《Waste Management》：Enhancing hydrothermal carbonization of drained chicken manure: Effects of process parameters on nutrients distribution and energy potential
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鸡粪淋滤预处理结合水热碳化（HTC）及厌氧消化（AD）工艺，优化能源与营养回收。HTC在234℃下运行30分钟实现62%总能量回收，产物含13-21MJ/kg燃料热值及16.1-28.8g/kg磷肥效。过程水经AD产气量达202-205mL/g VS，较未处理提升15-41%。该整合技术有效降低TS（57.5%→30.6%），改善C/N比，抑制氨积累，促进循环经济。
莱亚内特·奥达莱斯-贝尔纳尔（Leyanet Odales-Bernal）、亚斯曼尼·阿尔巴·雷耶斯（Yasmani Alba Reyes）、莉斯贝特·洛佩兹·冈萨雷斯（Lisbet López González）、斯特夫·吉塞尔斯（Stef Ghysels）、埃里克·梅尔斯（Erik Meers）、埃内斯托·L·巴雷拉（Ernesto L. Barrera）、弗雷德里克·龙塞（Frederik Ronsse）
能源与工业过程研究中心（Centre for Energy and Industrial Processes Studies, CEEPI），圣斯皮里图斯大学（University of Sancti Spíritus），烈士大道360号（Ave de los Mártires 360），60100圣斯皮里图斯，古巴（60100 Sancti Spíritus, Cuba）
摘要
将浸出作为预处理方法是一种有前景的策略，可以提高鸡粪（Chicken Manure, CM）厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）的效率。然而，这些浸出过程中产生的不溶性残留物（即沥干后的鸡粪）尚未得到充分研究。本研究旨在评估水热碳化（Hydrothermal Carbonization, HTC）工艺如何将沥干后鸡粪的能量和营养成分重新分配到其产物——水碳（Hydrochar）和工艺水中。为此，提出了一种结合浸出、HTC及其工艺水厌氧消化的综合方法。在220°C下处理75分钟后，沥干后鸡粪制成的水碳获得了最佳的能量产出，能量回收率为84.98±0.06%。未经预处理的鸡粪和沥干后的鸡粪制成的水碳均具有作为磷肥的潜力，其磷含量分别介于23.4–35.8克/千克和16.1–28.8克/千克之间。从沥干后鸡粪经HTC处理后的工艺水中分别获得了202.0±5.3毫升甲烷（CH?）/克挥发性固体（VS）和205.3±25.0毫升甲烷/克挥发性固体的产率。在这些条件下，使用水碳可使甲烷产量分别提高15%和41%。在234°C下处理30分钟后得到的水碳和工艺水，其总能量回收率达到了原料所含能量的62%。浸出过程通过改善水碳的燃料特性和营养成分（尤其是钙、镁和磷），以及提高工艺水的生物降解性，从而提升了所有输出流的质量。
引言
禽类粪便已采用多种生物化学方法进行处理，如厌氧消化（AD）、热化学转化或联合发电系统，这些方法能够在产生热能、电能、生物炭/水碳和可燃气体的同时，将污染物排放降至最低（Santos Dalólio等人，2017年）。然而，仍需考虑一些挑战，例如禽类粪便的异质性、高氮含量（3–5%）、碱性pH值以及总固体含量超过25%（Farrow等人，2017年；Santos Dalólio等人，2017年）。为解决这些问题，可以采用预处理技术来改善其在这些技术中的处理效果。传统的AD技术需要稀释禽类粪便，以将其总固体含量降至25%以下（Farrow等人，2017年）。然而，由于消化器容量的增加、加热成本的提高以及消化物体积庞大，这种高稀释程度可能在经济上不可行（Karrabi等人，2023年）。
禽类粪便是一种混合物，包含鸡粪（CM）以及垫料、饲料残渣、羽毛、碎蛋和死鸟等成分。其中，鸡粪中的高氮含量是导致氨积累和C/N比失衡的主要因素，这可能抑制AD过程（Ramm等人，2020年）。研究表明，浸出作为一种新的预处理方法，可以产生适合AD处理的生物可降解底物——浸出液（Alba Reyes等人，2021年），同时得到含水量高（超过50%）且含有不溶性物质的沥干后鸡粪。Cai等人（2021年）的研究表明，添加微量元素后的鸡粪浸出液能够稳定产生0.29立方米甲烷/千克挥发性固体，总氨氮含量低于1.5克/升，并且与未经预处理的鸡粪相比，甲烷产量提高了36.5%。这种改进归因于较低的铵离子水平、更适宜的C/N比以及更易利用的可溶性营养物质，这些因素共同促进了厌氧微生物的活动，从而提高了甲烷产量。
沥干后的禽类粪便含有较高的总固体质量分数（26%–30%），主要为木质纤维素材料（Chaump等人，2019年）。这种组成阻碍了机械混合，导致不可消化物质在厌氧消化器中积累，从而影响沼气产量。通常通过筛分将沥干后的部分与浸出液分离，从而保留含有大部分有机物的液体部分。然而，固体残留物仍富含挥发性固体（VS）。例如，Chaump等人（2019年）发现沥干后禽类粪便中的VS含量比浸出液中的高40%。因此，可以探索其他转化方法来最大化这种材料的潜力。
