综述：来自热液碳化过程的废水：在循环生物经济中，从废弃物转化为液态肥料和土壤改良剂

《Biochar》：Process water from hydrothermal carbonization: from waste to liquid fertilizer and soil health amendment in circular bioeconomy

　　摘要
水热碳化（HTC）将湿生物质或干生物质转化为水碳（hydrochar），同时产生一种富含营养的工艺水，以下简称HTC-PW，这种工艺水常常被忽视为废物。本文综述了目前关于HTC-PW组成的知识，包括其多样的pH值（3.5–9.2）、高有机含量（总有机碳TOC为4,000–31,700毫克/升）以及氮（NH??–N，最高可达4,400毫克/升）和钾（5,870–6,330毫克/升）等营养成分，这些成分来源于污水污泥和食品废弃物等原料。通过控制温度和停留时间等工艺参数，可以调整HTC-PW的特性，使其适用于农业用途，从而实现元素在固液相之间的更有效分配。HTC-PW的利用途径包括直接施肥、与沼气浆液混合使用，以及经过处理后的回收利用，例如通过鸟粪石沉淀可获得92–99%的磷和43–88%的氮。性能指标显示，在水稻等作物上，HTC-PW的应用能使产量提高6.7–29.2%，养分利用效率提升15–30%，同时微生物群落也会发生变化，有利于更好地循环利用养分。除了作为肥料外，HTC-PW的增值途径还包括厌氧消化产生沼气（每克化学需氧量COD可产生250–350毫升甲烷，去除率可达70–85%）和催化重整生成氢气（H?）。然而，也存在一些风险，如盐度过高（电导率EC为5–24毫西门子/厘米）以及氮氧化物（N?O）排放受环境因素影响（在高NH??负荷下会抑制其产生）。因此需要进行生物测定并遵守相关法规。技术经济分析和生命周期评估表明，HTC-PW在不同应用场景下具有潜在效益，例如通过避免废水处理即可节省成本，在替代矿物肥料的情况下可减少20–50%的全球变暖潜力。尽管现有长期试验和可扩展性方面存在不足，但未来的研究方向将侧重于利用机器学习对HTC-PW的性质和应用进行预测优化。总体而言，现有证据支持HTC-PW主要作为一种富含营养的液态改良剂（类似肥料的输入物），能够改变土壤中有机质（DOM）和微生物过程；然而，关于其对土壤物理结构持续改善的直接证据仍有限，未来需要在田间试验中进行针对性的测量。

图解摘要
水热碳化（HTC）将湿生物质或干生物质转化为水碳（hydrochar），同时产生一种富含营养的工艺水（HTC-PW），这种工艺水常常被忽视为废物。本文综述了目前关于HTC-PW组成的知识，包括其多样的pH值（3.5–9.2）、高有机含量（总有机碳TOC为4,000–31,700毫克/升）以及氮（NH??–N，最高可达4,400毫克/升）和钾（5,870–6,330毫克/升）等营养成分，这些成分来源于污水污泥和食品废弃物等原料。通过控制温度和停留时间等工艺参数，可以调整HTC-PW的特性，使其适用于农业用途，从而实现元素在固液相之间的更有效分配。HTC-PW的利用途径包括直接施肥、与沼气浆液混合使用，以及经过处理后的回收利用，例如通过鸟粪石沉淀可获得92–99%的磷和43–88%的氮。性能指标显示，在水稻等作物上，HTC-PW的应用能使产量提高6.7–29.2%，养分利用效率提升15–30%，同时微生物群落也会发生变化，有利于更好地循环利用养分。除了作为肥料外，HTC-PW的增值途径还包括厌氧消化产生沼气（每克化学需氧量COD可产生250–350毫升甲烷，去除率可达70–85%）和催化重整生成氢气（H?）。然而，也存在一些风险，如盐度过高（电导率EC为5–24毫西门子/厘米）以及氮氧化物（N?O）排放受环境因素影响（在高NH??负荷下会抑制其产生）。因此需要进行生物测定并遵守相关法规。技术经济分析和生命周期评估表明，HTC-PW在不同应用场景下具有潜在效益，例如通过避免废水处理即可节省成本，在替代矿物肥料的情况下可减少20–50%的全球变暖潜力。尽管现有长期试验和可扩展性方面存在不足，但未来的研究方向将侧重于利用机器学习对HTC-PW的性质和应用进行预测优化。总体而言，现有证据支持HTC-PW主要作为一种富含营养的液态改良剂（类似肥料的输入物），能够改变土壤中有机质（DOM）和微生物过程；然而，关于其对土壤物理结构持续改善的直接证据仍有限，未来需要在田间试验中进行针对性的测量。

