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在“双碳”战略和农业绿色发展的背景下，畜禽养殖废弃物的处理与资源化利用成为农业领域的重要课题。我国畜禽粪污年产量超过38亿吨，其中粪水部分因含水率高、组分复杂，常规处理工艺难以兼顾减排和资源化，导致氮、磷流失严重，不仅造成资源浪费，还加剧了农业面源污染和水体富营养化。

近年来，水热炭化（Hydrothermal Carbonization, HTC）技术因能够直接处理高含水率原料、促进有机质转化与养分固持，逐渐成为畜禽废弃物资源化利用的重要方向。围绕该技术，科研团队在工艺优化、产品创制、田间示范和产业化应用方面取得了一系列扎实进展。

一、技术工艺优化：提高磷回收与碳固持能力

核心数据与发现：

• 在200 ℃、pH 9–11、Ca/Fe协同条件下，固相总磷（TPS）回收率达到80%以上，明显优于传统化学沉淀（40–60%）和厌氧消化（20–40%）。

• 产物水热炭的R50值超过370 ℃，固定碳含量提升至40–46%，长期碳固持性能显著。

• 水热炭化过程中CO₂释放率低于5%，甲烷和一氧化二氮等温室气体排放显著减少。

• 施用水热炭可提升土壤电导率（EC）16–44%，改善养分供应能力，促进土壤肥力恢复。

• 这一系列成果表明，水热炭化不仅是废弃物处理工艺，更是“减排+养分回收+碳固持”的综合解决方案。

二、产品创制：固液并进，打造绿色肥料体系

在产品开发方面，形成了固液双路径：

1.固体产物（水热炭）

• 作为有机–无机复合肥和土壤调理剂，可同时提供速效与缓释养分。

• 田间试验表明：在施用比例为2–4%的条件下，水热炭显著促进了生菜、玉米和小麦的生长，植株生物量提升15–25%。

• 长期施用有助于提高土壤有机质和碳储量，减少对化肥依赖。

2.液体产物（液态肥料）

• 通过超细化处理后，可开发为有机液体水溶肥，适用于滴灌和叶面喷施。

• 与镁铵磷、腐殖酸等复配后，可形成高附加值的新型肥料和土壤改良剂。

• 初步应用结果显示，施用液体肥的作物氮、磷利用率提升10–15%。

三、田间应用：从中试到大田示范

在实验室和中试基础上，团队研发出500 L/d规模的序批式水热炭化装置，并在河北石家庄晋州建立了示范点。田间核心示范区建设情况：

• 面积：100亩，轮作制度为小麦—玉米。

• 处理方式：部分田块施用水热炭部分替代化肥，部分田块施用液体肥料。

• 监测指标：土壤有机质、速效养分、氨挥发、温室气体排放、作物产量。

主要数据成果：

• 土壤有机质含量提升12–18%；

• 可利用磷含量提升25–30%；

• 氨挥发量降低35%以上，甲烷排放减少40%以上；

• 小麦和玉米产量较对照地块分别提高12%和15%；

  

• 化肥施用量减少20–30%，节约了农户投入成本。

通过田间实证，证明了水热炭化产品不仅具有实验室性能，更能在实际农业生产中实现减排与增效双赢。

四、技术集成：全链条闭环管理

在实际应用中，形成了“源头减排—过程优化—农田利用”的全链条集成模式：

1.源头控制：在粪水进入水体前进行水热炭化，减少氮磷随径流流失。

2.过程优化：通过固液分离及添加剂调控，实现养分固定与转化。

3.农田循环：产出的固体和液体肥料返回农田，替代部分化肥，形成闭环农业模式。

4.温室气体控制：监测结果表明，在粪水储存及还田环节，水热炭化处理可降低温室气体排放总量30–40%。

这种模式不仅解决了废弃物处理问题，还促进了“农业减排—资源利用—粮食增产”的有机统一。

五、成果与推广：科研转化显成效

目前已取得多方面成果：

• 专利：申请/授权发明专利多项，其中包括《一种养殖废水资源化利用过程中减排温室气体的方法》（申请号：202510394433.8）。

• 论文：在Biochar、Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials等国际权威期刊发表多篇论文。

• 推广：在河北晋州示范点基础上，正计划向华北、华东地区的养殖密集区推广。

此外，团队在多次国内外学术会议上汇报了研究成果，并在主流科研公众号发表推广文章，提高了社会和产业界的关注度。

六、应用前景：农业绿色发展的重要抓手

综合来看，水热炭化工艺优化及产品应用为畜禽粪水治理提供了切实可行的解决方案：

• 缓解资源紧缺：通过≥80%的磷回收率，有效缓解我国磷矿依赖进口的问题。

• 推动减排目标：通过碳固持和温室气体减排，为农业实现“双碳”目标提供技术支撑。

• 提高农业效益：在减少化肥依赖的同时，提升作物产量和品质，助力农业增效。

• 模式可推广：适用于大中型养殖场及农业面源污染治理工程，具备良好的产业化和市场前景。

随着装置规模化与工艺优化的持续推进，该技术有望在全国范围内复制推广，构建“废弃物处理—资源回收—农田利用”的循环农业模式，成为推动农业绿色低碳转型的重要引擎。

从废弃物到绿色资源，从污染源到增产动力，水热炭化技术正以扎实的应用成效，为我国农业的可持续发展注入新的动能。