对于无法通过AD有效处理的复杂废物，热化学处理是一个合适的选择（Sikarwar等人，2021年）。在水热碳化（HTC）中，由于反应在水相中进行，无需进行耗能较大的干燥过程（Devnath等人，2024年），因此特别适合处理湿生物质。目前，HTC已应用于多种生物质，包括燕麦壳（Murillo等人，2022年）、橄榄渣和橙皮（Zijlstra等人，2024年）、海藻（Soroush等人，2024年）、炼焦污泥（Zhong等人，2024年）、城市固体废物的有机部分（Langone和Basso，2020年；Liu等人，2024年；Pagés-Díaz等人，2020年；Zhi等人，2024年）以及动物粪便（Ipiales等人，2024年；Marin-Batista等人，2020b年；Saverettiar等人，2020年）。在180–260°C温度下处理禽类粪便所得的水碳，其燃料性能得到改善（热值HHV提高了5–10 MJ/kg，相比原始材料）（Hejna等人，2022年；Mau等人，2016年）。此外，来自鸡粪的水碳在农业领域也有广泛应用，因其富含营养成分、具有稳定土壤的作用以及能够有效消除病原体（Mau等人，2020年）。HTC过程中的高温高压有助于破坏病原体和药物活性化合物（Libra等人，2011年）。这表明HTC不仅解决了鸡粪处理的难题，还为可持续农业和废物管理提供了宝贵资源。
根据温度和停留时间的不同，HTC的最终产物包括：基于原料质量的6–38%水碳、12–63%工艺水和1–19%气体（Liu等人，2021年）。由于工艺水占HTC产物的主要部分，其资源化利用至关重要。多项研究表明工艺水适用于沼气生产（Aragón-Brice?o等人，2021年；Marin-Batista等人，2020b年；Murillo等人，2022年；Odales-Bernal等人，2025年；Pagés-Díaz等人，2020年）。利用沥干后鸡粪经HTC处理后的工艺水生产沼气具有优势，因为在这一过程中营养成分发生了重新分配。这有助于减少抑制性化合物（尤其是氮）的影响，从而有利于AD过程。对于生物降解性较低的基质，人们越来越关注共消化策略以提高甲烷产量（Pagés-Díaz和Huili?ir，2020年）。先前的研究表明，将工艺水与其他有机废物（如污泥）结合使用可产生协同效应，提高甲烷产量（Villamil等人，2020年；Villamil等人，2018年）。然而，工艺水的共消化仍是一个研究较少的领域，具有较大的发展潜力。
据我们所知，目前尚无系统研究将浸出作为预处理与后续的HTC和AD结合使用的案例。除了评估这种综合方法的可行性外，本研究还探讨了相关科学问题，具体包括：（i）浸出如何改变工艺流中碳和氮的分布；（ii）HTC操作条件如何将能量和营养成分重新分配到水碳中；（iii）这些变化如何影响工艺水的生物降解性和甲烷潜力。因此，本研究旨在评估沥干后鸡粪经HTC处理过程中的水碳产量、营养成分分布和能量潜力。同时，提出了一种结合浸出、HTC及其工艺水厌氧消化的综合方法。通过解决这一被忽视的固体废物问题，本研究为鸡粪管理提供了新颖、可扩展且可持续的解决方案，支持循环经济原则、营养循环和可再生能源回收。
部分内容摘要
浸出装置
在浸出实验中，取100克新鲜鸡粪（来自比利时阿尔特尔市的产蛋鸡），其总固体含量为57.52%（干基），与蒸馏水混合至总固体含量降至5%（固液比为1:10.5）。然后在50°C下持续搅拌150转/分钟进行热处理30分钟。选择50°C、30分钟的浸出条件是因为该条件在动力学上有利于有机物质快速释放。
原料与水碳的特性
沥干后的鸡粪作为浸出后的固体部分，其固体含量低于原始材料。例如，在本研究中，总固体含量从鸡粪的57.52±2.61%降至沥干后鸡粪的30.56±1.05%（表1），显示出显著下降。这是因为在分离浸出液的过程中，可溶性物质被去除
结论
本研究探讨了将浸出作为预处理方法，以改善沥干后鸡粪的水热碳化过程，从而提高所得水碳的质量以及该工艺水用于厌氧消化的效果。沥干后鸡粪制成的水碳具有多种应用潜力，可根据当地需求作为燃料（热值HHV范围为13–21 MJ/kg）或磷肥（磷含量范围为16.1–28.8克/千克）。在234°C下处理30分钟后，沥干后鸡粪制成的水碳...
CRediT作者贡献声明
莱亚内特·奥达莱斯-贝尔纳尔（Leyanet Odales-Bernal）：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析。亚斯曼尼·阿尔巴·雷耶斯（Yasmani Alba Reyes）：撰写、审稿与编辑、实验研究、数据分析。莉斯贝特·洛佩兹·冈萨雷斯（Lisbet López González）：指导、方法论设计、概念构思。斯特夫·吉塞尔斯（Stef Ghysels）：撰写、审稿与编辑、指导。埃里克·梅尔斯（Erik Meers）：撰写、审稿与编辑、指导。埃内斯托·L·巴雷拉（Ernesto L. Barrera）：撰写、审稿与编辑、指导。弗雷德里克·龙塞（Frederik Ronsse）：撰写、审稿与编辑、资金筹措。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢根特大学（Ghent University）提供的“2021年特别研究基金——发展中国家博士奖学金申请”（DOS053-21 BOF 2021）和Global Minds Fund——2024/2025年短期研究资助。同时，作者还要感谢生物资源回收实验室（Re-Source）的技术支持，特别是Joachim Neri在实验程序方面的协助。
