粪便废物的热解用于能源和农业应用：一种资源回收方法

《Bioresource Technology Reports》：Pyrolysis of faecal waste for energy and agronomic applications: Resource recovery approach

　　

吉迪恩·努努（Gideon Nunoo）| 帕特里克·博阿凯（Patrick Boakye）| 米里亚姆·阿皮亚-布伦蓬（Miriam Appiah-Brempong）| 塞洛姆·夸梅·布罗尼（Selom Kwame Broni）| 费利克斯·科乔·奥科（Felix Kojo Okoe）| 塞托尔兹·加梅利·阿格贝（Setordzi Gameli Agbe）| 夸梅·萨科迪（Kwame Sarkodie）| 伊尔哈姆·库恩瓦·哈米德（Ilham Ku-nwa Hamid）| 桑普森·奥杜罗-夸特恩（Sampson Oduro-Kwarteng）

加纳库马西夸梅·恩克鲁玛科技大学区域水与环境卫生中心（Regional Water and Environmental Sanitation Centre, Kwame Nkrumah University of Science and Technology, Kumasi, Ghana）

摘要

对粪便废物（Faecal Waste, FW）的热化学处理为分散式和未经污水处理的卫生系统中的资源回收提供了一条有前景的途径。然而，通过热化学过程（如热解）从基于容器的卫生系统中回收废物资源的潜力仍然有限，大多数先前的研究都集中在来自现场卫生系统和污水系统的废物上。本研究调查了从基于容器的厕所收集的废物制成的生物炭（Biochar）的特性和资源回收潜力，为热解在这一废物流中的应用提供了新的见解。废物在300–600°C的电窑中进行了热解，所得生物炭的物理化学和微生物参数进行了评估，包括热值、灰分含量以及与固体燃料（Solid Fuel, SF）和有机作物肥料（Organic Crop Fertiliser, CF）应用相关的营养成分。生物炭记录了较高的热值（约为17–27 MJ/kg），表明其具有显著的能量回收潜力，而其较低的灰分含量（约14–27%）表明其具有适合固体燃料应用的优良燃烧特性。总氮、总磷和总钾的含量分别为1.5–2.3%、0.8–1.7%和1.6–2.8%，这突显了生物炭作为肥料的可能农艺价值。在500–600°C下生产的生物炭表现出良好的固体燃料和肥料特性，表明其在能源和农艺应用方面具有很大的潜力。这些发现强调了热解作为一种可持续的方法，可以整合废物管理、能源回收和资源循环利用在基于容器的卫生系统中的潜力。

引言

粪便废物（FW）在全球各种卫生系统和技术中都会产生。在撒哈拉以南非洲地区，尤其是在加纳，FW主要来自自主和分散式的现场卫生系统，只有少量来自污水系统（Awuah等人，2020年）。在污水系统和现场卫生系统在经济或技术上不可行的情况下，基于容器的卫生系统已成为一种可行的替代方案，特别是在低收入城市地区（世界银行，2019年）。例如，在加纳的库马西，基于容器的卫生系统是通过所谓的“清洁团队厕所”（Clean Team Toilets）实现的，这些厕所服务于人口密集的低收入社区，并产生大量需要安全可持续管理的FW（世界银行，2019年）。

采用热化学驱动的处理单元（场外或现场），如热解、燃烧和气化等过程，为低收入地区的FW管理提供了快速、环保且成本效益高的解决方案（Bittencourt和Martins，2022年）。尽管取得了这些进展，全球仍然有一半以上的人口依赖未经处理的卫生系统，导致FW进入环境（联合国儿童基金会和世界卫生组织，2020年）。这一挑战在发展中国家的许多城市和小城镇尤为严重，那里的FW处理设施不足或缺失（Nuagah等人，2020年）。这种情况通常导致未经处理的FW非法排放到土地上和当地水体中，对环境和公共卫生造成严重威胁（Awuah等人，2020年）。这种情况阻碍了实现联合国可持续发展目标3、6和13的进展，迫切需要有效的、可持续的FW管理解决方案。

粪便废物是一种富含可回收能源和必需土壤及植物营养素的资源（Krueger等人，2020年）。然而，其安全再利用需要有效的处理以消除病原体和有害成分。最近的研究探索了使用热解作为热化学处理技术将FW转化为生物炭，以促进向低碳和零废物循环经济的转型（Nicholas等人，2025年）。从FW中生产的生物炭，以下简称粪便废物生物炭（FWB），是一种在限氧条件下通过热分解形成的富含碳的固体材料。通过热解生产FWB引起了全球的广泛关注，因为它可以作为完全销毁病原体和增加价值的替代方法。生物炭通常被认为是一种土壤稳定剂或改良剂， Literature中也偶尔将其称为作物肥料。它主要与改善土壤的物理化学性质相关，包括pH缓冲、养分保持能力（CEC）和持水能力。

