《Bioresource Technology》：Valorization of animal husbandry waste into slow-release phosphorus fertilizers through pyrolysis
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本研究通过热解将养殖场污泥转化为缓释磷肥，分析发现300℃和450℃处理时磷固持与生物有效性平衡最佳，并揭示铁磷比铝磷更利于磷释放。生命周期评估表明该处理显著降低富营养化和气候影响（50-89%）。
陆宇坤|沙木志|莫浩哲|郑月彤|罗伊·波斯马尼克|王倩
环境科学与工程系，广东理工学院-以色列理工学院，中国广东省汕头市大学路241号，邮编515063
摘要
集约化畜牧业在污水处理过程中会产生大量的农业污泥，这些污泥作为主要固体废物产生，而非传统的粪便。本研究通过热解技术将农业污泥转化为缓释磷（P）肥料。利用连续磷提取法和31P核磁共振技术研究了热解过程中磷的转化情况。结果表明，根据原料的金属成分和热解温度的不同，易分解的磷（如水溶性磷和有机磷酸盐）会转化为金属磷（如铝磷和钙磷）。为期三个月的土壤培养实验和盆栽实验表明，在相对较低的温度（300°C和450°C）下制备的生物炭在磷的保持能力和生物有效性之间表现出更好的平衡。农业污泥生物炭的矿物肥料当量随时间逐渐增加，例如三个月内从8%增加到17%。相关性分析和偏最小二乘路径模型分析表明，磷肥料的效率与水溶性磷、有机磷酸盐和铁磷呈正相关，而与铝磷呈负相关。这提示需要优化用于农业废水处理的金属盐种类，例如使用铁盐代替铝盐。生命周期评估显示，与直接施用于土地相比，将农业污泥热解为肥料可显著降低50–89%的富营养化风险和气候变化影响。
引言
磷（P）是农业生产中必不可少的营养物质，但几乎所有化学磷肥料都来源于不可再生的磷矿石，这些矿石可能在未来几个世纪内被耗尽（Jupp等人，2021年）。此外，平均而言，只有12.6%的化学磷肥料被植物吸收，而67.2%被土壤中的铁（Fe）和/或铝（Al）矿物固定，4.4%被淋溶（Luo等人，2024年）。固定的磷也会随着土壤径流而流失，从而导致周围水体的富营养化（Kacprzak等人，2023年）。因此，迫切需要通过将废物中的磷回收再利用到农业中，形成缓释肥料，从而实现循环经济的转型。
全球畜牧业经历了显著增长，这主要是由于对动物蛋白需求的增加。例如，集约化养猪业的年产量超过1.15亿吨（Kim等人，2023年），鹅的年消费量达到了720万吨，出口市场价值达1.316亿美元（Dumlu，2024年）。同时，青蛙贸易也在扩张，例如欧盟每年进口4070吨青蛙腿，市场价值为8140万欧元（Auliya等人，2023年）。大规模的畜牧业不可避免地会产生大量的农业废弃物，例如禽类粪便的年产量达到207亿吨，猪粪便的年产量约为17亿吨（Jurgutis等人，2020年；Zhang等人，2021年）。鉴于日益严格的环境法规，现场污水处理厂在畜牧业中的普及程度越来越高（Vaishnav等人，2023年）。这使得畜牧业的主要废物从粪便转变为农业污泥，因为现场污水处理厂处理的是粪便、尿液和洗涤水的混合物。农业污泥由于其高磷含量（例如，根据本研究，养猪场污泥中的磷含量为26毫克/克）而成为一种有吸引力的二次磷来源。与原始粪便不同，农业污泥通常含有较高水平的金属（铝和/或铁），这是因为在废水处理过程中经常使用金属盐（Zheng等人，2023年）。
