《Journal of Hazardous Materials Advances》：Recent advances toward circular hydrothermal liquefaction wastewater valorization for bio-compounds recovery and bioenergy
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水热液化（HTL）废水（HTL-WW）是生物化合物与生物能源回收的潜力资源。生物与 hydrothermal 途径可实现碳与营养物的增值利用。集成系统提升基于HTL的生物炼制的资源效率。技术经济分析（TEA）与生命周期评价（LCA）凸显HTL-WW增值路径的可
水热液化（HTL）废水（HTL-WW）是生物化合物与生物能源回收的潜力资源。生物与 hydrothermal 途径可实现碳与营养物的增值利用。集成系统提升基于HTL的生物炼制的资源效率。技术经济分析（TEA）与生命周期评价（LCA）凸显HTL-WW增值路径的可行性。HTL-WW增值推动循环与可持续HTL生物炼制发展。可再生能源的开发与部署对于应对化石燃料过度使用引发的全球性挑战（包括环境污染与生态退化）至关重要。在此背景下，源自可再生生物质的生物燃料已成为减缓碳排放并增强能源安全的潜力策略。生物质被视为解决能源问题的重要贡献者，其独特之处在于可作为固定碳的可再生能源资源用于燃料生产。包括木质纤维素残渣、食物垃圾、污水污泥、畜禽粪便和藻类生物质在内的广泛生物质资源已被探索，各自在可用性、组成和转化潜力方面具有独特优势。然而，许多生物质原料的高含水率和组成异质性对其在常规热化学过程中的高效利用构成重大挑战。这些局限促使人们日益关注更适合处理湿润且组成复杂生物质物流的替代转化技术。水热液化（HTL）已被广泛认为是将湿润生物质转化为生物原油的有效热化学转化技术。与燃烧和热解等常规热化学过程不同，HTL可直接处理高含水率原料而无需能量密集的干燥，从而具有显著的能量与经济优势。HTL能够将包括微藻、食物垃圾、污水污泥和木质纤维素材料在内的多种生物质转化为能量密集的生物原油，产率高达40–83%，热值为28–40 MJ/kg，与石油衍生燃料相当。已证明HTL衍生生物原油可通过蒸馏耦合酯化进一步改善，结果表明提质油品的粘度、酸度和能量水平与当前交通基础设施兼容，具体取决于发动机测试。目前，研究聚焦于乳化、酯化和加氢处理等温和提质技术，以增强HTL衍生生物原油的理化性质。这些优势凸显了HTL在大规模生物燃料生产中的强大潜力。尽管具有这些优势，HTL废水（HTL-WW）的生成仍是限制HTL过程整体可持续性和可扩展性的关键挑战。HTL-WW含有复杂的有机化合物混合物，主要由糖类、羧酸、酚类、醇类、酮类、烃类和N-杂环化合物组成，其组成强烈依赖于原料类型。除化学复杂性外，HTL-WW通常具有高毒性和难降解性，若未经适当处理排放将构成环境风险。值得注意的是，HTL-WW保留了原始生物质资源的相当部分，约占有机碳的45%以及氮和磷的80%。碳和营养物的显著损失不仅降低了整体能量回收效率，也削弱了HTL系统的经济可行性。因此，HTL-WW的有效利用与增值对于改善资源回收、增强过程可持续性以及推动HTL迈向循环生物经济框架至关重要。近年来，已提出多种HTL-WW管理与增值策略，包括微藻培养、微生物转化、厌氧消化、水热气化、湿式氧化和水相循环。虽然这些方法在回收营养物和生产增值产品方面显示出前景，但Watson等、Leng等和Xu等的综合综述已广泛讨论了HTL-WW特性、处理技术和资源回收机会。然而，将废水组成、处理适用性和系统级可行性相联系的实际指导仍未被充分整合。特别是有机负荷、生物降解性、抑制性化合物和营养物可用性对路径选择的综合影响需要更明确和比较性的评估。为填补这一空白，本综述提供了面向决策的综合分析，系统比较了生物、热化学和集成HTL-WW增值路径。