Rene. Sust. Energ. Rev.综述: 皮革固体废弃物厌氧消化产能的研究进展

背景介绍

皮革工业产生的固体废物是全球发展中国家实现皮革行业可持续性的一项主要环境挑战，对这种有害皮革固体废物(LSWs)的管理不善对社会经济产生重大负面影响，并影响公共健康，因此，管理这类废物对于保护环境和改善社会经济条件至关重要。在这方面，将LSWs通过厌氧消化实现可持续的能源生产，如沼气或生物燃料等，这既有利可图生产能源，又对环境友好。

为促进废物产生可持续的可再生能源，达卡大学Mohammed Mizanur Rahman教授团队探索了皮革工业中产生的固体废物，讨论了皮革固体废物造成的健康风险，阐述了孟加拉国固体废物管理的现行政策，综述现有的关于LSWs能源生产的文献，并对LSWs生产能源提供一系列未来的研究展望。该综述将帮助研究人员、学者和利益相关者努力采取有效和可持续的行动和政策。

图文解读

1. 皮革固体废物及其对环境的影响

目前的固体废物管理做法，如填埋，是不环保的，它也被认为是繁重和昂贵的。在目前的皮革、皮鞋和皮革产品生产实践中产生了大量的废物，如LSWs和废成品皮革，不考虑再使用或回收。在皮革行业中，进行了一系列的物理、生物、化学和机械操作，将可腐化的生兽皮转化为不可腐化的皮革，在生皮加工的每一步中，都产生大量的固体废物，这是环境的负担。皮革工业中产生的固体废物对人类健康和环境有重大影响，由于铬、卤化有机化合物和芳香烃的排放，皮革固体废物的热焚烧造成了严重的空气污染（图1）。

图1. LSWs的原因、影响和补救措施的示意图。

2. 皮革固体废物管理的现状和发展趋势

孟加拉国目前的管理趋势是通过填埋或焚烧过程进行处理，垃圾填埋和焚烧方法都对自然和人类健康有害，由于铬(III)从鞣革固体废物中浸入地下水，对LSWs的处理不够环保且环境不友好。图2描述了皮革固体废物的回收方案。一般来说，LSWs是碎片化的，产生小颗粒作为填充物加入到其他材料中，该过程允许将皮革剃须粉加入到橡胶化合物中，以提高强度特性。利用有机废物堆肥进行LSWs生物降解是一种环保的替代方法，然而LSWs中较高的铬浓度可能会阻碍微生物降解，且AD工艺存在一些缺点，即要求功率成本高，AD后产生污泥脱水能力，对AD的温度变化和原料非常敏感，在中温温度下有致病微生物破坏的风险。收集含铬的LSWs是减少环境污染的一个关键问题，然而在文献中也报道了用化学方法回收未鞣制的LSWs，例如，碱水解被用于处理未鞣制的皮革装饰废料，以生产明胶，广泛应用于印刷、化妆品和皮革整理；通过化学处理回收的胶原蛋白可用于家禽或鱼饲料，作为再鞣剂和化肥生产；鞣皮作为丰富的蛋白质来源，可用于生产饲料添加剂、沼气或胶水制造；作为碳氮源，可用于蛋白酶清除生皮或生皮；鞣皮作为脂质来源用于生物柴油生产。同时，热解、焚烧和气化等热处理是另一种可用的选择，通过减少高达90%的废物从生活废物中产生能源，LSWs在惰性环境中高温下热解，产生气体、石油和碳质废物。

图2. 皮革固体废物的各种回收解决方案。

3. 由LSWs产生的沼气

沼气似乎是最理想的生物燃料，因为它能够通过提供生物能源和生物材料，为向绿色、循环和生物基础经济的转变做出贡献。沼气可以用来发电，减少对外部能源的需求，从而有助于减少对化石燃料的依赖；可能有助于减少温室气体排放，这是全球变暖的主要原因。沼气越来越受研究者的欢迎，因为沼气是一种有趣的可再生能源，而由于碳排放，对可再生能源的需求正在增加。目前已经在实验室、试点和大规模研究上进行了许多科学研究，以评估各种类型的LSWs作为可再生能源生产沼气的有效性，图3展示了制革厂利用AD机制产生沼气的途径。温度、水力保持时间、有机负荷率、碳氮比、水分和热含量等因素都是影响AD性能的因素。该综述表明LSWs的AD是一种能够产生高甲烷浓度的沼气的可再生能源，大多数的研究主要集中在各种类型的反应器上，同时考虑到各种特性。当这些废物与有机废物结合时，各种类型的低有机废物的AD在甲烷产量方面表现更好；两级生物反应器中的AD在沼气和甲烷产量方面优于间歇反应器；大多数研究采用制革厂的肉质、来自污水处理厂的一级和二级污泥以及污水污泥作为进行沼气生产的原料；分析结果表明AD的温度范围为25~55℃，而大多数研究认为LSWs在AD中的最佳温度为35℃。