1 引言
水热碳化（HTC）是一种新兴的热化学工艺，它模拟自然煤化过程，将湿生物质和有机废弃物转化为富含碳的固体（水碳）（Berge等人，2011年；Li等人，2023b年；Yu等人，2024年）。在HTC过程中，水-生物质浆液（通常质量比为5–10:1）在自生压力下被加热到180–280°C，持续时间为0.25–2小时。这促进了水解、脱水和脱羧等反应（Chu等人，2020a年，2021b年；Ischia等人，2025年）。这些反应使高分子分解成较小的分子，其中一些重新聚合形成疏水性、高能量的水碳，并释放出大量工艺水（HTC-PW）。本文所提到的HTC-PW是指反应后经过固液分离得到的水相液体。HTC-PW含有在反应过程中释放和转化的溶解态及悬浮态的有机物和无机物。由于整个过程中水都保持液态，HTC能够处理高水分含量的原料，如食品废弃物（Dhull等人，2024年；Periyavaram等人，2023年）、污水污泥（Chu等人，2020c年；Liu等人，2025年）和微藻（Chu等人，2020b年；2021a年），从而避免了干燥成本，使其适用于分散式废物管理和循环生物经济应用。

尽管水碳作为一种土壤改良剂（Lan等人，2025年；Yu等人，2019年）和吸附剂（Li等人，2021b年）受到了广泛关注，但它仅能将干原料中约30–70%的碳转化为水碳。其余部分则以可溶性有机物和矿物质的形式存在于HTC-PW中（Feng等人，2025b年；Meng等人，2025年；Nguyen等人，2023年）（图1）。历史上，HTC-PW被视为一种废物副产品，因为它含有有机酸、酚类物质、呋喃类化合物、营养物质和重金属（Czerwińska等人，2023年；González-Arias等人，2023年；Stemann等人，2013年）。因此，大多数研究和技术开发都集中在优化水碳的生产上，而HTC-PW的利用效率较低（图1）。

图1
水热碳化过程的示意图，重点展示了关键反应途径及水碳、HTC-PW和生物油的生成过程

最近的研究正在改变这种看法。HTC-PW现在被视为一种富含营养的液体，具有农业潜力。例如，Li等人（2025年）证明了HTC-PW可以在稻田中循环利用碳和氮（N），显著改善土壤中的溶解有机质（DOM）和氮的保留能力。堆肥试验表明，添加HTC-PW可以减少氨（NH3）和氧化亚氮（N2O）的排放，并加速土壤腐殖化过程（Feng等人，2025b年；Wang等人，2025年）。这种重新关注反映了研究和实践从线性废物处理向循环养分回收系统的转变——这是循环生物经济和可持续发展目标的重要组成部分，特别是在农业和环境保护领域。

HTC-PW的未被充分利用凸显了关于水碳和水碳-PW研究的文献空白。虽然有许多综述记录了水碳的生产、活化和应用（Dhull等人，2024年；Huang等人，2023年），但只有少数研究系统地分析了水相成分并探讨了其增值途径（Meng等人，2025年）。这种不平衡令人担忧，因为HTC-PW可能占总质量的70%，并且含有宝贵的养分和有机物（Nguyen等人，2023年）。将其视为废物违背了循环经济的原则，循环经济的核心是通过节约、重新使用和回收资源来闭合物质和能源环路（Corrochano等人，2025年）。循环生物经济框架建议将废物转化为其他过程的输入物，从而减少环境影响并创造经济价值。在HTC的背景下，这意味着需要设计集成系统，将HTC-PW作为富含营养的液态改良剂（类似肥料的输入物）或用于养分回收的原料（Li等人，2023a年，2025年；Xu等人，2026年），将水碳用作土壤改良剂或能源（Chu等人，2023年；Liu等人，2024年；Gievers等人，2025年；Li等人，2021c年），并将产生的少量气体捕获用于供热或发电（Guo等人，2024b年）。这种整合可以提高HTC的整体资源利用效率，减少外部肥料投入，并降低废水处理成本。

