综述：生物炭在有机废物厌氧消化和好氧堆肥中的作用：现状与展望

《Environmental Research》：Roles of biochar in anaerobic digestion and aerobic composting of organic wastes: status and perspectives

生物炭在整合厌氧消化-好氧堆肥（In-ADAC）系统中的跨阶段功能与协同效应研究。摘要：该综述系统分析了生物炭在In-ADAC系统中对厌氧消化（AD）和好氧堆肥（AC）两阶段的协同作用，揭示其在AD阶段通过微生物固定、抑制吸附、缓冲及电子传递增强甲烷产率与稳定性，在AC阶段通过孔隙调控、微生物群落优化实现氮素保留与温室气体减排。提出将生物炭视为可循环材料构建系统边界技术经济框架，其成本可通过提升AD产气量、减少氨氮排放、改善堆肥质量等累积效益抵消。研究指出生物炭跨阶段功能演变机制、最优掺量及地域适应性仍需深入探索。

　　

李晓星|王婷婷|孙兆勇|唐月琴

四川大学建筑与环境学院，中国四川成都610065

摘要

集成厌氧消化-好氧堆肥（In-ADAC）技术被越来越多地采用，以同时从有机固体废物（OSW）中回收能源，并通过养分循环稳定消化产物。虽然生物炭作为添加剂在厌氧消化（AD）或好氧堆肥（AC）中的应用已得到广泛研究，但当生物炭与消化产物一起连续转移至后续的好氧堆肥过程中时，其作用机制尚未得到充分探讨。关于生物炭在各个处理阶段的的行为、性质变化及其整体价值等方面的研究仍然较为零散。本文对生物炭在In-ADAC系统中的应用进行了系统分析，首先比较了生物炭在AD和AC中的功能机制，然后介绍了顺序使用生物炭的概念及其在不同阶段的效应。分析还探讨了生物炭如何通过与底物和微生物的相互作用在AD过程中被活化，以及这些变化如何影响其在后续AC中的性能。基于此分析，我们提出了一个将生物炭视为可重复使用材料的系统边界技术经济框架。其成本可以通过多种效益来抵消，包括提高AD过程中的甲烷产量和过程稳定性、减少NH₃、N₂O和CH₄的排放、降低AC过程中的氮损失，以及生产更高价值的土壤改良剂。经济可行性主要受生物炭用量、本地采购或生产成本以及避免的消化物管理费用的影响。最后，本文指出了关键的知识空白和未来研究方向，以优化生物炭在In-ADAC系统中的环境和经济效益。

引言

全球每年产生大量来自市政、农业和工业来源的有机固体废物（OSW）。世界银行报告预测，到2025年全球市政固体废物将达到22亿吨（Chatterjee & Mazumder, 2019），到2050年将增加到34亿吨（Zbair et al., 2024），其中食物废物、园林废弃物和粪便等有机物质占50-60%。农业每年也产生约50亿吨的废弃物（Chen et al., 2020a）。不当的废物处理会导致污染，并贡献了约5%的全球温室气体（GHG）排放（Gautam & Agrawal, 2021）。这凸显了可持续管理有机固体废物的紧迫性。

厌氧消化（AD）是一种将OSW转化为可再生沼气和高营养价值消化产物的关键技术。该过程利用微生物群在无氧环境中通过水解、发酵和甲烷生成作用分解有机物。特别是高固体含量的AD工艺（总固体含量≥15%，而传统低固体AD工艺低于10%）（Qi et al., 2022），对于处理OSW具有显著优势，如更少的水耗、更小的反应器及更高的有机负荷率，以及更简单的反应器设计（如插流式或车库型消化器）（Akinbomi et al., 2022）。这些优势降低了能量和混合需求，可能提高沼气产量。然而，过程不稳定性和低沼气产量限制了其实际应用（Zhang et al., 2023b）。主要抑制因素包括挥发性脂肪酸（VFAs）积累、氨抑制、重金属/轻金属污染、卤代烷烃/芳香族化合物以及硫化物释放（Singhal et al., 2023）。这些因素会干扰有机物的完全转化，导致消化产物中残留铵盐、病原体和难降解有机物。因此，AD消化产物通常不适合直接用作肥料。未经处理的消化产物可能带来环境风险，需要进一步处理才能安全利用。

与AD相比，好氧堆肥（AC）利用好氧微生物和充足的氧气将OSW分解为CO₂和稳定的腐殖质（HS）。在AC过程中，OSW与膨松剂（如秸秆和木屑）混合以调节湿度和孔隙度，然后通过主动通气支持好氧微生物分解有机物、消除病原体并稳定材料（Xu et al., 2020）。最终产品是一种稳定且富含养分的改良剂，可直接用于土壤。总体而言，AC是一种成熟的技术，能显著减少废物体积并生产有价值的产品。此外，它还能解决AD的一个关键问题：需要进一步稳定和消毒消化产物。近年来，消化产物堆肥作为有效的后处理方法受到越来越多的关注，从而推动了集成AD-AC工艺（In-ADAC）的发展。通过将AD消化产物进行二次好氧处理，可以进一步分解剩余有机物、减轻异味并消除病原体，最终获得适合土壤应用的稳定腐殖质。

顺序结合AD和AC可以发挥两种工艺的优势，同时弥补各自的局限性。在In-ADAC过程中，OSW首先进行厌氧处理以捕获部分碳作为沼气能源，然后对剩余的AD消化产物进行好氧堆肥以实现完全稳定和养分循环。这种两阶段处理最大化了资源回收，减少了异味，并降低了OSW管理的整体碳足迹。最新研究表明，In-ADAC工艺在能源和养分回收方面的综合效率高于单独使用任一工艺（Li et al., 2020; Qi et al., 2024a; Xu et al., 2021）。尽管有这些优势，In-ADAC仍面临过程不稳定性和AD单元沼气产量低、氨排放问题、好氧单元的热适应期短以及通气困难等问题（Rincón et al., 2019）。需要通过工艺优化来解决这些问题并确保整体效益。外源性添加剂可能是有效解决方案（Qi et al., 2022）。

