水热裂解固体有机肥的环境效应评估：碳氮固存与重金属生态安全研究

针对生物质废弃物处理中温室气体排放与重金属污染问题，清华大学团队通过水热裂解技术（180-220°C/1.5-2.45 MPa）制备固体有机肥（HCSOF），发现其碳氮固定率超90%（碳91.2%，氮98.4%），且重金属（Hg/As/Cd/Pb/Cr）生态风险低（HQ<1，RAC<38%）。田间试验证实15,000 kg/ha用量可提升砂土有机质并降低重金属迁移风险，为循环农业提供关键技术支撑。

　　

在全球推进碳中和的背景下，农业废弃物的处理成为可持续发展的重要挑战。每年产生约43.8亿吨农业残留物，但传统堆肥技术存在温室气体（CH₄
、N₂
O、CO₂
）逸散和重金属污染风险。中国作为农业大国，亟需开发既能固碳减排又能保障生态安全的新型肥料技术。水热裂解固体有机肥（HCSOF）因其在180-220°C高温高压下高效转化生物质的特性，成为研究热点，但其工业化生产的环保效能尚未系统评估。

清华大学团队通过分析工业级HCSOF的碳氮保留率与重金属（TMs）生态风险，结合砂土种植实验，揭示了该技术的双重环境效益。研究采用欧洲共同体参考局（BCR）连续提取法测定重金属形态，计算风险评估码（RAC）和危害商数（HQ），并基于中国农业标准（NY/T 525-2021）验证产品合规性。

研究结果

1. 原料与HCSOF特性：以玉米秸秆和鸡粪为原料，HCSOF的pH为5.52（酸性源于有机酸生成），电导率8.18 mS/cm，有机质含量达40%以上，符合中国肥料标准。
2. 碳氮固定效能：工业HCSOF的碳固定率91.2%，氮固定率98.40%，显著高于传统堆肥，证实其减排潜力。
3. 重金属生态安全：Hg（HQ=0.008）、As（HQ=0.055）、Cd（HQ=0.708）等重金属的RAC值均低于40%，其中As的可交换态占比最高（37.08%），但总体处于低风险水平。
4. 田间应用效果：15,000 kg/ha的HCSOF提升砂土有机质，降低玉米秸秆中TMs含量，且土壤重金属RAC值进一步下降，如Cd从1.76%降至0.5%以下。

结论与意义
该研究首次系统评估了工业HCSOF的环境协同效益：一方面通过高温高压反应实现碳氮高效固定，减少温室气体排放；另一方面通过有机质络合和形态转化（如Cr/Pb与-COOH结合）降低重金属生物有效性。其技术模型（如海阳试点项目）展示了“废弃物-能源-肥料”闭环的可行性，为有机肥行业提供了兼具经济性与生态安全的解决方案。论文发表于《Journal of Environmental Sciences》，为全球循环农业实践提供了中国方案。