因此，本文重点讨论HTC-PW的组成、转化途径及其作为富含营养的液态改良剂在作物和土壤管理中的潜力。所选文献代表了关于HTC-PW的最相关和最新的同行评审研究，优先考虑报告（i）HTC-PW的组成（营养成分和主要的抑制性/毒性化合物）和/或（ii）转化、处理、回收或农业应用结果的研究。未直接关注HTC-PW或缺少HTC-PW相关数据的研究未被纳入。通过综合现有知识，我们旨在突出将这种被认为的废物转化为循环生物经济中有价值的资源的机会和挑战。解决这一空白对于实现水热碳化的全貌效益以及从“废物处理”思维转变为资源回收视角至关重要。

2 HTC-PW的组成
2.1 物理性质
HTC-PW具有由原料决定的独特物理化学性质（表1）。由于其含有来自水解和脱水反应的有机酸，大多数木质纤维素基HTC-PW的pH值通常呈酸性，范围为3.5至5.6（Colin等人，2025年；M?kel?等人，2018年；Stemann等人，2013年）。然而，在富含蛋白质的原料（如污水污泥或食品废弃物）中，由于NH3的释放和缓冲作用，pH值可能呈弱酸性至碱性（约5.5–9.2）（Langone和Basso，2020年；Periyavaram等人，2023年）。较高的HTC温度会增强酸度，因为会形成更多有机酸；而碱性添加剂（如CaO）可以使pH值升高至10.0（Aragón-Brice?o等人，2020年）。

表1 不同原料来源的HTC-PW典型组成

HTC-PW的颜色从黄色到深棕色或黑色不等，这取决于腐殖质、美拉德反应产生的 melanoidins 和酚类化合物（Guo等人，2025年；Ipiales等人，2024年）。较低的温度（180–220°C）通常会产生较深的颜色，而极端的条件（>300°C）则会使液体变浅，因为许多有机物会发生气化（Ender等人，2024年）。对于污泥基HTC-PW，由于悬浮固体存在，液体往往更加浑浊，循环使用会加剧因色素积累而导致的颜色加深（Xu等人，2020年）。由于含有溶解盐分，其电导率（5–24毫西门子/厘米）较高，并且随着盐分的积累而增加（Ipiales等人，2024年；Yan等人，2023年）。HTC-PW通常具有挥发性有机物的芳香气味和较低的粘度（含水量80–95%）（Nguyen等人，2023年）。

2.2 有机成分
有机成分在HTC-PW中占主导地位，占总固体物质的70–90%，既带来挑战也带来机遇。总有机碳（TOC）极高，达到4,000–31,700毫克/升，化学需氧量（COD）高达4,900–78,000毫克/升，生化需氧量（BOD）高达1,700–42,000毫克/升，表明其污染潜力较大，但生物降解性适中（COD/BOD比值约为2.0–2.7）（Aragón-Brice?o等人，2020年；Ender等人，2024年；M?kel?等人，2018年）。挥发性脂肪酸（VFAs），尤其是乙酸，其含量通常超过20,000毫克/升，约占总有机物的50%，这些脂肪酸主要来自碳水化合物的降解（Ipiales等人，2024年；Stemann等人，2013年；Xu等人，2020年）。木质纤维素基原料会产生呋喃类化合物（如糠醛、5-HMF）和酚类化合物，其浓度可达约1,200毫克/升（Becker等人，2014年；Ipiales等人，2024年；Nguyen等人，2023年）。相比之下，来自富含蛋白质的原料（如污水污泥或食品废弃物）的HTC-PW会通过美拉德反应产生更多的含氮有机物（如吡嗪、酰胺）（Aragón-Brice?o等人，2020年；Meng等人，2025年；Periyavaram等人，2023年）（表1）。其他有机物包括酚类化合物（290–800毫克/升来自木质素）、糖类（葡萄糖、果糖、木糖：在>200°C时含量减少）和芳香中间体（如苯、吡嗪、酮类）（Aragón-Brice?o等人，2020年；Ender等人，2024年；Meng等人，2025年）。在杨木或园艺废弃物等木质纤维素基原料中，呋喃和糖类在190–235°C时达到峰值，随后由于进一步反应而减少（Ender等人，2024年；Ipiales等人，2024年；Stemann等人，2013年）。富含蛋白质的原料（如污泥或大型藻类）通过美拉德反应会产生更多的吡嗪和氨基酸衍生物（Aragón-Brice?o等人，2020年；Shrestha等人，2021年；Wang等人，2019年）。许多这些有机物具有植物毒性，因此在农业应用前需要对其进行稀释或处理。

