经济效益分析。连续通气（0.24 L/(kg DM·min)结合木炭生物炭处理方式可最大程度去除水分（19.3%），同时产物热值较低（8.5 MJ/kg），适合用于生产固体回收燃料（RDF）。更重要的是，这种肥料产品具有优异的土壤改良效果，能够保留天然养分（N + P?O? + K?O ≥ 4%），富含有机酸（>120 mg/g），有机酸与腐殖质的比例（HA/FA）大于2.0，发芽指数为235.2%，证明其对植物具有良好的相容性。RDF的生产获得了较高的净现值（NPV，126.7万元），且市场敏感性较低；而通过肥料途径的应用还能借助农业补贴政策实现协同效应。焚烧方式在经济上不可行。这种综合方法体现了生物干燥在能源回收和土壤改良方面的双重作用，有助于在城市废弃物循环经济中实现闭环管理。

引言

中国的城市化进程导致每年产生超过10亿吨食物废弃物（Yang等人，2022年）。厌氧消化（AD）是中国国家发展和改革委员会批准的80%城市食物废弃物处理项目的核心技术，已被证明是一种环保的甲烷生产方法（Liu等人，2022年；Zheng等人，2025年；Zhou等人，2021年）。然而，厌氧消化不可避免地会产生大量消化残渣（沼气浆液和固体残渣），占输入基质的90-95%。许多国家严格的环保法规限制了这些残渣在农业中的再利用（Shi等人，2020年；Wang等人，2020年），因此减少其体积和提高其质量变得至关重要。

目前现场处理的残渣主要采用堆肥或生物干燥方法（Lu和Xu，2021年；Manu等人，2021年；Zhao等人，2023b）。堆肥产生的最终产品无病原体且富含养分，可用于农业，从而减少无机肥料的需求（Guo等人，2025a；Singh等人，2025年）。生物干燥则利用微生物降解产生的热量快速去除水分，通常在10-15天内实现40-60%的减量，明显快于堆肥（30-90天）（Kennes-Veiga等人，2021年；Tirkey等人，2022年）。这种高效性大大降低了运输和处置成本，对城市废弃物管理具有关键优势。此外，生物干燥产物具有较高的热值，适合作为固体回收燃料（SRF/RDF），而堆肥主要产生土壤改良剂。在最佳条件下，生物干燥还能减少氮损失，并生成较少的气味化合物，特别适合将高水分食物废弃物转化为能源和养分资源。

食物废弃物的生物干燥效果受多种参数复杂相互作用的影响，尤其是通气策略（方式和速率）和生物炭的添加。这些因素显著影响水分去除、有机质降解、微生物活性和产品质量。通气控制氧气供应和对流干燥过程；通气不足会导致厌氧环境，而通气速率过高则可能使物料温度下降。生物炭的性质（原料、热解温度、粒径）影响其孔隙度（从而增强氧气扩散和蒸汽去除）、pH值缓冲能力、水分保持能力、渗滤液抑制作用、异味吸附以及微生物支持作用（Guo等人，2025b；Loebsack等人，2025年）。鉴于这些复杂的相互作用，传统的单因素实验方法效率较低。正交实验设计（OED）更为合适，因为它能以最少的试验次数统计出最佳参数组合（Dong和Chen，2019年；Yang等人，2023年）。因此，OED可以有效确定最佳的通气方式、通气速率和生物炭类型，以实现最大程度的水分去除、产品质量和环境效益。

生物干燥将高水分食物废弃物转化为稳定的颗粒，可用于能源回收和肥料生产。这些颗粒的热值通常在12-20 MJ/kg之间，可用作水泥窑或发电厂的固体回收燃料（SRF/RDF），替代化石燃料。同时，其中保留的养分（有机物、氮、磷、钾）使其适合作为肥料或土壤改良剂。然而，实际应用取决于经济可行性，这受到市场动态的影响：RDF的价值受质量规格（如热值、氯含量）、能源价格和政策支持的影响；肥料的价值则取决于养分含量、稳定性、污染物水平和市场需求以及法规（如欧盟的FPR）。因此，进行生命周期成本分析以证明成本节约和收益可行性至关重要。

为解决食物废弃物消化残渣（FWD）生物干燥优化策略的关键问题，本研究采用了系统的正交实验设计（OED）。研究了三个关键因素（通气策略和生物炭添加）的深远影响，并在三个不同水平上进行了测试。除了传统的工艺优化外，本研究还结合了生命周期成本（LCC）分析、温室气体（GHG）排放评估和多路径经济效益评估，全面评估了生产固体回收燃料（RDF）和有机肥料的可行性。其创新之处在于同时优化了生物炭添加和通气策略，以提升能源回收和土壤改良效果，为高水分城市有机废弃物的循环资源化提供了数据驱动的框架。

部分内容摘录

堆肥材料

食物废弃物消化残渣来自一个在35±1°C下运行24天的中温厌氧消化系统。空气干燥后的玉米秸秆（来自中国农田）被切成1-3厘米长的段。三种生物炭（分别由稻壳、荔枝木和泥炭制成）从河南省兴源有限公司采购，用于提高好氧生物转化性能。稻壳生物炭作为一种低成本的农业副产品，具有优异的性能...

温度

所有处理过程的温度曲线均符合好氧反应的特征（图1A）。第一天内温度上升至54.1–72.0°C，表明残渣中的生物活性强烈，这与Qi等人的研究结果一致（Qi等人，2022年）。随着通气速率的提高和通气间隔的缩短，嗜热阶段的持续时间缩短，因为较低的通气速率减少了热量损失并维持了微生物活性（Meng等人，2023年）。

结论

通过正交实验优化了食物废弃物消化残渣的好氧生物干燥过程，结果表明，连续通气（0.24 L/(kg DM·min)结合木炭生物炭处理方式可最大程度去除水分（19.3%），同时产物热值较低（8.5 MJ/kg）。该优化工艺生产的产物符合CEN/TC 343标准，并减少了19%的温室气体（GHG）排放。此外，该产物还具有优异的农艺性能：其有机酸含量...

CRediT作者贡献声明

侯向东：撰写初稿、软件开发、资源准备、方法设计、数据整理。黄高远：数据验证、方法设计、数据分析。张一然：方法设计、数据分析。吴炳炎：数据分析。张圆圆：数据整理。李洋洋：撰写、审稿与编辑、项目管理、概念构思。

未引用的参考文献

Zhang等人，2022年

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了陕西省“耕地质量大数据应用技术研究项目”、中国热带农业科学院国家热带农业科学中心科技创新团队（项目编号：CATASCXTD202412）以及2025年现代农业产业技术体系（项目编号：CARS-53）和农业绿色低碳重点实验室科研能力提升项目的财政支持。