综述：面向城市固体废物管理与可持续燃料供应的热化学与生物化学过程工程化协同

《Bioresource Technology》：Engineering synergies between thermochemical and biochemical processes for municipal solid waste management and sustainable fuels supply

　　

•MSW被重新定义为可持续燃料生物精炼厂的多碳源原料。•热化学与生物化学的整合提高了碳利用效率。•焦油、NH?、硫以及气-液传质限制了大规模部署。•混合废物转化燃料系统支持航空和工业实现净零排放。

**引言**

过去几十年，由于快速城市化、工业发展和人口增长，城市固体废物（MSW）产生量急剧增加。全球MSW产量目前每年超过20亿吨，预计到2050年将达到约38亿吨，在全球范围内带来严峻的环境、经济和社会挑战（I.S.W.A, 2024）。

传统的废物管理方法，如填埋和焚烧，因温室气体排放、土地利用需求、环境污染以及有限的资源回收潜力，日益被视为不可持续（Nanda & Berruti, 2021）。面对这些挑战，包括欧洲国家和发展中国家在内的多个地区已引入基于减量、再利用、维护、可升级性、资源回收和循环原则的MSW管理政策（Sesay & Fang, 2025）。因此，越来越多的关注转向开发先进的废物增值策略，将城市固体废物转化为有价值的产品，如能源载体、燃料和化学品，同时最大限度地减少环境影响并支持向循环经济转型（Sikarwar et al., 2021）。

废物转化能源技术已作为将MSW转化为有用产品、同时减少废物量及环境负担的有前景的解决方案而出现（Soni et al., 2025）。可以产生一系列基于碳的能源载体，用于服务可持续航空、绿色航运以及能源密集型工业。在相关回收技术中，热化学转化过程，包括热解、气化和水热加工，因其能够迅速将异质废物流转化为合成气、生物油和固体碳质产品而备受关注（Sarker et al., 2024）。这些技术具有高度的原料灵活性和相对较快的转化率，使其适合处理复杂的城市废物混合物（Nandhini et al., 2022）。然而，热化学过程通常需要高温操作、复杂的反应器设计和大量的资本投资，这限制了其广泛部署和商业可扩展性（Milbrandt et al., 2023）。与此同时，生物化学转化途径，如厌氧消化（AD）和微生物发酵，提供了将MSW有机部分转化为沼气、生物燃料和生化产品的替代方法（Anaya-Reza et al., 2024）。生物过程通常在较温和的条件下运行，对可生物降解有机基质可实现高转化效率（Saravanan et al., 2022）。这些技术已广泛应用于有机固体废物流的处理，特别是食物废物和MSW中其他可生物降解部分（He et al., 2024）。然而，生物化学转化过程通常受到相对缓慢的反应动力学、原料限制以及异质废物流中可能存在的抑制性化合物的敏感性所制约（Sponza & ?ztekin, 2023）。因此，仅依赖热化学或生物化学转化途径可能无法充分利用复杂城市固体废物系统的资源回收潜力。

为克服这些局限，近期研究越来越多地探索热化学和生物化学转化过程的整合，作为一种提高整体资源回收效率和过程性能的有前景策略（Begum et al., 2024, Sikarwar et al., 2021）。在整合系统中，热化学过程可迅速将复杂有机物分解为更易于微生物在下游生物过程中利用的小分子中间体（Marulanda et al., 2019）。相反，生物化学途径可将热化学中间体转化为更高价值的燃料和化学品，同时提高碳利用效率。此类混合方法的例子包括气化与合成气发酵耦合、热解与厌氧消化整合，以及水热加工后接微生物转化（Hidalgo et al., 2025）。这些整合途径有潜力创造协同的废物生物精炼系统，能够在减少环境影响的同时最大化能源回收。尽管混合热化学-生物化学系统的研究兴趣日益增加，但仍存在若干技术和科学挑战。热化学转化过程频繁产生可能抑制下游生物系统中微生物活性的副产物，包括酚类化合物、氨、焦油和含硫物种（Tanger et al., 2013）。此外，热化学过程与生物过程之间在操作条件、停留时间和反应器配置上的显著差异，使它们在工业规模的整合变得复杂（Okolie et al., 2022）。过程兼容性、产品纯化以及微生物产品转化为热化学中间体仍然是开发高效混合系统的关键挑战。当前文献中另一个重要局限是缺乏同时考虑整合热化学-生物化学转化系统的技术、环境和经济方面的综合评估。

大多数现有综述专注于单项技术，强调独立过程的操作条件和产品产率，而关于整合系统的有限综述主要描述可能的过程配置，而非对其性能进行批判性评估（Begum et al., 2024, Durán-Valle and López-Coca, 2024, Sikarwar et al., 2021）。因此，它们对为何某些整合途径优于其他途径提供了有限的见解，因为系统级性能无法仅从单个过程步骤的效率推断。因此，本综述将MSW增值视为基于碳级联的系统设计问题，即废物中的每种碳被送往最适合其转化的过程。从这一视角看，整体性能由过程间的相互作用决定，而非任何单个单元操作的优化。由此得出三个重要原则。首先，有效的MSW增值取决于废物组分与适当转化途径的匹配，因此过程整合应遵循碳流而非预定序列。其次，中间物流的质量而非单个过程的产率决定整合系统的成功。第三，整合的环境和经济利益只有在热、碳和残余物料流在过程单元间有效共享时才能实现。基于这些原则，本综述在统一框架内整合了混合MSW增值系统的技术、环境和技术经济证据，并确定了阻碍其从实验室研究向工业部署过渡的关键空白。