与传统描述性评估不同，本综述整合了文献衍生的筛选标准，包括COD、生物降解性、氨氮浓度和抑制性化合物水平，以指导初步路径选择。生物过程通常更适合具有可管理毒性的中等强度废水，而热化学路径更适合浓缩或抑制性废水流。集成配置通过序贯处理为互补的能量和营养物回收提供了机会。这些标准是结合废水特性、操作要求和目标产物来考虑的，而非作为普遍适用的阈值。此外，整合技术经济分析（TEA）和生命周期评价（LCA）视角可提供关于资源回收、处理成本、能耗和温室气体排放之间权衡的额外见解。这一系统级评估强调，当考虑额外的预处理、分离或能量需求时，更高的处理效率或产物产率并不必然确保改善的经济或环境性能。通过将这些技术、经济和环境考量整合到比较决策矩阵中，本综述超越了描述性评估，为选择合适的HTL-WW增值策略提供了实用框架，并支持可扩展和可持续循环生物炼制的发展。为满足研究人员和工艺工程师的互补需求，本综述区分了机理理解与实际路径选择。第2节聚焦HTL反应机理和废水特性以支持基础研究，而第3节HTL-WW增值生产生物化合物和生物能源、第4节HTL-WW增值系统的技术经济分析和生命周期评价则强调增值性能、技术选择、过程集成以及技术经济和环境考量。这一结构将科学理解与工程应用相联系，同时承认当前可用实验证据的局限性。
水热液化（HTL）废水（HTL-WW）富含有机碳、氮和磷，其处置与资源化是制约HTL生物炼制可持续性的关键瓶颈。研究人员围绕HTL-WW的循环增值利用，系统梳理了生物转化、热化学转化及集成系统三类路径的技术特征、性能表现与系统级可行性。研究首先阐明HTL反应网络与废水组成的关系，指出水解、脱水、脱羧和脱氨等反应决定水相中有机酸、酚类、N-杂环化合物及氨氮的分布，进而影响废水的化学需氧量（COD）、生物降解性与毒性。在此基础上，研究比较了微藻培养（单藻与混合藻）、藻-菌 consortium、好氧异养微生物转化和厌氧消化（AD）等生物路径，以及超临界水气化（SCWG）、湿式氧化（WO）和水相循环等热化学路径，并分析了厌氧消化-微藻培养、SCWG-微藻培养等集成配置的互补优势。研究进一步引入技术经济分析（TEA）和生命周期评价（LCA），强调处理效率或产物产率提升并不必然带来系统级经济与环境效益的改善。研究结论指出，不存在普遍最优的增值路径，策略选择应依据废水特性、过程目标和生物炼制整体配置进行定制；未来需推进耐受性菌株开发、连续式热化学运行、集成系统验证以及标准化TEA-LCA评估，以推动HTL-WW增值从实验室可行性迈向规模化应用。该研究为HTL-WW的路径选择提供了面向决策的比较框架，对提升HTL生物炼制的资源效率和循环性具有重要意义。研究人员采用的关键技术方法包括：文献综合分析与比较评估，整合文献衍生的筛选标准（COD、生物降解性、氨氮浓度、抑制性化合物水平）构建路径选择决策矩阵；对生物路径（微藻培养、藻-菌 consortium、好氧异养转化、厌氧消化）和热化学路径（SCWG、WO、水相循环）的代表性研究进行性能数据归纳；并整合TEA与LCA视角进行系统级权衡分析。研究未涉及自建实验队列或样品来源。
研究结果如下：在HTL过程与废水特性方面，研究人员通过机理分析阐明HTL在200–400°C、10–25 MPa的近临界水条件下经水解、分解和重组将湿生物质转化为生物原油，水溶性中间体分配进入水相，使HTL-WW具有高COD（约40–103 g/L）、高TOC以及含酚类和N-杂环化合物等抑制性组分的特征，得出废水特性强烈依赖原料类型与操作条件的结论。在生物转化方面，通过综述单藻与混合藻培养研究，得出HTL-WW经适当稀释和菌株驯化可支持微藻生长并实现营养物去除，但抑制性化合物和组成波动限制其稳健性；混合藻培养具更高代谢多样性和适应性但研究不足。通过分析藻-菌 consortium，得出其在常规废水系统中显示有机质与营养物去除优势，但在HTL-WW条件下缺乏直接实验证据，应视为潜力但未充分验证的路径。