直接施用于土地（或堆肥后）是农业污泥的常见再利用方式。然而，这可能会将病原体、有机污染物（如抗生素）甚至重金属（如饲料中添加的锌和铜）引入土壤系统，对人类健康构成风险（Qiao等人，2018b）。此外，农业污泥中的可溶性磷容易淋溶，导致富营养化（Qin等人，2020年）。热解是一种在缺氧条件下（250–700°C）对生物质进行热转化的方法，已被证明是将生物废物转化为基于生物炭的肥料的有效策略（Surendra等人，2022年）。随着有机物的分解，热解产生的生物炭碳含量高，体积和质量减少，但磷含量增加，从而便于后续的运输和储存。例如，600°C下从猪粪便中制备的生物炭总磷（TP）浓度高达79毫克/克，是原料（37毫克/克）的两倍多（Sun等人，2018年）。更重要的是，热解可以破坏病原体和有机污染物，甚至固定重金属，从而减轻与动物废弃物相关的环境风险（Su等人，2022年）。然而，以往的研究主要集中在动物粪便的热解以回收磷上，而农业污泥的热解研究较少，忽视了现代集约化畜牧业中主要固体废物已从粪便转变为农业污泥的事实。此外，与动物粪便不同，农业污泥含有高量的金属，这些金属来源于金属混凝剂（如聚铝氯化物（PAC））。目前尚不清楚这些金属（例如来自PAC的铝）如何影响热解过程中磷的转化及其生物有效性。这无疑限制了农业污泥的增值利用。
在本研究中，收集了来自鹅场（GS）、青蛙场（FS）和养猪场（PS）现场污水处理厂的农业污泥。同时还研究了猪粪便（PM）以进行对比。我们假设由此产生的生物炭可以作为缓释磷肥料，其磷肥料的效率与热解过程中磷形态的变化密切相关。为了验证这一假设，本研究旨在：（1）表征不同温度下热解过程中磷形态的变化；（2）研究所得生物炭的磷释放行为，以评估其作为缓释磷肥料的潜力；（3）分析磷形态与磷生物有效性之间的相关性，阐明影响肥料效率的机制。这些发现可以为设计具有所需缓释磷肥料性能的农业污泥生物炭提供有价值的见解，推动循环磷经济的发展，并减少磷淋溶带来的富营养化风险。
章节片段
生物废物收集和生物炭生产
所有生物废物均来自当地的畜牧业农场。GS和PS分别来自一家狮头鹅场和一家养猪场的现场污水处理厂的活性污泥。PM来自同一家养猪场。FS则来自一家青蛙场现场污水处理厂混凝后的沉淀池。所有污水处理厂均使用PAC进行混凝（图S1）。
生物废物在105°C下干燥（约30分钟），然后在65°C下干燥至恒重，之后进行球磨并筛分。
热解过程中物理化学性质的变化
图1a显示，畜禽污泥的总磷（TP）浓度远高于水产污泥，即GS和PS中的TP浓度为15.1–26.2毫克/克，而FS中的TP浓度为7.8毫克/克（表S3）。同时，农业污泥的TP含量也高于相应的粪便，即PS中的TP浓度为26.2毫克/克，PM中的TP浓度为5.2毫克/克，这很可能是由于废水处理过程中化学和生物方法去除磷所致。农业污泥中检测到高含量的铝（38.8–73.5毫克/克）。
环境影响
如今，集约化畜牧业产生的主要是污泥（来自农业废水处理），而非原始粪便。传统的处理方法（如直接施用于土地或堆肥）可能导致磷的淋溶以及病原体和有机污染物的进入生态系统。将农业污泥转化为缓释磷肥料有助于解决废物管理和全球磷危机问题。本研究表明，热解技术可以有效
结论
本研究证明，热解技术能有效将畜牧业废弃物转化为缓释磷肥料，通过将易分解的磷转化为更稳定的金属磷形态，从而降低淋溶风险。在300°C和450°C下制备的生物炭在磷的保持能力和生物有效性之间取得了平衡，而在600°C下热解则导致磷更多地以钙磷形式固定，从而限制了磷肥料的效率。铁磷的生物有效性高于铝磷。
作者贡献声明
陆宇坤：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，软件应用，实验设计，数据管理。沙木志：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，实验设计。莫浩哲：撰写 – 审稿与编辑，实验设计。郑月彤：撰写 – 审稿与编辑，实验设计。罗伊·波斯马尼克：撰写 – 审稿与编辑，验证，实验指导。王倩：撰写 – 审稿与编辑，验证，实验指导，资源协调，项目管理，方法学研究，资金申请，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515110049）、广东省普通高校特色创新项目（2024KTSCX161）以及2025年汕头市科学技术局中央政府地方科技发展专项资金（STKJ2025116）的支持。感谢畜牧业和禽类养殖场工作人员在样品收集方面的协助。