FWB是否适合用于任何特定应用（如固体燃料或有机作物肥料），很大程度上取决于其特性（Koulouri等人，2023年）。这些特性还受到原料组成和热解参数（如温度、停留时间和加热速率）的影响（Lehmann和Joseph，2009年）。因此，选择合适的热解条件对于根据具体应用定制生物炭至关重要。研究已经确定温度是显著影响FW热解及产物FWB特性的关键操作参数，如热值、营养成分、灰分含量和固定碳含量（Koulouri等人，2023年）。然而，没有一种适用于所有特定应用的“通用”最佳热解温度。

由于卫生系统和技术、地理位置、饮食习惯、健康状况等因素的差异，FW的特性存在变化，因此关于最佳热解温度的研究结果和建议也存在差异（Gold等人，2018年；Nuagah等人，2020年）。因此，必须根据具体情况评估热解温度对FWB特性的影响，因为依赖于以往研究中的生物质或FW特定数据可能并不恰当或充分。这表明温度与FWB特性之间的关系仍在进行研究中，尚未完全探索。

虽然已经研究了来自化粪池、坑式厕所、通风改进的坑式厕所、尿液分离干式厕所（Gold等人，2018年；Krueger等人，2021年）、堆肥厕所（Hübner等人，2019年）以及无尿液分离干式厕所（Bleuler等人，2021年）的热解FW的资源回收潜力和生物炭特性，但关于基于容器的厕所的类似研究仍然有限。来自基于容器的厕所的FW通常由粪便与覆盖材料（如锯末）混合而成，其原料组成与传统粪便污泥不同。锯末的存在改变了关键的原料特性，并影响了热解过程中生物炭的灰分含量、热值和营养成分。然而，这种成分差异对热解过程和所得生物炭质量的影响尚未得到充分探索和理解。此外，热解温度对这种废物流衍生的生物炭的固体燃料质量和农艺价值之间的权衡程度尚未系统评估。

因此，本研究探讨了通过热解将来自基于容器的厕所收集的FW转化为生物炭的过程。在300–600°C下生产的生物炭的关键物理化学和微生物特性得到了评估，这些特性与其作为固体燃料和有机作物肥料的潜在用途相关。该研究进一步评估了热解温度如何影响生物炭的特性及其对能源和农艺应用的影响。这项研究为这种独特废物流的热化学处理和资源回收潜力提供了新的见解，并有助于开发基于容器的卫生系统的可持续废物管理方法。

章节片段

粪便废物样本的收集与制备

粪便废物样本由粪便与锯末混合而成，在五周内每周从清洁团队设施收到的20个随机选择的废物容器中收集（详见补充材料中的清洁团队厕所信息）。样本被放置在塑料防水布上，用铲子彻底混合后均匀铺开并分成若干部分。从每个部分的中心取出等体积的样本并合并起来。

热解温度对CB-FWB特性的影响

本文介绍了热解温度对CB-FWBs的物理化学和微生物特性、元素和近似组成以及重金属水平的影响。

结论

来自基于容器的厕所的FW通过热解成功转化为生物炭，温度显著影响了所得生物炭的特性。在500–600°C下生产的生物炭显示出适合固体燃料和肥料应用的优良特性，尽管还需要通过具体测试进一步验证。观察到的相对较低的灰分和重金属含量进一步突显了来自基于容器的卫生系统的FW适用于生物炭生产的潜力。

CRediT作者贡献声明

吉迪恩·努努（Gideon Nunoo）： 写作——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源提供、方法学研究、数据分析、概念化。帕特里克·博阿凯（Patrick Boakye）： 写作——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源提供、方法学研究、数据分析、概念化。米里亚姆·阿皮亚-布伦蓬（Miriam Appiah-Brempong）： 写作——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了加纳库马西夸梅·恩克鲁玛科技大学的区域水与环境卫生中心（Regional Water and Environmental Sanitation Centre, Kwame Nkrumah University of Science and Technology, KNUST）的支持，并获得了加纳政府通过世界银行资助的非洲卓越中心项目（Africa Centres of Excellence project）的经费支持。