图3. 制革厂肉质废弃物转化为沼气的AD机理途径。

4. 用LSWs生产生物柴油

从生物柴油越来越被认为是石油和其他化石燃料的一种具有成本效益和环境友好型的替代品，特别是考虑到价格上涨和对化石燃料对全球变暖的负面贡献的日益关注。从制革工业的固体废物中合成生物柴油，主要采用生物和化学两种方法。酶的活性可以用来进行生物合成，一种酸性或碱性的催化剂用于化学处理，将LSWs转化为生物柴油。其他技术包括超临界温度转换和非催化转换。然而，化学转化在大规模生产中被广泛应用，但也存在一些净化工艺复杂、排放高、成本高、酒精和能源需求等缺点。为了避免化学工艺技术的缺点，基于酶的生物柴油生产方法是最可接受的。与酸或碱酯交换技术相比，酶催化酯交换工艺的好处是：i)在室温下发生酯交换反应，能量强度较低，ii)对游离脂肪酸(FFA)不敏感，iii)容易回收催化剂和甘油。因此，研究人员正在调查各种制革工业中的固体废物作为生物柴油生产的原料的性能。

制革中含有大量的游离脂肪酸、蛋白质等杂质，用甲醇或其他碱预处理LSWs有助于将酸性原料中的游离脂肪酸含量降低到0.5%w/w的限值下。这种预处理使碱催化剂更适合用于酯交换反应，脂肪与催化剂的摩尔比是影响生物柴油生产效率的重要因素之一。由LSWs生产生物燃料的其他重要因素是停留时间、酒精到油的摩尔比、温度、催化剂类型。表1提供了当前研究的有序概述，包括从各种类型的LSWs中生产生物柴油的生物和化学方法的性能。从LSWs中生产生物柴油可能是以环保的方式管理大量制革厂固体废物的一个很好的选择，利益攸关方可以发现LSWs作为生物柴油生产的巨大潜在原料来源，以实现可持续的固体废物管理和环境合规。

表1. 研究中LSWs对生产生物柴油的贡献。

总结与展望

许多研究人员正试图开发创新的方法来管理废物，以避免有害使用和减少环境污染。大多数关于污水处理厂管理的研究都使用制革厂的肉质、从污水处理厂获得的初级和二级污泥作为沼气生产的原料。当LSWs与有机废物混合时，各种类型的LSWs的AD在甲烷产量方面表现较好。现有研究发现，考虑到沼气和甲烷产量，两级生物反应器中的AD优于分批反应器。大多数研究对LSWs的AD进行的温度为35℃。在现有的研究中，缺乏对优化沼气生产的各种参数的研究。考虑到生物燃料或生产生物柴油，大多数研究使用制革厂肉质作为酯交换过程生产生物柴油的原料。工艺主要基于均相碱，主要使用碱性催化剂，如氢氧化钾或氢氧化钠。在大多数研究中，酯交换反应的温度保持在65℃。研究证实油脂的酯交换反应符合ASTM标准。此外，基于纳米催化剂的酯交换过程在效率方面取得了更好的效果，但酶的酯交换过程尚未完成，这可能是另一个实现绿色方法的机会，各种LSWs的混合物尚未用于生物柴油的生产，这可能是未来研究的另一个机会。

该综述揭示了对LSWs进行深入调查的迫切需要，以开发孟加拉国皮革工业的环保解决方案。目前还没有关于孟加拉国的LSWs在能源生产中的应用的研究。因此可以考虑AD在两级生物反应器中有效生产沼气，从污水生产沼气，有助于大量废物的环境友好管理。现有的研究认为未鞣制的大批反应器忽略了含铬的废物。因此，在未来研究人员可能会使用含铬的大量批量反应堆来调查数字化过程中铬的存在。此外，研究还可能扩大到利用酶促酯交换法从LSWs中生产生物燃料，这引起了广泛的兴趣。研究人员可能会关注从LSWs生产生物柴油，这将有助于利益相关者管理LSWs和遵守LWG认证。此外，科学界必须集中精力发展前沿技术或技术，以更好地利用高效可再生能源生产和有效地商业化。对沼气、生物柴油、生物炭和生物肥料生产的环保方法可能是绿化孟加拉国皮革部门的固体废物管理的一个新方面。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112378 

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