1.4 环境能源的开发与利用技术
环境能源，是将造成环境污染的有机废弃物视作能源的载体，针对各种有机废弃物的特性，分别采用不同的方法，以最经济的手段将其转化为可利用的能源，在保护环境的同时，实现资源的再利用。
目前，用于环境能源开发的技术主要有三种：热化学转化技术、物理转化技术和生物转化技术。表1-4所示为各种环境能源的开发利用方法。
表1-4 环境能源的开发利用方法
1.4.1 热化学转化技术
热化学转化包括热化学氧化、热化学液化、热化学气化和热化学炭化等方法。
1.4.1.1 热化学氧化
热化学氧化是将有机废弃物在一定条件下与氧气或空气中的氧气发生氧化反应放出热量，从而实现有机废弃物的能源化利用。根据操作条件，热化学氧化包括常压氧化和水热氧化。
（1）常压氧化
常压氧化是指在常压条件下使有机废弃物与氧或空气中的氧气发生剧烈的氧化反应，从而放出热量，实现有机废弃物的能源化利用。根据有机废弃物的热值高低与是否能自持燃烧，常压氧化一般分为燃烧和焚烧两种操作。
1）燃烧
燃烧技术是传统的能源转化形式，是人类对能源的最早利用。对于含热值较高、能实现自持燃烧的固态有机废弃物，如农林废弃物、畜禽粪便、废塑料、废橡胶等，可通过燃烧这种特殊的化学反应形式，将储存在其内的化学能转换为热能，广泛应用于炊事、取暖、发电及工业生产等领域。
2）焚烧
对于某些热值较低、无法自持燃烧的有机废弃物，可采用焚烧的方法，通过外加辅助燃料或改变燃料粒径等方法，使其与氧或空气中的氧进行剧烈的化学反应，将化学能转化为热能，进而实现有机废弃物的能源化利用。焚烧既适用于固体有机废弃物，也适用于有机废液，因而具有广阔的应用前景。
（2）水热氧化
水热氧化技术是在高温高压下，以空气或其他氧化剂将废水中的有机物（或还原性无机物）在液相条件下发生氧化分解反应或氧化还原反应，放出热量，进而实现有机废弃物的能源化利用。
根据反应所处的工艺条件，水热氧化可分为湿式（空气）氧化和超临界水氧化。
1）湿式空气氧化
湿式空气氧化（wet air oxidation，WAO）是以空气为氧化剂，将有机废弃物中的溶解性物质（包括无机物和有机物）通过氧化反应而放出热量，从而实现废弃物的能源化利用。由于湿式氧化的媒介是水，因此湿式氧化一般只适用于处理有机废液和通过加水调和后可以流动和连续输送的有机废弃物。
2）超临界水氧化
超临界水氧化（supercritical water oxidation，SCWO）是在水的超临界状态下，通过氧化剂（氧气、臭氧等）将有机废弃物中的有机组分迅速氧化分解为CO2、H2O和无机盐，并放出热量，从而实现有机废弃物的能源化利用。
与湿式氧化相同，超临界水氧化技术一般也只适用于处理有机废液和通过加水调和后可以流动和连续输送的有机废弃物。
1.4.1.2 热化学液化
热化学液化是将有机废弃物在一定的温度条件下经过一系列化学加工过程，使其转化成液体燃料（主要是生物油）的清洁利用技术。
根据热化学液化的工艺条件，可分为热解液化和水热液化。
（1）热解液化
有机废弃物热解液化的本质是热解，在无氧或缺氧条件下将有机废弃物加热干馏，使有机物发生各种复杂的变化：低分子化的分解反应和分解产物高分子化的聚合反应等；大部分有机物通过分解、缩合、脱氢、环化等一系列反应转化为低分子油状物。
（2）水热液化
水热液化是以水作为溶剂，把固体状态的有机废弃物经过一系列化学加工过程，使其转化成液体燃料（主要是生物油）的清洁利用技术。
1.4.1.3 热化学气化
热化学气化是指在加热和缺氧条件下，将有机废弃物中的大分子分解转化为小分子的可燃气，从而实现有机废弃物的能源化利用。气化处理利用技术既解决了有机废弃物直接排放带来的环境问题，又充分利用了其能源价值。气化过程中有害气体SO2、NOx产生量较低，且气化产生的气体不需要大量的后续清洁设备。随着环境能源技术的不断发展，有机废弃物气化技术因独特的优点得到越来越多的关注和探索。
根据热化学气化的工艺条件，可分为热解气化、气化剂气化（通常简称为气化）和水热气化。
（1）热解气化
在无氧或缺氧条件下将有机废弃物加热，使有机物产生热裂解，经冷凝后产生利用价值较高的燃气、燃油及固体半焦，但以气体产物产率为目标。
（2）气化剂气化