**方法论**

对2000年至2026年4月期间Web of Science收录的出版物进行了系统文献检索。检索词将工艺特异性关键词，包括热解、气化、水热碳化、水热液化、厌氧消化和合成气发酵，与城市固体废物及性能相关术语，如过程效率、温室气体排放、技术经济分析和生命周期评估相结合。应用引文滚雪球法

**MSW组成与变化性**

MSW组成及其固有变异性是制定全球可持续废物管理策略的关键因素（Sharma & Jain, 2020）。MSW的异质性受社会经济条件、城市化、工业发展甚至季节性变化等复杂相互作用的影响。MSW通常由40–60%的有机组分（厨余垃圾25–35%，庭院废物5–15%）、15–30%的纸和纸板、10–20%的塑料、5–10%的玻璃、3–8%的金属、2–5%的纺织品以及5–15%的其他成分组成。

**热解**

热解是一种热化学过程，在缺氧环境中通过热分解MSW的有机组分，温度通常在300至800°C之间，产生三种主要产物：合成气（H?、CO、CH?，20–50 vol%）、热解油（焦油、酚类、酸类，30–60 wt%）和焦炭（固体碳残渣，10–30 wt%）（Razzak et al., 2024）。该过程经历干燥（<200°C）、脱挥发分（200-500°C，产生初级焦油）和二次裂解（>500°C，产生合成气。

**合成气发酵**

合成气发酵是一种生物化学过程，利用产乙酸菌如Clostridium ljungdahlii、C. carboxidivorans或Alcaligenes eutrophus，通过Wood-Ljungdahl途径，在温和条件下（30-40°C，1–2 bar，pH 4.5–6.5）连续生物反应器中将主要来源于MSW气化、钢厂尾气或生物质热解的合成气（主要为CO、H?和CO?）微生物转化为生物燃料（乙醇、丁醇）和生物化学品（乙酸、2,3-丁二醇）（Galani et

**为何混合热化学-生物化学路径对MSW增值有意义**

MSW在组成、水分含量和可生物降解性方面固有地呈异质性，这限制了任何单一转化路线的有效性（Zhou et al., 2014）。如图3所示，MSW通常同时含有湿润、易生物降解的组分和干燥、富碳或难降解的组分。这种异质性在原料特性与过程适用性之间造成了根本性的错配：生物化学路线更适合处理湿润的可生物降解有机物，而

**环境分析**

将热化学和生物化学过程整合通常被认为对环境有益，但支持这一说法的证据不如该说法出现的频率所暗示的那么强。大多数生命周期评估仅评估单一转化路线，因此归因于整合的效益通常是通过比较具有不同原料、系统边界和分配选择的研究推断出来的，而非与匹配的基准进行对比（Okolie et al., 2022）。数量有限的

**微生物抑制与污染物耐受性**

生物质气化的大规模应用仍然是一项主要挑战。虽然气化在基于煤炭的系统中已很成熟，但其在生物质方面的应用仍然有限。尽管取得了近期进展，来自生物质的合成气可靠大规模生产尚未完全得到证实（Kirkels & Verbong, 2011）。一个关键难点是维持一致且洁净的气流（Jin et al., 2018），因为带入下游微生物步骤的污染物

**过程整合与系统工程**

整合热化学-生物化学系统通过实现协同和互补操作，在增强MSW增值方面具有巨大潜力。例如，热解可以生成合成气，作为厌氧过程（如生物甲烷化或乙醇发酵）的原料，而产生的热量和生物炭可以回流至生物化学系统中以提高整体效率（Sarwar et al., 2026）。另一种有前景的方法涉及水热液化（HTL）的整合与

**展望：研究空白与优先事项**

尽管此处综述的单个热化学和生物化学技术日益完善，但它们用于MSW增值的整合仍处于早期阶段。当前进展现在更多地取决于填补一系列定义明确的系统级空白，而非发明新的单元过程。基于本综述的结果，我们概述了五个我们认为对于将该领域从碎片化的概念验证研究推向可部署的整合最为关键的优先事项。

**结论**

本综述确立了MSW增值最好被理解为系统设计问题，而非寻找单一最优技术，并有三项发现支持这一点。首先，没有任何单一路线能够转化MSW的全部光谱：热化学过程适合干燥、难降解的组分，生物化学过程适合易生物降解的有机物，使原料分配成为核心设计决策。因此，耦合方向应遵循碳流，反向

**CRediT作者贡献声明**

Lujinyang Lu：起草原稿、可视化、调查、形式分析。Ghulam Tariq：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、数据整理。Suthajini Thiruketheeswaranathan：撰写——审阅与编辑、数据整理。Shakil Ahmed Jiskani：撰写——审阅与编辑、数据整理。Arun K. Vuppaladadiyam：撰写——审阅与编辑、验证。Wei-Shan Chen：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、形式分析。Strik P.B.T.B. David：。Ming Zhao：

**未引用参考文献**

Marulanda等人，2019；Sponza和?ztekin，2023。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52270126）和云南省科技厅（资助编号：202503AT100009）的支持。

Lujinyang Lu | Ghulam Tariq | Suthajini Thiruketheeswaranathan | Shakil Ahmed Jiskani | Arun K. Vuppaladadiyam | Wei-Shan Chen | Strik P.B.T.B. David | Ming Zhao