《Biomass and Bioenergy》：Transition from composting to solid fuel production: A review on the sustainable management of livestock manure in Korea
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畜牧业粪便处理面临环境挑战，韩国政府推动堆肥转向固体燃料生产。研究显示堆肥导致温室气体和氨排放及水体污染，固体燃料技术（如COMBDry）及协同燃烧验证可行性，但灰分杂质问题待解，需政策技术协同推进碳中和目标。
Jiho Yoo
韩国能源研究院（KIER）清洁空气研究实验室，大田，大韩民国
摘要
在韩国，每年产生的畜禽粪便（LM）量约为5000万吨，其中超过70%通过堆肥处理后施用于农田。然而，堆肥过程引发了严重的环境问题，包括温室气体（N?O、CH?）的排放、氨气（NH?）的释放（氨气是PM?.5的前体），以及非点源污染对水和土壤的破坏。为应对这些问题，韩国政府开始推行一项政策转变，旨在将畜禽粪便转化为固体燃料（LMSF）作为更可持续的处理方式。本文概述了韩国畜禽粪便的产生和管理现状，解释了与堆肥相关的环境问题，并描述了该国为促进通过畜禽粪便转化来回收能源所做出的努力。近期示范项目的结果证实了生产及利用畜禽粪便固体燃料的技术可行性，尤其是通过高效的干燥系统（如COMBDry）和共燃技术。尽管仍存在高灰分和杂质含量等挑战，但畜禽粪便固体燃料在改善环境表现和增加可再生能源供应方面具有巨大潜力。研究结果强调了需要建立综合的技术-政策框架，以提高经济可行性并加速实现碳中和的畜禽粪便管理目标。
引言
由于温室气体（GHGs）的过度排放，全球变暖已成为对人类生存的威胁[1]。因此，已有超过140个国家宣布致力于实现碳中和[2]，韩国也在2020年加入了这一全球努力[3]。废物回收被认为是减少温室气体排放的最有效措施之一，并得到了越来越多的政策和技术支持[4]。韩国政府将其作为可持续农业计划的一部分来推广。2021年发布的2050年碳中和最终方案进一步强调了农业资源循环政策的重要性[5]。
自2010年以来，随着肉类消费量的持续增加，韩国每年的畜禽粪便产量稳步上升，达到了约5000万吨[6]。其中超过70%的粪便通过堆肥处理后用作肥料[7]。堆肥过程在高温（40-70°C）下进行有氧发酵，会释放温室气体（一氧化二氮（N?O）和甲烷（CH?）以及氨气（NH?）。这些气体也会从使用堆肥的农业土壤中释放[8]。畜禽粪便处理和利用过程中产生的温室气体排放占农业总排放量的约40%。此外，氨气（NH?）的排放占韩国总氨气排放量的80%以上，从而导致细颗粒物（PM?.5）的形成[9]。
将畜禽粪便堆肥施用于土壤还可能引发其他环境问题。畜禽粪便中的氮（N）和磷（P）等营养物质可能导致水污染，如藻类爆发和富营养化[10]。重复使用堆肥会导致土壤中养分过剩和盐碱化，从而影响作物生长[11]。堆肥过程中以及后续土地使用过程中释放的恶臭气体（如NH?和H?S）会给公众带来困扰，占韩国所有气味投诉的约25%[12]。
鉴于这些环境挑战，堆肥及其后续的土地利用受到多项法规的严格限制[13]，例如养分管理法规[14]、总水污染负荷管理法规[15]、堆肥成熟度检测[16]、恶臭防治法[17]和空气质量管理法[18]。这些法规可能会进一步减少可用于堆肥的农田面积，从而加剧粪便处理的难度。为打破这一循环，韩国政府在2020年实施了政策转变，从传统的基于堆肥的畜禽粪便处理方式转向以生产固体燃料、沼气和生物炭为重点的能源回收方法[5]。这些策略旨在促进可持续的畜牧业发展。为此，之前支持堆肥、液体粪便和沼气设施的国家补贴计划（畜禽粪便联合回收设施项目）已扩展到包括固体燃料和生物炭生产系统[19]。
尽管关于沼气和生物炭的研究越来越多，但针对韩国畜禽粪便管理从堆肥向固体燃料生产转型的系统性评估仍然较少。现有文献主要关注技术层面，未能充分整合环境、监管和政策视角。因此，本研究首次全面评估了韩国在国家碳中和框架下的畜禽粪便回收系统，指出了当前堆肥做法的环境负担（尤其是温室气体和PM?.5排放），探讨了将固体燃料作为可持续替代方案的可行性和影响，涵盖了过去和正在进行的项目、政策支持措施以及剩余挑战。同时，本文还按地区和类型概述了韩国畜禽粪便的产生和处理情况。这项工作旨在弥合环境评估、政策导向和技术发展之间的差距，为推进碳中和的畜禽粪便管理提供实用见解。
方法
本研究通过ScienceDirect、Scopus、Web of Science和韩国的RISS数据库进行了广泛的文献回顾，并参考了国家报告、法律文件和主要报纸。搜索范围主要涵盖2016年至2025年间与畜禽粪便固体燃料（LMSF）相关的出版物，关键词包括粪便产生和管理、温室气体、氨气、LMSF以及韩国案例研究。同时调研了韩国的LMSF示范项目和研发活动及其环境影响。
韩国的畜禽粪便产生情况
韩国的畜牧业产品主要包括牛肉、猪肉、鸡肉和乳制品（如牛奶和奶酪）。猪肉和鸡肉主要依靠国内生产，市场份额超过70%[20]。牛肉和乳制品的进口依赖度较高，占国内消费总量的40-50%。畜牧业面临的主要挑战之一是畜禽粪便的管理。
畜禽粪便处理的现状
如图5所示，韩国的畜禽粪便主要通过堆肥处理[23]。截至2023年，农场内自堆肥处理占粪便总量的37.9%，约为1930万吨/年，而外包处理占34.8%，约为1770万吨/年。
此外，每年约有600万吨的畜禽粪便通过液体肥料方式处理，占总处理量的11.8%。最近，通过净化工艺处理的粪便量也有所增加。
温室气体排放
与工业化前水平（1900年之前）相比，全球气温上升了约1.25°C。按照目前的升温速度，预计到2030年至2052年间气温将超过1.5°C[30]。全球变暖已成为对人类生存的严重威胁，为了将气温升幅控制在1.5°C以内，韩国必须在2050年前实现净零排放。韩国正在努力实现这一目标。韩国的温室气体排放现状如图所示。
可持续的畜禽粪便利用：畜禽粪便固体燃料
畜禽粪便管理在韩国不仅是一个农业领域的关键问题，也是气候变化缓解工作的重要组成部分。传统的长期堆肥方法由于环境负担和耕地可用性减少而不够可持续。此外，公众对恶臭排放的反对使得新建堆肥设施变得越来越困难，同时相关环境法规的收紧也加剧了这一问题。
结论
韩国的畜禽粪便管理正从传统的堆肥方式转向更可持续的方法，特别是固体燃料的生产。这一转变源于人们对堆肥环境影响的日益关注，如温室气体排放、氨气释放和养分流失等问题，同时也符合国家的碳中和和循环经济目标。将畜禽粪便转化为固体燃料为工业领域替代化石燃料提供了潜力。
致谢
本研究得到了“工业战略技术发展计划-碳创新之星项目”（20223931，利用生物质和废弃塑料开发替代燃料技术以实现钢铁行业的碳中和）的支持，该项目由韩国贸易工业能源部（MOTIE）资助。