气化剂气化是在高温下将有机废弃物与含氧气体（如空气、富氧气体或纯氧）、水蒸气或氢气等气化剂反应，使其中的有机部分转化为可燃气（主要为一氧化碳、氢气和甲烷等）的热化学反应。气化可将有机废弃物转换为高品质的气态燃料，直接应用作为锅炉燃料或发电，产生所需的热量或电力，且能量转换效率比焚烧有较大的提高，或作为合成气进一步参与化学反应得到甲醇、二甲醚等液态燃料或化工产品。
（3）水热气化
水热气化是以水作为溶剂，把固体状态的有机废弃物经过一系列化学加工过程，使其转化成气体燃料（主要成分是氢气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、含C2～C4的烷烃）的清洁利用技术。
1.4.1.4 热化学炭化
热化学炭化是将有机废弃物在一定的温度条件下加热升温，引起分子分解而产生焦炭、可冷凝液体和气体产物，但以固体产物产率为目标。
根据热化学炭化的工艺条件，可分为热解炭化和水热炭化。
（1）热解炭化
在无氧或缺氧条件下将有机废弃物加热至500℃以上，对其加热干馏，使有机物产生热裂解，经冷凝后产生利用价值较高的燃气、燃油及固体半焦，但以固体产物产率为目标。
（2）水热炭化
水热炭化是以水作为反应介质，在一定条件下使有机废弃物经过一系列复杂的化学反应转化为生物炭的过程。
1.4.2 物理转化技术
物理转化技术是根据有机废弃物的组成特性，通过向其中添加一系列其他物质而制成合成燃料。根据合成燃料状态的不同，有机废弃物物理转化制合成燃料技术可分为合成固体燃料技术和合成浆状燃料技术两大类。
（1）合成固体燃料技术
也称固体衍生燃料技术。一般来讲，有机废弃物的发热量低，挥发分比较少，灰分含量比较高，较难着火，难以满足直接在锅炉中燃烧的条件，因此，合成燃料除向其中加入降低含水率的固化剂外，还需要掺入引燃剂、除臭剂、缓释剂、催化剂、疏松剂、固硫剂等添加剂，以提高其疏松程度，改善合成燃料的燃烧性能，使合成燃料满足普通固态燃料在低位热值、固化效率、燃烧速率以及燃烧臭气释放等方面的评价指标。
（2）合成浆状燃料技术
合成浆状燃料技术是以有机废弃物为原料，通过向其中加入煤粉、燃料油及脱硫剂，经过混合研磨加工制成的具有一定流动性，可以通过管道用泵输送，能像液体燃料那样雾化燃烧的浆状燃料的技术。
1.4.3 生物转化技术
生物转化技术是依靠微生物或酶的作用，对有机废弃物进行生物转化，实现能源化利用。
根据制备产品的特性，有机废弃物生物转化技术可分为生物液化技术和生物气化技术。
（1）生物液化技术
有机废弃物生物液化技术是以淀粉质（玉米、小麦等）、糖蜜（甘蔗、甜菜、甜高粱秆和汁液等）或纤维质（木屑、农作物秸秆等）有机废弃物为原料，在生物酶的作用下，经发酵、蒸馏制成液体燃料（如乙醇、丁醇等），或用动植物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯，然后再制取生物柴油。
采用稻谷壳、薯类、甘蔗和糖蜜等生物质发酵生产乙醇，其燃烧所排放的CO2和作为原料的生物质生长所消耗的CO2在数量上基本持平，这对减少大气污染和抑制温室效应意义重大。
（2）生物气化技术
有机废弃物生物气化技术是以有机废弃物为原料，在微生物的作用下，通过厌氧消化而制得气态燃料，主要针对农业生产和加工过程产生的有机废弃物，如农作物秸秆、畜禽粪便、生活污水、工业有机废水和其他农业废弃物等。最典型的有机废弃物生物气化技术是厌氧消化制沼气和厌氧消化制氢。
1）有机废弃物厌氧消化制沼气
有机废弃物厌氧消化制沼气是指富含碳水化合物、蛋白质和脂肪的有机废弃物在厌氧条件下，依靠厌氧微生物的协同作用转化成甲烷、二氧化碳、氢及其他产物的过程。整个转化过程可分成三个步骤：首先将不可溶的有机废弃物转化为可溶化合物，然后将可溶化合物转化成短链酸与乙醇，最后经各种厌氧菌作用转化成气体（沼气），一般最后的产物含有50%～80%的甲烷，最典型的产物含65%的甲烷与35%的CO2，热值可高达20MJ/m3，是一种优良的气体燃料。
2）有机废弃物生物制氢
有机废弃物生物制氢是以有机废弃物为原料，产氢微生物通过光能或发酵途径生产氢气的过程。利用有机废弃物制氢，对于缓解日益紧张的能源供需矛盾和环境污染问题具有特殊的意义，是极具吸引力和发展前景的途径之一。