2.3 无机成分和营养物质
HTC-PW中也含有丰富的无机成分，这些成分赋予了其肥料潜力。总氮（TN）含量范围为100–9,300毫克/升，主要以铵离子（NH??–N，0.1–4,400毫克/升）的形式存在，来源于蛋白质的脱氨作用（M?kel?等人，2018年；Merzari等人，2019年；Nguyen等人，2023年；Stemann等人，2013年）。富含蛋白质的原料（如污水污泥和食品废弃物）产生的HTC-PW中总氮含量通常超过4,000毫克/升（Langone和Basso，2020年；Periyavaram等人，2023年），而木质材料（如园艺废弃物或农业废弃物）产生的HTC-PW中总氮含量低于500毫克/升（Becker等人，2014年；Ipiales等人，2024年）。总磷（TP）在HTC-PW中的浓度通常为940–2250毫克/升，主要以正磷酸盐的形式存在，占进料磷的2–55%；酸性条件可以增强磷的释放（Ender等人，2024年；Langone和Basso，2020年；Meng等人，2025年）。粪肥和污泥可以使HTC-PW中的TP浓度达到2000毫克/升（Boutaieb等人，2021年；Celletti等人，2021年；Heilmann等人，2014年），而木材或某些藻类产生的TP浓度则低于1000毫克/升（Shrestha等人，2021年；Wang等人，2019年）。钾（K）的溶解度很高，在源自粪肥的HTC-PW中可达到5870–6330毫克/升，其他大量营养元素如钙（Ca）的含量也高达5400毫克/升，镁（Mg）的含量则有所变化，这些元素都有助于植物生长（Celletti等人，2021年；Liu等人，2023年；Wang等人，2025年）（表1）。重金属（如Cr、Ni、Cu、Cd、Pb）约有1–30%会渗入HTC-PW中，其浓度会随温度升高而增加，但在温度超过260°C时，大多数金属会以硫化物或磷酸盐的形式沉淀在氢碳化物中（Langone和Basso，2020年；Meng等人，2025年；Nguyen等人，2023年）。阴离子如氯离子和硫酸根离子会增加盐度，尤其是在循环使用的过程中（Ipiales等人，2024年）。因此，HTC-PW具有丰富的营养成分，但在安全使用前必须监测其中的重金属污染物。

3 过程控制与性质调优：分配与循环动态
HTC过程中的参数对HTC-PW的组成有重要影响，可以“设计”其营养成分和有机物质的分布。通过调节反应温度、时间、固体负荷、pH值或添加剂以及HTC-PW的循环利用，操作人员可以优化营养物质向HTC-PW或氢碳化物的转移，并控制污染物的排放。本节将说明每种控制方式如何影响碳和营养物质的分配以及HTC-PW的整体质量（图2）。
**图2** 该图的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图片
关键HTC参数对HTC-PW组成和营养物质分配的影响。COD（化学需氧量）、EC（电导率）、TOC（总有机碳）、VFA（挥发性脂肪酸）

3.1 温度：氮形态的主要决定因素
温度对HTC-PW中氮的形态有很大影响。较低至中等的HTC温度（180–220°C）有利于水解反应，产生高浓度的VFAs（挥发性脂肪酸）、糖类和NH4+–N（氮以铵盐形式存在）。例如，在220°C以下的污泥HTC过程中，大约一半的进料氮会溶解进入HTC-PW，主要以生物可利用的NH4+形式存在；而在酸性条件下，40–60%的进料磷会转化为正磷酸盐（Meng等人，2025年；Shrestha等人，2021年）。当温度超过250°C时，反应倾向于气化和芳香化：HTC-PW中的TOC下降20–50%，更多的氮会转化为无机或结合在氢碳化物中的顽固形式，如酚类（Ipiales等人，2024年；Periyavaram等人，2023年）。这种温度依赖性的分配在木质纤维素原料中表现得尤为明显，在190–235°C时酚类衍生物达到峰值后逐渐减少，从而可以“设计”出适合土壤应用的HTC-PW，使其营养成分均衡（Becker等人，2014年；Berge等人，2011年；Langone和Basso，2020年）。因此，温和的HTC过程可以保留HTC-PW中的营养物质，这对即时施肥很有价值；而高温HTC过程则会将更多的碳和一些磷固定在氢碳化物中，从而减少田间应用中的营养物质淋失风险。总体而言，通过调节温度可以优化HTC-PW的质量：低温或温和的温度（180–220°C）有利于限制硝酸盐的淋失，而高温（≥220°C）则会产生含较少有机物但含有更多顽固芳香化合物的HTC-PW，可能会增加毒性。

