农业工业生物炭（biochar）从废弃物到资源：基于技术成熟度（TRL）视角的生产、性质与新兴环境应用评述

《Biomass and Bioenergy》：From waste to wealth: Production, properties, and emerging applications of agro-industrial biochar through the lens of TRL and trends

　　

农业工业残余物是生物炭（biochar）生产的有前景原料。原料组成决定生物炭性质与性能。生物炭在环境和废物管理中显示出多样化应用。生物炭改善堆肥和厌氧消化（anaerobic digestion, AD），同时减轻气味。该综述通过技术成熟度（Technology Readiness Level, TRL）评估生物炭技术。

论文解读：从废弃物到资源——农业工业生物炭（biochar）的生产、性质与基于技术成熟度（TRL）的新兴应用。作者为 M. García-Rollán、M.C. Gutiérrez、M. Toledo、J.A. Siles、A.F. Chica 和 M.A. Martín。

一、研究背景与问题
全球人口增长推动农业和林业产品需求增加。全球初级作物产量在2000—2022年间增长约56%，2022年达到约9600 Mt。果蔬、根茎和块茎加工产生大量废物，分別可占加工总质量的35%和约45%。供应链中残余生物质和食物废物估计约1300 Mt/年（湿基）。大量残余生物质仍通过露天焚烧或倾倒处置，会释放温室气体（greenhouse gases, GHGs）和有毒化合物，增加火灾风险，并提高生化需氧量（biological oxygen demand, BOD）和化学需氧量（chemical oxygen demand, COD），导致土壤退化、富营养化和生物多样性损失；欧洲法规已禁止露天焚烧。农业废物虽可转化为生物燃料、高值化学品、肥料和生物基材料，但高处理成本、原料供应与组成变异及放大挑战限制其经济竞争力。厌氧消化（anaerobic digestion, AD）受氨积累、异味气体和消化液管理限制；堆肥存在GHG、异味和渗滤液问题。热化学转化，尤其热解和水热碳化（hydrothermal carbonization, HTC），可将生物质转化为生物炭。生物炭具有孔隙性、离子交换能力和表面官能团，有利于养分保持、污染物吸附和微生物相互作用，但其质量取决于原料组成、过程条件和污染物含量。因此，研究人员开展综述，整合原料特性、热化学转化技术、生物炭性质及五个环境应用，并用TRL框架评估技术成熟度。

二、研究开展、结论与意义
研究人员通过文献综述和文献计量分析，以Scopus为唯一数据库，检索“waste valorization”“biochar production”“biochar applications”，覆盖2015—2026年，最终检索于2026年9月9日。研究整合了原料特征、热化学转化、生物炭性质以及五个应用路径：废水吸附处理、CO₂吸附、生物炭辅助堆肥、生物炭辅助厌氧消化和土壤改良。采用基于证据的TRL框架，按实验规模、原料和基质代表性、过程集成度、可重复性与持续时间、全尺寸或商业实施证据分配TRL。结论表明，不同应用成熟度差异明显：土壤改良为TRL 7—8，废水吸附为TRL 5—6，生物炭辅助堆肥为TRL 4—5，CO₂吸附为TRL 3—4，生物炭辅助厌氧消化为TRL 2—3。其意义在于将生物炭理化性能与技术成熟度、应用障碍联系起来，为从实验证据走向实际部署提供依据。

三、关键技术方法
研究人员采用文献综述和文献计量分析，以Scopus为唯一数据库，检索“waste valorization”“biochar production”“biochar applications”，时间2015—2026年，最终检索2026年9月9日。汇总原料年产量与组成，比较慢速、快速、闪速热解、微波辅助热解（microwave-assisted pyrolysis, MAP）、HTC、水热液化（hydrothermal liquefaction, HTL）、烘焙等热化学转化，汇总生物炭性质，评估废水吸附、CO₂吸附、堆肥、AD和土壤改良。采用基于证据的TRL框架，按实验规模、原料/基质/条件代表性、过程集成度、可重复性与持续时间、全尺寸或商业证据分配TRL，跨相邻等级时给范围。无样本队列，文献来源为Scopus。

