畜禽粪便全温区水热处理综述：机理、产物特性、影响因素及改进方法

《Biomass and Bioenergy》：Review on the full-temperature-range hydrothermal treatment of livestock manure: mechanism, product characteristics, influencing factors, and improvement methods

　　

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  畜禽粪便的水热处理可以是一种可持续的工艺。
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  在畜禽粪便水热处理过程中，水炭、生物原油和合成气的产率分别达到76.2%、64.47%和21.20 mmol/kg。
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  对水热处理过程的影响因素进行了全面评估。
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  详细总结了水热处理的改进方法。

引言

全球人口的快速增长、无序的城市化和快速的工业扩张导致了能源需求和化石燃料消耗持续增长。化石燃料的过度消费造成了环境污染，如全球变暖和空气污染。同时，化石燃料属于不可再生能源。能源危机和环境污染是可持续发展的两大关键问题。因此，开发清洁无污染的可再生能源已成为一项紧迫的优先任务。基于从摇篮到坟墓的全生命周期评估，燃煤发电的碳排放因子约为820–924 g CO₂eq/kWh，天然气发电为450–490 g CO₂eq/kWh。相比之下，通过水热处理畜禽粪便生产能源的全生命周期碳排放仅为20–150 g CO₂eq/kWh，且若计入传统粪便管理中甲烷排放的避免量，可实现净负排放[1]。其碳中和特性源于短期的生物碳循环：粪便中的碳源自植物生长过程中固定的大气CO₂，燃烧过程中释放的生物源CO₂不会增加大气中的净碳储量。因此，生物质能以其碳中和特性、高可得性和低成本而著称，约占全球一次能源的14%[2]。近年来，畜禽粪便产量的不断增加导致了多种环境问题，如水和空气污染、温室气体排放、重金属污染以及病原体传播[3]。另一方面，畜禽粪便是一种重要的第二代生物质资源，主要由木质纤维素、蛋白质、脂肪和无机灰分组成。它被广泛认为是废物资源化技术的一个极具前景的候选方案，为解决环境污染和能源短缺提供了途径。畜禽粪便资源回收的主要方法包括热解、水热处理和生物发酵技术[4]。尽管水热处理面临高压操作和高固含量浆料泵送等技术挑战，但与热解相比具有优势：不需要对原料进行预干燥或使用惰性载气，传热效率高，几乎不产生粉尘，炉壁结焦和堵塞风险低，从而降低了设备维护的复杂性。研究表明，水热处理在经济上有利于畜禽粪便的处理[5]。同时，高压和浆料泵送的挑战可通过柱塞泵、连续流反应器和系统集成得到有效缓解。

温度是水热处理最重要的影响因素。根据温度，水热处理可分为水热碳化、水热液化和水热气化，或超临界水气化。水热碳化的温度低于250 °C，目标产品为水炭。水热液化的温度范围为250 °C至374 °C，目标产品为生物原油。热气化的温度超过374 °C，目标产品为合成气。在热气化条件下，如果压力超过22.1 MPa，则水热气化转变为超临界水气化。水炭具有丰富的官能团、高碳含量和高高位热值。Lang和Liu[6]报道，由牛粪生产的水炭碳含量为47.57%，高位热值为20.83 MJ/kg，其能量密度与褐煤相当。生物原油具有较高的热值和较低的含水量及含氧量。Xiu和Shahbazi[7]报道，水热液化可生产24.2 wt%的生物原油，其中高位热值可达36.05 MJ/kg，碳含量可达72.58%。合成气含有较高浓度的H₂和CH₄，以及较低浓度的污染物如NO_x、SO_x和多环芳烃。马粪来源的合成气包含2.54 mmol/g H₂、0.71 mmol/g CO、2.02 mmol/g CH₄和4.23 mmol/g CO₂，其低位热值为1344 KJ/Nm³[8]。目前，大多数综述文章聚焦于畜禽粪便的生物转化。Chen和Li[9]对畜禽粪便堆肥还田导致的重金属和抗生素污染的来源、迁移、归宿、风险评估及风险缓解进行了全面综述。Zhao和Yin[10]进行了文献综述，研究了畜禽粪便堆肥过程中抗微生物耐药基因的演变。Chen和Azman[11]综合考察了厌氧消化过程中畜禽粪便的碱水解。仅有少数文章综述了畜禽粪便的热化学转化过程。Wang和Zhang[12]评估了畜禽粪便的水热液化。Su和Ong[13]总结了通过热解技术从畜禽粪便中回收生物燃料的过程。与大多数现有综述分别描述水热碳化、水热液化或水热气化/超临界水气化不同，本综述以温度作为连续变量，建立了全温度范围的水热处理框架，将水热碳化、水热液化和水热气化/超临界水气化联系起来，系统分析了整个温度范围内畜禽粪便的反应演变、产物调控和技术瓶颈，弥补了以往综述多孤立讨论单一水热过程而缺乏跨温度连续比较的知识空白。

为了解决畜禽粪便管理方面的紧迫问题并克服传统处理技术的局限性，本研究对全温度范围下畜禽粪便的水热处理进行了全面综述。本综述首先总结了粪便特性和水热处理基本原理，然后讨论了温度依赖的转化机理、影响因素、产物调控、强化策略和未来挑战。本综述为畜禽粪便的可持续管理和科学处理奠定了基础。

章节片段

畜禽粪便的分类与特性

畜禽粪便的处理和处置已成为一个严重的全球性问题。畜禽粪便主要包括牛粪、猪粪、鸡粪、马粪、羊粪和兔粪。根据联合国粮食及农业组织的统计数据，2022年全球畜禽粪便排放量达到9.26 × 10⁹吨[14]。其中，猪粪占5.61%，羊粪占13.24%，牛粪占49.21%，

畜禽粪便的水热处理

反应温度是影响畜禽粪便水热处理的最关键参数之一。它可以显著影响反应过程，甚至决定能源成本。温度还影响水热处理的目标产物。研究表明，当温度低于250 °C时，产物主要为水炭；当温度超过250 °C但低于374 °C时，产物主要为生物原油；随着温度继续升高，产物

畜禽粪便水热处理的工艺强化

如上所述，水热处理可有效处理畜禽粪便并生产水炭、生物原油和合成气等高附加值产品。然而，该工艺在产率和产品质量以及能源消耗方面仍存在局限性。因此，人们提出了多种策略来克服这些挑战，如催化剂、机器学习模型、两阶段水热工艺、工艺水回收、溶剂、微波辅助、共水热处理以及改进的

挑战与展望

总之，水热处理是一种有效处理畜禽粪便并将其转化为水炭、生物原油和合成气等有价值产品的方法。然而，水热处理的大规模应用仍受到某些问题的制约。主要挑战与能源消耗、工艺成本、产品质量和产率有关。为了进一步推进畜禽粪便的水热处理工艺，以下对现有挑战和未来研究方向进行了详细说明。

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结论

水热处理是一种极具前景的方法，可将各种畜禽粪便转化为有价值的产品。与其他处理方法相比，水热处理具有高性价比、环境友好、产品产率高以及无需干燥等优点。畜禽粪便的不同组分具有不同的水热转化路径，这些组分在水热处理过程中相互影响，例如蛋白质与碳水化合物之间的Maillard反应。

作者贡献声明

Tianqi Kong：构思。Aimin Li：构思。Siqi Jiang：构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Tianqi Kong|Aimin Li|Siqi Jiang