面对社会发展与垃圾分类后带来的厨余垃圾数量激增问题，如何快速、高效处理厨余垃圾成为资源回收利用、生态环境保护的一大难题。传统处理技术难以有效利用厨余含有的大量养分和水分资源，反应过程缓慢，并伴有严重的二次污染排放问题。水热炭化（Hydrothermal Carbonization, HTC）技术处理高湿废弃物具有反应时间短、清洁无污染、全量物质循环转化等独特优势，但其产物的资源化和价值化利用途径不清，制约了HTC技术的规模化生产和推广应用。

在推动食物-能源-水系统循环经济方面，厨余垃圾HTC产物在农业上的循环利用被认为具有巨大潜力。然而，由于缺乏面向生产应用尺度的研究，国内外对HTC规模化处理厨余垃圾的工艺流程、产物还田对作物生长和产量的影响、可能产生的生态环境效应以及经济可行性并不清楚。

在国家自然科学基金国际合作与交流项目（中-美）“INFES: US-China：高湿废弃物与全球循环经济：水热裂解促进食物-能源-水系统可持续循环”项目资助下，近期，资环学院徐国华教授团队在HTC技术处理厨余垃圾及其产物农用方向研究取得系列重要进展。

研究团队自主设计研发了“点试”尺度HTC技术处理厨余垃圾“生产线”, 通过大量产物制备和后处理试验、种子萌发、温室盆栽和田间试验，全面评价了固相产物（水热炭）和液相产物（炭液）的物理化学特征；优化了面向应用的HTC技术高效环保处理厨余垃圾的技术参数和工艺流程；深入研究了水热炭作为土壤改良剂与炭液作为液体肥料施用的作用机制、应用效果和经济可行性；利用生命周期与循环经济模型测算，证明了该技术路径具有显著的固碳减排潜力；探索了现有政策和市场背景下其规模化推广应用的经济可行性。

团队在化工、环境领域的传统顶刊《Chemical Engineering Journal》杂志（IF 13.3）上发表了题为“Recycling food waste to agriculture through hydrothermal carbonization sustains food-energy-water nexus”的研究论文。资环学院博士毕业生徐昊为该论文的第一作者，刘志鹏副教授和徐国华教授为通讯作者。资环学院凌宁教授和任丽轩副教授、美国南卡罗莱纳州立大学Nicole Berge 和Joseph Flora教授、犹他大学Ramesh Goel教授、加州州立大学弗雷斯诺分校刘绿波教授等参与了该项研究。

此外，围绕HTC处理厨余垃圾产品的物理和生物转化过程与特征、高附加值利用等问题，徐国华教授团队开展了系统研究，发现厨余垃圾源水热炭可以显著改良沙性土壤的物理结构从而影响水分的入渗过程，提高土壤水分的固持能力（徐昊等, 2023）; 在厨余垃圾源水热炭中添加秸秆与高效降解微生物可以加速由芽孢杆菌类细菌主导的陈化过程，从而消除潜在的负面效应（阮杨等，2023）；综述了水热炭化的反应机理与应用价值，为技术推广、转化提供了新的方向(刘志鹏等, 2022)。“一种水热炭化技术处理厨余垃圾的方法”（徐国华等，2022）获得了国家发明专利，“一种水热炭化厨余垃圾处理系统”（徐国华等，2022）获得了实用新型专利。

图1 水热炭化处理1吨厨余垃圾的流程示意图

图2水热炭化技术实现食物-能源-水资源循环示意图

论文链接：

Xu, H., Chen, T., Shan, Y., Chen, K., Ling, N., Ren, L., Qu, H., Berge, N., Flora, J., Goel, R., Liu, L., Liu, Z.*, Xu, G,**. (2024) Recycling food waste to agriculture through hydrothermal carbonization sustains food-energy-water nexus. Chemical engineering journal, 496, 153710.  https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153710.

Xu, H., Shan, Y., Ling, N., Ren, L., Qu, H., Liu, Z.*, Xu, G., (2023) Divergent effects of food waste derived hydrochar on hydraulic properties and infiltration in a sandy soil. Journal of Hydrology, 626, 130267.  https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130267.

Ruan Y., Wang, Z., Shan Y., Xu, H., Qu, H., Liu, Z.**, Xu, G., Shen, Q., Ling, N.*, (2024) Microbial community assembly during aging of food waste-derived hydrochar: key bacterial guilds mediate nutrient dynamics. Journal of Cleaner Production, 452, 142156.  https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.142156.

刘志鹏, 徐昊, 陈康, 单祎德, 凌宁, 任丽轩, 瞿红叶, 徐国华*. (2022) 高湿废弃物水热炭化处理技术及产物资源化利用研究进展, 南京农业大学学报, 45(5), 1001-1008. doi：10.7685/njau.202202007.

专利：

徐国华, 徐昊, 刘志鹏, 陈康, 凌宁, 任丽轩,《一种水热炭化技术处理厨余垃圾的方法》ZL 2021 1 0820268.X. （国家发明专利）。

徐国华, 徐昊, 刘志鹏, 陈康, 凌宁, 任丽轩,《一种水热炭化厨余垃圾处理系统》ZL 2021 2 1652227.6. （国家实用新型专利）。