《The Journal of Supercritical Fluids》：Optimization of Hydrothermal Carbonization of Dairy Manure Digestate for Simultaneous Hydrochar and Nutrient Recovery
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约纳斯·泽斯拉塞·贝莱特（Yonas Zeslase Belete）|阿希什·库马尔·达斯（Ashish Kumar Das）|赵宗（Chao Zong）|陈丽德（Lide Chen）
美国爱达荷大学土壤与水系统系 – 特温福尔斯研究与推广中心，特温福尔斯，ID 83303
摘
约纳斯·泽斯拉塞·贝莱特（Yonas Zeslase Belete）|阿希什·库马尔·达斯（Ashish Kumar Das）|赵宗（Chao Zong）|陈丽德（Lide Chen）
美国爱达荷大学土壤与水系统系 – 特温福尔斯研究与推广中心，特温福尔斯，ID 83303
摘要
本研究采用基于面心中心复合设计（FCCD-RSM）的响应面方法，针对富含营养的乳品粪便消化物进行水热碳化（HTC）工艺的优化，旨在确定最佳工艺条件并开发预测模型，以实现水碳产率和养分回收的最大化。FCCD-RSM用于系统评估HTC反应温度（180–240°C）和反应时间（20–90分钟）对水碳产率、水碳中磷含量以及HTC液体中总氨氮（TAN）浓度的影响。结果表明，随着HTC温度和反应时间的增加，水碳中的磷含量和HTC液体中的TAN浓度增加，而水碳产率却降低。基于实验数据，建立了二次多项式模型。通过赋予三个响应相同的权重进行RSM分析，优化后的工艺参数为216.5°C和84.1分钟，此时水碳产率为79.03±2.61%，水碳中磷含量为1.76±0.04%，HTC液体中TAN浓度为891.67±16.67毫克/升。这些数值与预测值相近，且位于95%的置信区间内。因此，优化的HTC参数能够同时有效生产富含磷的水碳和富含TAN的液体，为奶牛场的循环废物管理和养分回收提供了新的思路。
引言
美国的奶牛场数量不断增加，每年产生大量乳品粪便[1]、[2]、[3]。厌氧消化（AD）被广泛应用于生产生物气体作为能源，并生成消化物[4]。消化物中含有磷（P）和氮（N）等养分，通常储存在粪便池中后施用于农田[5]。由于消化物含水量较高（通常超过90%），一些奶牛场采用了固液分离技术，并添加聚合物以浓缩固体中的养分[6]、[7]。这种富含养分的固体消化物（以下简称乳品粪便消化物）仍含有超过70%的水分，其中磷和氮可以被回收利用，作为农业肥料。将富含养分的乳品粪便消化物转化为具有更高价值的产品的可持续方法至关重要，这既能带来农业效益，又能保护环境。
水热碳化（HTC）是一种有前景且能源效率高的方法，可以在无需预先干燥的情况下处理湿废物生物质，并减少环境压力[8]。HTC在亚临界水中进行，能在180–250℃的温度和自生压力下分解废物生物质并灭活病原体，反应时间从几分钟到几小时不等[8]、[9]。该方法能够将乳品粪便消化物转化为无菌、可运输且可储存的富磷水碳（HC）和富氮HTC液体。HTC的反应机制包括水解、脱水、脱羧、芳香化和缩合聚合[9]。产生的水碳可用作土壤改良剂[10]、碳封存介质[11]、生物能源[12]、[13]，或作为制备吸附剂的活性炭前体[14]、[15]。其应用潜力取决于原料的物理化学性质和HTC的操作条件。已有研究主要探讨了乳品粪便及其消化物的HTC过程，侧重于产品特性分析或评估水碳作为能源的潜力。例如，崔（Cui）和沙阿（Shah）[16]研究了温度、时间和pH值对乳品粪便消化物HTC过程中水碳产率、能量特性及元素成分变化的影响，发现温度低于260℃时获得的水碳热值超过20 MJ/kg。此外，他们还指出约一半的养分元素保留在水碳中，表明其作为土壤改良剂的潜力。尽管这些研究使用了响应面方法，但主要集中在水碳的能量含量和元素组成上，尚未系统地优化水碳和液体相中的养分回收。马凯拉（M?kel?）等人[17]研究了木质纤维素生物质的HTC过程，探讨了工艺条件对水碳性质的影响及其统计显著性。研究结果显示，反应温度和时间显著影响水碳产率、灰分含量和碳含量，为理解工艺与性质之间的关系提供了重要线索。然而，分析仅限于水碳特性，未考虑包含HTC液体的多响应优化。还有研究通过共HTC过程改善水碳和HTC液体的性质，例如加杰拉（Gajera）等人[18]研究了烹饪废弃物与人粪便的共HTC处理，但未深入探讨液体副产物。此外，也有研究评估了厌氧消化物及衍生水碳和HTC液体的特性，主要关注产品特性和可行性[19]。总体而言，现有研究大多集中在水碳能量评估或工艺条件统计分析上，对综合资源回收和养分分配的关注不足。据作者所知，目前尚缺乏系统优化乳品粪便消化物HTC过程的框架，以实现水碳产率、水碳中磷含量及HTC液体中TAN浓度的最大化。
章节摘录
乳品粪便消化物的收集
乳品粪便消化物是从美国南爱达荷州的一家商业奶牛场收集的，该农场采用聚合物辅助的固液分离技术从厌氧消化废液中分离出固体部分。在收集过程中，向消化物中添加了商用聚合物絮凝剂以浓缩固体中的养分。收集的固体样品经过烘干处理，以确保后续HTC优化过程的原料一致性。
RSM模型开发与统计验证
采用面心中心复合设计（FCCD-RSM），以温度和反应时间为独立变量，优化乳品粪便消化物HTC过程中的水碳产率、水碳中磷含量及HTC液体中TAN浓度。如2.2节所述，FCCD用于构建实验矩阵，从而评估温度和反应时间的线性、二次方及其交互作用效应。实验设计矩阵及相应的响应值如下所示
结论
本研究利用FCCD–RSM优化了乳品粪便消化物的HTC过程，实现了水碳产率、水碳中磷含量及HTC液体中TAN浓度的最大化。研究表明，反应温度和时间是影响水碳生产和养分回收的关键工艺参数，尤其是磷和氮的分布。开发的预测模型表现出良好的预测能力。采用优化后的反应参数（216.5°C和84.1分钟），水碳产率
CRediT作者贡献声明
赵宗（Chao Zong）：撰写 – 审稿与编辑、方法论、数据管理。陈丽德（Lide Chen）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。阿希什·库马尔·达斯（Ashish Kumar Das）：撰写 – 审稿与编辑、方法论、数据管理。约纳斯·泽斯拉塞·贝莱特（Yonas Zeslase Belete）：原始草稿撰写、可视化处理、方法论设计、数据分析、概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了美国农业部国家食品与农业研究所（Hatch项目，项目编号IDA 01745，授权号7006606）以及美国农业部农业与食品研究计划（AFRI）可持续农业系统项目（授予编号2020-69012-31871）的财政支持。作者感谢珍妮·施里夫（Jean’ne Shreeve）教授和贾廷德尔·辛格（Jatinder Singh）博士在其实验室中对样本中的碳（C）、氢（H）和氮（N）数据进行分析。