3.2 停留时间：决定提取还是再聚合
停留时间进一步细化了这种调节。短期运行（0.25–1小时）可以最大限度地提取易变营养物质，如钾（K）和镁（Mg），通常可以从源自粪肥的HTC中回收70–90%的这些物质（Celletti等人，2021年；Nguyen等人，2023年；Stemann等人，2013年）。延长运行时间至20小时可以促进二次聚合反应：蛋白质和糖类可以通过梅拉德褐变反应重新聚合，使HTC-PW中的COD和BOD降低10–30%，并将有机物转移到氢碳化物的固相中（Aragón-Brice?o等人，2020年；Ender等人，2024年；Periyavaram等人，2023年）。在污泥HTC过程中，长时间在200°C下处理可以增加磷以磷酸盐形式固定在氢碳化物中，只有2–20%的磷会分配到HTC-PW中，这在需要低磷HTC-PW以避免土壤径流富营养化的情况下是有用的（Cao等人，2021年；Langone和Basso，2020年）。最近关于生物质废水HTC的数据表明，1–3小时的停留时间可以获得43–99%的氮和磷回收率，实现了产量和能源的平衡（Liu和Zhang，2025年）。实际上，短停留时间产生的HTC-PW富含可溶性氮和磷，非常适合用于灌溉；而长时间停留则会产生更纯净的HTC-PW，但溶解的营养物质较少。

3.3 固体负荷：控制营养物质浓度和分配
HTC中固体与水的比例决定了HTC-PW的浓度。较低的固体负荷和较多的水（例如1:10的生物质与水比例）会产生稀释的HTC-PW，其电导率较低（EC约5–10 mS cm?1），盐分压力也较低（Ipiales等人，2024年；Xu等人，2020年）。较高的负荷（例如1:5）会浓缩VFAs和营养物质，使TOC增加1.5–2倍，并使NH4+–N浓度增加到4000毫克/升，但会增加粘度和盐度（Periyavaram等人，2023年；Yan等人，2023年）。在混合废物（如污水污泥和稻草）的共同HTC处理中，酸性条件下的最佳负荷可以使高达55%的磷溶解（Li等人，2025年）。适中的负荷（5–10 wt%）通常会产生细质的氢碳化物和HTC-PW，其N-P-K比例在稀释后可以模拟商业肥料，例如18:12:16的N:P:K比例（Celletti等人，2021年；Ipiales等人，2024年；Yan等人，2023年）。因此，负荷是一个实用的控制手段：较低的固体负荷有利于农艺应用，如低电导率；而较高的固体负荷可用于制备浓缩的营养溶液，以便后续稀释或回收。

3.4 pH值和矿物催化剂：磷酸盐与金属的调控
调节pH值或添加催化剂会显著影响物质的分配。酸性条件（pH 3–5，由柠檬酸等有机酸形成引起）可以增强金属和磷的溶解度，使HTC-PW中的TP含量增加20–40%，同时将重金属如Cr和P保留在氢碳化物中（Aragón-Brice?o等人，2020年；Boutaieb等人，2021年；Heilmann等人，2014年）。碱性添加剂（CaO或NaOH）可以将NH3转移到HTC-PW中以保留NH4+，并提高pH值以减少与酸性相关的毒性，但可能会使磷与Ca一起在氢碳化物中沉淀（Aragón-Brice?o等人，2020年；Meng等人，2025年）。催化剂可以放大这些效果：例如，在食物废弃物HTC中添加柠檬酸可以将VFAs的产量提高30%，并对氢碳化物进行氮掺杂（Yan等人，2023年）；而路易斯酸如FeCl3可以催化脱水反应，使更多的芳香化合物转移到氢碳化物中，从而产生更纯净的HTC-PW，并降低酚类含量（Bkangmo Kontchouo等人，2025年）。值得注意的是，在260°C下用Ca或Mg盐处理污水污泥可以形成缓释的磷酸盐矿物（例如，基于Ca的氢氧磷灰石或基于Mg的可溶性Mg3(PO4)2），使固体中的TP含量增加48.6–86.3%，以实现定制的肥料释放（Aragón-Brice?o等人，2020年；Sarrion等人，2023年；Zhao等人，2025年）。这些干预措施允许“调节”HTC-PW以满足农艺安全要求：例如，低温、酸性催化的HTC过程可以在低盐度的HTC-PW中最大化可溶性NH4+的含量，同时将电导率控制在15 mS cm?1以下，以防止作物受到盐分胁迫（Colin等人，2025年）。