四、研究结果
1. 引言：通过背景综述，研究人员指出农工业残余物既是环境负担，也是生物炭等碳材料的潜在原料，需从处置转向资源化。
2. 有机废弃物碳材料：转化技术：通过汇总原料组成和年产量，研究人员得出结论：高纤维素和半纤维素含量利于挥发物和可冷凝产物，富木质素原料促进成炭，高矿物和灰分可能妨碍过程和产品质量。甘蔗渣约500—540 Mt/y，玉米秸秆约1100 Mt/y，小麦秸秆约665 Mt/y，稻壳约150 Mt/y，木材废物约110 Mt/y（USA & EU），畜禽粪便约1400 Mt/y，污水污泥约53 Mt干固体/y。
2.1 热解：通过综述，热解在缺氧或低氧条件下将生物质转化为生物油、不可冷凝热解气和生物炭；温度、加热速率、粒径和停留时间决定产物分布。
2.1.1 慢速热解：350—600 °C，低加热速率0.1—1.0 °C/s，长停留时间，最大化生物炭产率20—50 wt%；富木质素原料产率更高。
2.1.2 快速热解：400—800 °C，高加热速率5—200 °C/s，停留时间小于2 s，最大化生物油60—75 wt%；生物炭仅10—20 wt%，碳含量较低，但表面反应性较好。
2.1.3 闪速热解：加热速率高达2000—2500 °C/s，停留时间小于1 s，快速冷却；菜籽在550—600 °C时生物油最高达73%。
2.1.4 微波辅助热解：通过体积加热实现快速选择性加热；稻壳等700—900 °C、400—600 W、60—180 min，生物炭产率23.71—43.28 wt%；松木废物500 °C、10 min时生物油65%、生物炭33%、热解气2%。但电磁场不均、材料成本和功率耦合限制其成熟度。
2.1.5 水热碳化：180—280 °C，自生压力约10—65 bar，适合湿原料；水热炭产率40—70%（干基）。猪粪240 °C、1 h、Span 80时水热炭产率50.19%，能量产率92.39%，HHV为28.68 MJ/kg。HTL在250—375 °C、20—250 bar产生物原油。
2.1.6 烘焙：200—300 °C，惰性/低氧条件，改善固体燃料的疏水性、可磨性和热值，但表面功能和孔隙有限，主要限于燃料增强。
3. 环境应用：性能、机制与技术成熟度：通过TRL评估，研究人员指出应用成熟度不同。生物炭典型比表面积为10—300 m²/g，孔容低于0.1—0.3 cm³/g，含氧官能团0.5—3.0 mmol/g。
3.1 吸附去除污染物：通过机制综述，吸附分为物理吸附和化学吸附；生物炭表面官能团和孔隙结构决定污染物去除。
3.1.1 废水吸附处理：通过文献综述，生物炭可去除重金属、营养物、抗生素、染料、内分泌干扰物（endocrine-disrupting compounds, EDCs）、全氟和多氟烷基物质（Per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS）及微纳塑料（micro- and nano-plastics, MNP），机制包括静电吸引、离子交换、络合、表面沉淀、π-π作用和孔填充。该应用为TRL 5—6。
3.1.2 CO₂捕集：通过汇总，木质生物炭为67—152 kg CO₂/t，污水污泥MAP生物炭为220 kg CO₂/t，木质素生物炭为73 kg CO₂/t，但因条件不同不可直接比较。CO₂活化可提高比表面积至500—2000 m²/g。该应用为TRL 3—4。
3.2 生物炭辅助生物过程：生物炭可作为微生物附着、电子传递和养分保持基质。
3.2.1 辅助堆肥：通过实验总结，共堆肥可减少渗滤液20—50%，提高保水10—30%；VOCs减少28—32%，气味单位减少42%，硫气味减少65.3%，H₂S减少67%，VOCs减少61%，H₂S约减少75%，NH₃减少超过90%。该应用为TRL 4—5。
3.2.2 辅助厌氧消化：通过实验室研究，生物炭可提高生物质保持15—35%，甲烷产率20—40%，将滞后期从2—3天缩短至1天，降低挥发性脂肪酸积累25—50%，甲烷含量达55—70%；部分生物炭可抑制甲烷10—25%，建议预浸出。该应用为TRL 2—3。
3.3 土壤改良：通过田间和实验室研究，生物炭可提高pH、阳离子交换量（cation exchange capacity, CEC）、保水能力、养分保持和微生物活性，降低容重并提高产量。应用率5—50 t/ha；长期pH可从3.9升至超过5.0；产量增加5—30%；养分淋失减少15—50%。该应用为TRL 7—8，已有商业部署，如 SoilFixer 的 SF60，报告植物生长改善20—100%。
4. 未来展望与研究展望：通过TRL差异，研究人员提出：土壤改良需标准化、长期多点验证；废水吸附需连续运行、竞争吸附、再生和全尺寸示范；堆肥需标准化剂量、粒径、原料兼容性和动态嗅觉测量；CO₂吸附需循环测试、选择性、再生和中试；AD需可重复实验室验证、连续/半连续运行和消化液质量评估；跨应用需标准化生物炭质量、原料溯源、危险组分限值，并整合技术经济、生命周期、供应链、法规和市场因素。

讨论部分总结：研究人员强调，大规模实施取决于针对不同应用克服科学、技术和操作障碍。TRL评估显示五个应用处于不同发展阶段，需不同优先事项。标准化生物炭质量是跨领域要求，质量指标应与应用匹配，包括原料来源、粒径、水分、灰分、pH、电导率、表面和孔隙特征及危险或可浸出组分限值。技术成熟度并非唯一决定因素，原料供应、运输、成本、基础设施、法规和市场接受度同样影响部署。

研究结论翻译：有机和木质纤维素废物的可持续管理已成为全球脱碳、循环资源利用和污染缓解中的核心工业与环境挑战。热化学转化，尤其热解及其衍生过程，因兼具碳稳定化和生成多功能材料能力而突出。与热解气液产物相比，生物炭化学稳定性更高、易储存处理、长期功能性强，是可规模化循环碳系统的关键组分。典型生物炭pH为6—10，CEC为0.2—1.5 mol/kg，比表面积10—300 m²/g，总孔容0.1—0.6 cm³/g。工业可行性取决于转化路径。快速和闪速热解转化率高，但需500—800 °C高温、快速加热、闪速热解加热速率可达2000—2500 °C/s，并需耐腐蚀材料，能耗高且通常降低固体产率。HTC适合湿生物质，但需亚临界条件和约10—65 bar自生压力，基础设施复杂且成本高。应用方面，生物炭可用于土壤改良、废水处理、辅助堆肥、辅助厌氧消化和CO₂吸附，但环境与工业效益取决于适当表征和质量控制。技术成熟度取决于应用而非生物炭本身：土壤改良最成熟（TRL 7—8）；废水吸附为TRL 5—6；辅助堆肥为TRL 4—5；CO₂吸附为TRL 3—4；辅助厌氧消化为TRL 2—3。总体而言，向更高技术成熟度推进需要应用特异证据，从可重复实验室性能转向代表性条件验证、集成中试示范和持续运行实施。