邱玉强|崔勇|凌启帆|法特玛·马拉基|胡亚敏|何思荣|袁川|王双
中国江苏省农业动物职业学院智能制造学院，225300
**摘要**
畜禽粪便的不当处理导致了严重的环境污染和资源浪费，因此需要高效且环保的处理技术。水热碳化作为一种新型的湿法热化学转化方法，近年来受到了广泛关注，因为它能够直接处理高水分粪便而无需耗能的干燥预处理。本文系统总结了水热碳化在畜禽粪便资源回收中的应用进展，重点探讨了反应机制以及温度、固液比、停留时间和添加剂等关键操作参数对所得水炭的产率和物理化学性质的影响。此外，还讨论了微波辅助水热碳化和共水热碳化等改进策略，这些策略在提高水炭质量方面具有协同效应。所制备的水炭具有多种高价值应用前景：可作为与褐煤相当的清洁固体燃料、用于提高土壤肥力的改良剂和碳封存材料、重金属的钝化剂、环境污染物的吸附剂以及功能性材料的前体。值得注意的是，在适当的操作条件下，水热碳化过程可以同时促进抗生素的降解、病原体的失活和重金属的固定，从而有助于粪便的解毒和稳定化。本文旨在为粪便衍生水炭的定向设计和多元化利用提供理论基础，促进农业废弃物向高价值循环资源的转化，并推动可持续低碳农业的发展。
**引言**
随着现代农业的快速发展，农业废弃物的产生量不断增加，成为亟需解决的问题[1][2]。畜禽粪便（LM）是畜牧业产生的典型农业固体废弃物[3]。在传统的小规模、分散化养殖系统中，粪便可以直接被环境吸收，无需特殊处理或处置[4]。然而，为了满足人类对肉类产品日益增长的需求，全球集约化畜牧业规模不断扩大[5]，导致年粪便产量超过130亿吨，远远超过了土壤的吸收能力，使得粪便的及时利用变得复杂[6]。畜禽粪便具有高水分含量（50%-80%）和复杂的成分（包括有机物、营养物质、抗生素和病原微生物），这些因素对其管理带来了重大挑战[7][8]。不当处理不仅会导致水体富营养化、土壤污染和温室气体排放增加，还可能通过食物链对人类健康构成风险[9][10]。因此，实现畜禽粪便的安全、高价值和资源高效利用对于推进可持续集约化畜牧业至关重要。
传统的畜禽粪便管理方法主要包括堆肥、厌氧消化、热解和焚烧，但这些方法都存在显著局限性[11][12]。堆肥耗时较长（通常需要6-12个月），需要大量土地，对季节和气候条件敏感，并且无法有效去除抗生素和重金属等污染物[13][14][15]。虽然厌氧消化可以产生沼气，但对于高水分粪便的处理效率较低，且产生的消化物难以管理，容易导致二次污染[16]。焚烧和热解过程由于粪便的高水分含量而消耗大量能源（通常需要额外30%-50%的能源用于预干燥），并且通常无法有效固定重金属；此外，这些热处理过程可能产生二噁英等有毒副产物[17]。总体而言，这些传统方法的资源回收效率较低，且存在较高的二次环境污染风险，无法满足现代循环农业的要求。
近年来，通过热化学方法处理固体废弃物的技术路线因其在减少污染、解毒和资源回收方面的显著优势而受到广泛关注[18][19]。水热处理是一种先进的热化学转化技术，利用高温高压下水独特的物理化学性质（如密度、介电常数和离子产物的显著变化），同时作为溶剂和反应介质，高效地将生物质和其他有机材料转化为液体、固体和气体产品[20][21][22]。与热解和气化等传统热转化方法不同，水热处理无需对原料进行耗能的干燥预处理，这一优势使其特别适合处理高水分生物质。此外，水在水热环境中的改性性质使其具有出色的水解、解聚和溶解能力，无需大量外部催化剂即可分解复杂有机分子。在这些条件下，水中的离子产物显著增加，可以自发促进催化反应，从而高效转化为所需产品，同时降低能源成本[23]。根据操作温度、压力和目标产品的要求，水热处理可分为多种类型（图1），包括水热碳化（HTC）、水热液化（HTL）、水热气化和超临界液化[24][25][26]。