3.5 HTC-PW的循环利用：在调优质量的同时闭合循环
HTC-PW的循环利用成为性质调优的关键策略，通过将HTC-PW重新用于后续的HTC循环中，从而闭合循环系统。循环利用会积累有机物和离子：TOC和COD大约翻倍，VFAs的含量可以增加五倍，使介质更加酸性（Lu等人，2014年；Picone等人，2024年；Xu等人，2020年）。在花园废弃物HTC过程中，每次循环都会使HTC-PW因色素而变暗，同时通过降解呋喃类物质降低毒性，从而提高肥料的营养价值（Boutaieb等人，2021年；Wang等人，2019年）。然而，这也带来了盐度升高（电导率高达24 mS cm?1）和潜在的植物毒素问题，因此需要采取缓解措施，如部分稀释或生物净化（Ko?er等人，2023年；Mantovani等人，2022年）。对于农艺应用，在温和条件下（例如200°C，短时间循环）“设计”出的HTC-PW含有较高的NH4+和中等的盐分，符合可持续发展的目标，减少了淡水使用和废水排放。实际上，2–3次循环可以利用营养物质而不引起过度的盐分积累。

3.6 适用于农艺应用的HTC-PW的实际设计方案
通过调节温度、停留时间、固体负荷、pH值和循环利用，可以根据特定作物和应用方式定制HTC-PW：
- 叶菜类对盐分敏感。在190–200°C、0.5–2小时的温和条件下进行处理，并使用1:8–1:10的生物质与水比例，可以生成盐分较低、VFAs含量适中的HTC-PW，适合稀释后直接使用。
- 水稻需要NH4+–N作为氮源。在略高的温度（230°C）、1小时的处理时间和1:6–1:8的生物质与水比例下进行处理，并进行3–4次循环，可以将NH4+–N的浓度提高到一定范围。随后用CaO处理可以提高pH值，并将部分磷酸盐共沉淀到氢碳化物中，从而调节洪水的化学性质（Ender等人，2024年；Ipiales等人，2024年；Stemann等人，2013年）。
- 水培或灌溉可以在190°C、不到1小时的处理时间和1:10的生物质与水比例下使用酸性催化剂，以最大化磷的溶解度。经过中和（例如KDH）和1:5的稀释后，HTC-PW的N–P–K比例可以符合标准肥料的要求（Celletti等人，2021年；Qaramaleki等人，2023年）。
在这些应用案例中，固体负荷可以平衡营养物质的密度和植物毒性风险：较低的固体负荷（1:10）有利于农艺应用，而较高的固体负荷（1:5–1:6）可以浓缩VFAs和NH4+，以便后续稀释或回收（Periyavaram等人，2023年；Yan等人，2023年）。循环利用可以丰富营养物质，但应控制在2–3次循环以内，以避免过度的盐分积累（Boutaieb等人，2021年；Ipiales等人，2024年；Stemann等人，2013年）。定期监测TOC、pH值、电导率和营养物质浓度可以作为简单的控制手段，确保HTC-PW符合农艺要求。

4 HTC-PW的农艺应用途径和性能
HTC-PW丰富的营养成分使其可以应用于多种农业场景。这些途径包括直接使用、与固体共同使用以及条件化使用，利用HTC-PW的肥料特性来提高作物产量、营养物质利用效率和土壤健康，从而实现营养循环和推进循环农业。表2总结了以往关于HTC-PW在农业应用中的研究。

**表2 HTC-PW的文献：原料、条件、组成和农艺性能**

4.1 直接使用：稀释是关键
直接使用稀释后的HTC-PW（通常通过灌溉或水培方式）可以利用其即时可利用的营养物质。HTC-PW通常保留了30–70%的原料营养物质；值得注意的是，其中含有非常高的可溶性NH4+（高达4400毫克/升）和K（5870–6330毫克/升），可以快速提供氮和钾（Becker等人，2014年；Celletti等人，2021年；Nguyen等人，2023年）。HTC-PW中的有机氮或磷提供缓释的肥效。剂量-响应研究表明，最佳的稀释比例（1:3–1:9）可以减轻酚类和呋喃类物质引起的植物毒性，发芽试验显示氮和磷的释放量在几天内可达到20–60%（Moloeznik等人，2024年；Niu等人，2021年）。在稻田中，直接施用25–50%的HTC-PW可以使土壤中的NH4+–N增加36–130%，有效磷增加48–83%，从而提高稻谷产量6.7–29.2%和氮浓度6–15%（Li等人，2023a；2025年）。作物的反应取决于其敏感度：生菜在低DOM（代谢物含量）的HTC-PW下几乎翻倍生长，而豆类和玉米则从微量营养素中获益，通过提高气孔密度改善了水分利用效率（Celletti等人，2021年；Ipiales等人，2024年；Qaramaleki等人，2023年）。
土壤微生物活性通常会增加：在培养研究中，19%的HTC-PW中的碳被微生物消耗，促进了氮的矿化，尽管会出现暂时的氮固定现象（Watson等人，2021年）。重要的是，HTC-PW中的有机物可以抑制硝化作用，减少NH3的挥发（15–46%），并抑制硝酸盐的淋失（Huang等人，2022a；Li等人，2025年）。性能指标显示，氮的利用效率提高了（比尿素高20%以上），土壤中的C/N循环也得到了改善，细菌群落（尤其是变形杆菌）增加了1.75–2.3倍，从而加快了营养物质的周转（Feng等人，2025a；Zhang等人，2023年）。最近使用废水来源的HTC进行的试验表明，氮和磷的回收率可达43–99%，使水稻产量提高了10–15%，有效地将废物流转化为生物肥料（Liu和Zhang，2025年）。