生物炭作为一种低成本的生物质热解产物，具有碱性、多孔性、导电性（EC）、较大的比表面积（SSA）和多功能基团。研究表明，在AD/AC系统中添加生物炭可以提高过程稳定性、促进甲烷生成、减少温室气体排放并改善堆肥质量（Chen et al., 2020b; Luz et al., 2018; Wang et al., 2020）。在AD中，生物炭支持微生物定植，吸附抑制性化合物，并促进种间电子转移（DIET/MIET），从而加速甲烷生成（Zbair et al., 2024; Gahlot et al., 2020; Martins et al., 2018）。在AC中，生物炭改善了通气性和保水性，改变了微生物动态，减少了N₂O、NH₃和CH₄的排放，并促进了稳定产品的形成（Nguyen et al., 2022; Geng et al., 2024; Manu et al., 2021; Zhao et al., 2020; Manu et al., 2021; Nguyen et al., 2022）。鉴于这些多方面的益处，生物炭被视为提高In-ADAC效率和可持续性的有前景的添加剂，有望解决关键操作挑战并降低成本。

目前的相关综述主要集中在生物炭在单一流程（AD或AC）中的应用（表1）。尽管现有研究讨论了In-ADAC中的能源-养分协同回收、可持续性或规模扩大问题，但缺乏关于生物炭在In-ADAC中跨阶段行为的系统研究。例如，AD过程中“老化”的生物炭是否仍能保持或改变其功能，并在后续AC中重新使用。此外，还需要探讨生物炭从AD到AC的过程中性质的变化（如表面化学、孔隙占据、矿物/养分负荷、氧化还原活性、微生物定植等）。因此，本综述旨在：（1）总结和比较生物炭在AD和AC中的功能机制；（2）介绍从AD到AC的顺序使用生物炭的概念；（3）分析顺序使用生物炭的可行性、潜在风险和可持续性，以支持其在In-ADAC中的工程应用。据我们所知，这是首次系统评估生物炭在In-ADAC中的作用，并探讨厌氧和好氧废物处理过程中的连续机制，为使用生物炭的可持续废物管理策略提供见解。

节选内容

生物炭的生产

生物炭通常通过限氧热解多种原料（如木屑、农作物残余物、粪便、污泥等）生产，是一种多用途的废物增值产品（图1）。一些关键参数，如原料类型、温度、加热速率、停留时间和改性剂（如KOH、H₃PO₄、MgCl₂和Fe₃O₄等），会显著影响生物炭的产量和性质（表S1）。

首先，原料类型会影响生物炭的性质

生物炭在AD中的功能机制

生物炭作为添加剂在AD中的应用已被广泛研究（表2），显示出在各种代表性原料（如食物废物、粪便、污泥等）中可提高消化器性能、稳定性和沼气产量。其在AD中的有益效果归因于微生物固定和富集、抑制吸附、增强种间电子转移（DIET）以及改善的沼气质量。

生物炭在AD和AC中的功能机制比较分析

生物炭在AD和AC中都是一种多功能改良剂，但操作环境差异很大。本节比较了生物炭在AD和AC中的作用机制，强调了相似性和差异。

In-ADAC系统中顺序使用生物炭的可行性分析

鉴于生物炭在AD或AC中的已知作用，一个关键问题是：经过AD处理后的生物炭在AC中是否仍然有效？具体来说，如果将生物炭添加到AD消化器中（以提高沼气产量并减轻抑制作用），然后对含有该生物炭的消化产物进行堆肥，它是否会在AC过程中继续发挥效益？此外，生物炭在AD和AC中的作用机制是连续的（作为添加剂）还是根本不同的？

经济可行性分析

在AD阶段添加生物炭，随后将其与消化产物一起转移到后续的AC中以持续发挥作用，这代表了一次性的采购或生产成本。这种成本可以通过In-ADAC系统中的多种效益来抵消：（1）提高AD过程中的操作稳定性和沼气产量；（2）减少AC过程中的氮损失和排放；（3）提高最终产品的质量和潜在的市场溢价。因此，经济分析应考虑这些因素

未来展望和研究机会

生物炭、厌氧消化和堆肥的结合为未来的研究和技术进步提供了有希望的方向。这里我们概述了几个关键的未来展望：（1）定制生物炭：通过选择合适的原料和优化制备条件，可以调整生物炭的性质（如导电性、比表面积、孔结构、粒径和pH值），以满足AD或AC阶段的具体要求。值得注意的是，使用厌氧消化产物作为原料可以提供额外的优势

结论

在In-ADAC中，生物炭作为一种跨阶段的功能剂，结合了能量捕获、排放控制和养分循环，超越了作为单一阶段添加剂的角色。在AD中，生物炭主要通过微生物固定、抑制吸附、缓冲和促进种间电子转移来增强甲烷生成，提高甲烷产量、速率和稳定性。在AC中，生物炭主要作为结构和生化调节剂，增加自由空气空间和湿度

CRediT作者贡献声明

孙兆勇：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。唐月琴：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。李晓星：撰写 – 原稿撰写，可视化，方法学设计。王婷婷：调查，数据分析，概念化

未引用的参考文献

Bhatt and Tao, 2020; Cucina, 2023; Firmino and Trémier, 2024; Jedynak and Charmas, 2024; Klüpfel et al., 2014; Xu and Xiong, 2025.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究由四川省自然科学基金资助（2024NSFSC0124）。