贝尔热的研究目标是可持续的转换

的环境保护署2018年的报告显示，美国每天产生2.924亿吨城市固体垃圾，这一数字无疑还在增长。在过去的三年里土木与环境工程副教授妮可•贝致力于通过更可持续和经济上可行的方法将食物垃圾转化为增值产品的研究。

贝尔热为期四年，由国家科学基金会赞助的研究正在研究湿废物的可持续转化。她是土木与环境工程副教授约瑟夫植物教授,拉梅什高尔来自犹他大学，加州州立大学弗雷斯诺分校的刘陆波教授以及中国的合作伙伴。

食品、能源和水系统正在适应人口增长、土地使用变化和环境污染带来的压力，这令人担忧。预计到2050年，对这些系统的需求将增加80%。贝尔热的研究正在研究从食物垃圾中回收资源，并解决废物管理过程从目前的获取、制造、消费和处置模式向循环经济模式的潜在转变，在这种模式下，废物减少，资源得到有效提取和再利用。

发现这些不同的方法，并意识到这可能是一种从垃圾填埋场转移废物的方法，并创造出可能有市场价值的东西，这很有趣。

- Nicole Berge副教授

Berge认为，湿性有机废物被低估了，它们是一种重要的资源来源，包括营养物质、能源和水。Berge的团队正致力于利用水热炭化(HTC)工艺提取和再利用资源，以创造增值产品，这是一种更可持续、更经济可行的废物转化方法。使用这种方法，湿废物在低温下转化为增值产品，而不需要产品干燥。食物垃圾是HTC工艺的理想选择，因为它含有高碳、高能量，而且非常湿。

“2009年我刚来HTC不久，就一直在为它工作。我们已经了解了很多关于这个过程的知识，但当我们开始思考如何最有效地使用它时，我们没有答案，觉得还有更多的工作需要做。目前的研究就是从这种兴趣发展而来的，”Berge说。

要使HTC过程发挥作用，目前的废物管理实践需要进行重大转变，因为目前美国只有不到3%的食品垃圾是从垃圾填埋场转移过来的。但是，如果碳化，由食品和农业废物产生的产品有可能通过抵消对自然资源、外部产生的能源和灌溉用水的需求，对食品、能源和水系统产生积极影响。Berge的团队通过添加不同的湿废物并将其转化为氢焦来利用HTC过程，氢焦是一种以富含碳和能量而闻名的碳基材料。

“如果你用某种成分将食物垃圾碳化，没有很多好的预测工具可以确定产品的样子。我们正在努力开发这样一种工具，然后了解所产生的产品的价值，看看从环境的角度来看，在特定的应用中使用它们是否有意义，”Berge说。

安德烈斯·萨里恩是2021年7月至11月的访问博士生。贝尔热说，他在获得目前的结果和发现方面发挥了重要作用。

“安德烈斯学习了我们的碳化方法，并在这里花时间对食物垃圾的不同成分进行碳化，我们一直在继续他开始的工作。他做了大部分工作来展示我们迄今为止的进展，这在短短三个月内就令人印象深刻，”Berge说。

Sarrion的工作重点是食物垃圾的HTC处理过程，以及如果使用氢焦作为土壤改进剂，其初始成分对毒性的影响。这可以确定雨水是否会使土壤对微生物的毒性更大。

通过分离和表征从该工艺中获得的三种主要产品——氢焦、工艺水和气相，进行了单个食物垃圾成分的HTC工艺。根据美国消费最多的食物来选择食物垃圾的各个成分。通过研磨和混合产生不同的成分后，将这些成分粉碎，以标准化混合物，同时测量它们的水分。然后每种材料在不同的温度和时间进行碳化。

Sarrion说:“我们发现，在较高的HTC温度下碳化的肉类废物毒性更大，但相关毒性在几天后会下降，而且对土壤没有危险。”“蔬菜在低于250摄氏度的温度下碳化时具有很高的毒性，但在洗涤氢焦5天后，毒性下降了近70%。最后，在所有情况下，水果中都没有发现高毒性。”

贝尔热的团队也开始通过尝试评估HTC过程的环境可持续性来获得更好的理解。她打算开发一个模型，可以根据废物成分预测氢焦和工艺水的成分。

Berge说:“我们刚刚开始做生命周期评估工作，以建立一个描述过程的系统级模型，帮助我们更好地了解真正的环境影响。”“我们最终想要评估碳化过程中产生的产品如何使用对环境的影响。这个模型可以用作决策支持工具，我们可以决定如何最好地使用生成的产品。”

Berge很喜欢她目前的研究，因为人们对HTC工艺的了解越来越多，尤其是它在20世纪50年代被开发出来后被忽视了几十年。

贝尔热说:“在我们最初的工作之前，很少有人想到用这种技术来管理废物。”“发现这些不同的方法，并意识到这可能是一种从垃圾填埋场转移废物的方法，并创造出可能具有市场价值的东西，这很有趣。”