4.2 与沼气污泥（BS）的共同使用：协同提供营养物质并降低风险
HTC-PW与沼气污泥的共同使用提供了一种协同的营养物质输送方式，既能减少潜在的毒性，又能优化整体肥料组成。厌氧消化粪便产生的沼气（BS）通常呈碱性（pH值7.4–8.0），富含有机和养分，但其高铵含量可能导致单独施用时NH?的挥发增加（Chen等人2022年；Li等人2023a年）。相比之下，通过热化学处理（HTC）得到的处理水（HTC-PW）由于含有VFAs等有机酸，其pH值通常为酸性（3.5–5.6），这些有机酸可以中和沼气的碱性，降低洪水的pH值并抑制NH?的流失（Colin等人2025年；M?kel?等人2018年）。例如，将来自污泥或木质纤维素生物质的HTC-PW与沼气按1:1的氮比率混合后，在稻田土壤中NH?的总体挥发量减少了4.2–65.5%（Li等人2025年；Wang等人2025年）。这种pH值的缓冲作用不仅减轻了NH?对植物和水生系统的毒性，还减少了高NH??负荷导致的N?O突发排放。养分富集是另一个关键优势：HTC-PW通过热化学处理过程溶解了额外的磷（P）、钾（K）和微量养分，平衡了N:P:K的比例，从而提高了作物的养分吸收能力。在水稻田中，共同施用这两种物质可使土壤中的有机质（DOM）增加2.7–59.4%，促进微生物群落向反硝化方向转变（例如，ureC和nirK基因含量增加），改善了氮的保留和循环利用（Li等人2021a年；Wang等人2025年）。HTC-PW中的有机成分，如类黄酮酸物质，进一步丰富了沼气的微生物副产物，促进了土壤的腐殖化并提高了长期肥力，且产量与传统尿素处理方法相当。微生物组响应包括细菌多样性的增加，例如厚壁菌门（Firmicutes）的细菌数量增加了1.4–3.3倍，加速了土壤有机质的周转，同时支持了真菌群落的健康生长（Feng等人2025a年；Huang等人2022a年）。

总体而言，这种联合施用策略通过沼气的缓冲和稀释作用中和了HTC-PW的酸性和潜在的植物毒性，并通过养分富集提升了农艺效果，表现为NH?挥发量减少了高达65.5%，以及基于DOM的养分利用效率的提高。

4.3 条件性使用：处理方法和农艺适用性
条件性使用涉及对HTC-PW进行预处理，以确保其安全施用。用CaO中和可将HTC-PW的pH值提高到7–9，沉淀出金属并减少电导率（EC）约20%，使其适用于水培或肥水灌溉；一些研究表明，经Ca中和的HTC-PW显著增加了蔬菜的生物量（Aragón-Brice?o等人2020年；Shan等人2024b年）。通过微藻生物抛光可以消耗有机物，微藻的生长速率为每天每升130–160毫克，从而获得更纯净的HTC-PW，并使藻类生物量翻倍（Ko?er等人2023年；Mantovani等人2022年；Tarhan等人2021年）。膜工艺，如过滤和电渗析，可以在去除50–70%有毒化合物的同时浓缩养分（Czerwińska等人2023年；González-Arias等人2023年）。这些处理方法促进了幼苗生长和根系延长，田间数据显示氮的矿化作用得到了持续优化，微生物组的韧性也得到了提升（Feng等人2025a年；Spagnuolo等人2023年）。在最近的一项试验中，经过海藻热化学处理的HTC-PW的重金属含量较低，适合安全使用；微重力模拟实验表明，通过炭化或水热炭化处理后的HTC-PW使马拉巴尔菠菜的用水效率提高了278%，钾的吸收量提高了174%（NG和Wang 2025年）。盐度（EC 5–20 mS cm?1）和毒素等风险通过稀释或吸附得到缓解，防止了产量下降并确保了合规性。
在实际应用中，当酸度问题为主且现场使用可行时，中和通常是成本最低且最易推广的首步方法；然而，这种方法并不一定能够解决高电导率或溶解有机物的问题。生物抛光方法通常适用于有足够时间和操作控制条件的情况，其主要目标是减少残留有机物的毒性并回收生物质中的养分。当需要稳定的、高浓度的养分流时（例如，为了减轻运输和稀释负担或实现下游回收），基于膜的方案最为合适，但其可行性取决于预处理需求和回收物的管理。对于富含酚类的HTC-PW，吸附工艺可作为针对性的附加处理手段，以提高其再利用的兼容性。