在水热处理畜禽粪便领域，由于其内在特性（如无需耗能干燥即可处理高水分原料、使用水作为溶剂和反应介质、以及在亚/超临界条件下促进水解和解聚），水热技术表现出显著优势，其中HTC和HTL是最广泛应用和有效的方法。HTL利用高温高压水环境直接将粪便中的有机物转化为液态生物原油；富含脂质的原料产生的生物原油热值较高，而富含蛋白质和碳水化合物的原料产生的生物原油热值较低[27]。所得生物原油的热值通常在20 MJ/kg至40 MJ/kg之间，可部分替代燃料并促进粪便中的能量回收。研究表明，HTL可从畜禽粪便中回收20%-40%的生物原油[28]；添加催化剂可进一步提高产量和油质，例如吴等人报告称KOH可将猪粪便的生物原油产量提高到43.37%，而CaO可将生物原油的热值提高到44.38 MJ/kg[29]，为大规模高效粪便管理提供了可行途径。与HTL需要极端温度和压力条件不同，HTC在相对温和的亚临界水条件下进行。在此过程中，粪便中的有机成分依次经历水解、脱水和脱羧反应，最终生成碳含量高且稳定性好的水炭[30]。研究表明，通过HTC制备的水炭含有40%-70%的碳，具有发达的多孔结构和丰富的表面官能团[31]，这不仅有助于碳封存，还支持多种高价值应用，如土壤改良[31]、环境污染物的吸附剂[32]和固体生物燃料[33]，从而促进粪便资源的回收。
水热技术无需耗能干燥即可处理原料，非常适合高水分的畜禽粪便，避免了传统处理方法常见的高能耗和二次污染问题。此外，这些技术可以将废弃物定向转化为高价值的水炭或生物原油，有效实现废物减少、解毒和资源回收的目标。与以往主要关注水炭生产或单一应用的综述不同，本文系统地整合了针对高价值水炭的畜禽粪便水热碳化研究。本文的独特贡献有三个方面：首先，全面总结了温度、固液比、停留时间和添加剂等关键参数对水炭性质和产率的影响，特别考虑了粪便的特定特性；其次，强调了微波辅助HTC和与木质纤维素生物质或塑料共HTC等改进策略，展示了提高水炭质量的协同效应；第三，详细阐述了畜禽粪便衍生水炭作为固体燃料、土壤改良剂、吸附剂、催化剂载体和储能前体的多功能应用，并探讨了HTC过程中抗生素、病原体和重金属的同时解毒作用。这些特点使本文区别于以往的研究，为定向设计水炭和可持续农业废弃物管理提供了理论基础。
**部分内容**
畜禽粪便主要由脂质、蛋白质、木质素、纤维素和半纤维素组成，不同动物物种的成分含量存在显著差异（表1）：纤维素0.9%-42.5%；半纤维素0.04%-34%；木质素2.07%-59.48%；脂质0.8%-20.3%；蛋白质4.96%-26.4%。杂食性动物（如猪和家禽）的粪便通常含有较高的脂质和蛋白质含量。
**HTC的影响因素**
在水热碳化过程中，反应路径和产物特性受多种参数显著影响，包括反应温度、停留时间、催化剂类型、溶剂组成和固液比（质量比）。
**微波辅助HTC技术**
微波辅助加热与传统传导和对流加热在传热机制上存在根本区别[111]。传统加热依靠外部热源通过传导和对流逐层传递热量，而微波加热利用电磁波直接穿透原料，实现体积内部加热[112][113]。这种方法具有高传热效率、快速等优点。
**水炭的应用**
水炭是水热碳化的主要固体产物。经过HTC处理后，粪便的元素组成、热值、表面官能团和孔结构发生显著变化，使其具有多种应用潜力，如作为固体生物燃料、环境修复吸附剂、农业改良剂和先进功能性材料的前体（图）。
**挑战与未来研究方向**
尽管畜禽粪便的水热碳化在资源回收方面表现出显著优势，但从实验室规模研究向大规模工业应用的转化仍面临技术、经济和应用层面的诸多挑战。技术上，粪便的复杂成分和高灰分含量常常导致HTC过程中的污染和结渣问题；此外，针对不同类型粪便的标准化工艺参数也尚未建立。
**结论**
畜禽粪便的大规模积累已成为严重的环境问题。传统处理技术由于高能耗、二次污染和低资源回收效率而无法满足绿色农业发展的迫切需求。在这种情况下，水热碳化作为一种安全且高价值的处理方法应运而生，其核心优势在于无需耗能干燥。
**伦理审批和参与同意**
不适用。
**作者贡献声明**
何思荣：资源、方法论；袁川：撰写-初稿、资金获取；王双：撰写-审稿与编辑、实验研究；邱玉强：撰写-初稿；崔勇：资源；凌启帆：数据管理；法特玛·马拉基：撰写-审稿与编辑；胡亚敏：资源、资金获取。
**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
**致谢**
作者感谢江苏省农业动物职业学院（NSF2026ZR06）、江苏省科学技术青年人才支持项目（TJ-2023-059）、泰州市青年科技人才支持计划和江苏省青兰项目的支持。
**出版同意**
不适用。