通过综述好氧异养转化，得出Rhodococcus等菌株可在降解污染物的同时积累脂质，基因工程可显著提升耐受性，oleaginous酵母可将HTL-WW转化为高值化合物。通过分析厌氧消化，得出AD可实现甲烷回收，但氨、酚类和N-杂环化合物导致抑制，抑制程度受原料特异性化学而非仅有机负荷支配，颗粒活性炭（GAC）等添加剂可缓解抑制。在热化学转化方面，通过综述SCWG，得出其可将HTL-WW转化为富氢气体，但高温高压、催化剂失活和氮去除不完全构成挑战。通过综述WO，得出其可实现高达约95%以上的COD和TOC去除，并将有机氮转化为铵，但需考虑氧化剂供应和腐蚀等问题。通过分析水相循环，得出其可提高生物原油产率（如从约35%提升至55%），但反复循环导致氮积累和产物质量下降，存在产率-质量权衡。在集成系统方面，通过分析AD-微藻培养集成，得出序贯处理可兼顾能量回收与营养物再利用，但过程条件敏感；通过分析SCWG-微藻培养集成，得出其适合高浓度或复杂废水流，但营养物在气化后的生物可利用性存疑，仍属新兴系统概念。在跨路径比较方面，通过构建决策矩阵，得出生物路径适合低至中等COD、低毒性废水，热化学路径适合高COD、强抑制性废水，集成路径适合兼顾能量与营养物回收的混合目标，且单项性能提升不等于系统整体效益改善。在TEA与LCA方面，通过整合经济与环境评估，得出HTL-WW增值的经济可行性取决于原料成本、生物原油产率、提质需求和过程集成程度，LCA显示温室气体减排潜力为35%–90%，但系统边界、功能单位和分配方法的不一致限制了跨路径比较，未来需在等效边界下开展比较性评估。
讨论部分总结：研究人员指出，HTL-WW增值正处于从实验室可行性向可扩展、经济可行过程配置过渡的阶段。未来研究应优先提升生物系统在高氮浓度和组成波动下的稳定性，发展耐受超过500 mg NH??-N L?1的微藻菌株并维持稳定营养物去除与生物质产率；推动SCWG在连续运行条件下的中试验证，建议以连续运行超过500 h作为初步示范基准并系统监测碳转化、气体组成、催化剂失活、盐积累和腐蚀；开发和实验验证集成增值系统，通过膜分离、靶向营养物回收和序贯生物-热化学转化实现碳、氮、磷和能量的选择性回收；发展经实验验证的机器学习（ML）和代理模型以连接废水特性与处理性能。同时，研究强调规模化障碍包括批次和小规模研究主导、反应器配置差异、生物系统的微生物活性维持与收获约束、热化学系统的能耗、材料耐久性、腐蚀、盐沉积和催化剂失活，以及集成系统多单元协调的复杂性；建议优先开展连续或半连续运行、长期稳定性评估和中试验证，并标准化报告反应器配置、运行时长、废水负荷、产物回收、能耗和过程中断。研究结论部分译为：HTL-WW增值的最新进展已将水相从废物负担重新定义为具有战略意义的二次资源。一系列生物、热化学和集成路径已证明可将HTL-WW转化为增值产品，包括微藻生物质、微生物脂质和化学品、沼气、富氢气体以及通过水相循环获得的额外生物原油。这些方法共同凸显了HTL-WW在HTL生物炼制中增强碳回收、营养物利用和整体过程效率的潜力。然而，大规模实施仍受制于HTL-WW的化学复杂性和毒性、原料依赖的组成波动、过程低效以及先进处理技术相关的高资本和运营成本。更关键的是，实验室规模性能与系统级可行性之间的脱节仍是实际部署的主要障碍。这些局限表明不存在普遍最优的单一增值路径；相反，策略选择必须依据废水特性、过程目标和整体生物炼制配置进行定制。未来研究应优先发展结合生物与热化学过程的集成和原料响应型策略，同时推进菌株适应、微生物工程、催化剂开发和膜分离技术的进步。与此同时，包括ML和代理模型在内的新兴数字和模型引导方法可支持HTL-WW表征、路径选择、催化剂筛选和过程优化研究，但其在HTL-WW中的应用仍处于早期阶段，需要标准化数据集和实验验证。同样重要的是持续整合TEA和LCA，以确保所提出的增值路径在现实操作条件下带来净系统级效益。最终，HTL-WW的有效增值对于将HTL从有前景的转化技术转变为真正可持续且经济可行的生物炼制平台至关重要，该平台能够推进循环资源利用并为低碳能源转型做出有意义的贡献。