4.4 跨路径比较和选择指南
这三种农艺途径的目标都是回收HTC-PW中的养分，同时控制盐度和植物毒性有机物，但它们在适用性、操作复杂性和风险特性上有所不同。稀释后直接使用是最简单的途径，适用于在温和条件下生产且可安全稀释（通常比例为1:3–1:9）的HTC-PW，既能控制盐度和毒性，又能快速提供养分并促进作物生长。与沼气的联合施用在已有厌氧消化（AD）基础设施的循环农业系统中最为适用。这种方法通过pH值缓冲机制具有内在的风险缓解能力，可以显著减少NH?的挥发，同时改善土壤中的有机质动态和养分保留。条件性使用虽然需要额外的处理步骤，但为具有挑战性的HTC-PW提供了最高的“农艺适用性”，使其更安全地用于肥水灌溉或控制性土壤施用。
实际上，可以通过简单的筛选流程来选择适合特定用途的处理方法：（i）如果稀释后的电导率/毒性较低，则可以直接使用；（ii）如果当地有沼气可用，则联合施用可以提供缓冲作用并减少排放；（iii）如果电导率/毒性较高或需要保持一致的质量，则条件性使用是更好的选择，尽管会增加成本。

5 除直接施肥之外的增值和回收途径
除了直接施用于土壤外，HTC-PW还可以经过处理以提取养分和能量，将废物流转化为有价值的产品。这些方法解决了HTC-PW中的高有机负荷和养分不平衡问题。我们考虑了养分回收（例如通过沸石沉淀法生产磷酸镁铵盐（struvite））和能量回收（例如通过厌氧消化（AD）和催化重整）。图3展示了HTC-PW的替代增值途径流程图。

图3
该图像的替代文字可能是使用人工智能生成的。

5.1 养分回收
**沸石沉淀法**：在碱性条件（pH值8–10）下添加镁（Mg）可生成磷酸镁铵盐（struvite，MgNH?PO?·6H?O），从而捕获NH??和PO?3?。来自污泥或粪便的HTC-PW是理想的原料。在200–260°C下处理1小时的耦合系统中，通过HTC-PW循环处理后，可回收高达92%的磷（P）和88%的氮（N），纯度超过95%（Tong等人2025年）。同样，在180–220°C下处理生物质废水时，使用循环HTC-PW生成磷酸镁铵盐的工艺可回收99%的磷和43%的氮，作为肥料施用时可以减少土壤中磷和氮的流失（Liu和Zhang 2025年）。经过改性的材料，如淀粉冻胶，进一步提高了从类似HTC的废液中的养分回收率，实现了95%的磷和80%的氮去除率（Zhao等人2024年）。在温和的HTC条件下（180°C，30分钟），溶解的磷在沉淀前被最大化（Gou等人2024年）。挑战包括沉积物体积和pH值的控制，而与回收系统的结合则降低了成本和废液体积。**离子交换法**：选择性树脂可以从HTC-PW中吸附NH??和PO?3?。这种方法适用于复杂基质中的低浓度流体，如富含腐殖质和酚类的HTC-PW，多重孔树脂在最多50次循环后仍具有95%的硝酸盐去除率（Zeng等人2023年）。在HTC处理过程中，含有季铵基团的磁性树脂可以从HTC-PW中回收90%的氮和85%的磷，通过磁分离保持效率（Tang等人2023年）。对于农业废弃物和污泥的联合HTC处理，220°C下处理1小时后，离子交换法提高了肥料的质量，实现了化学肥料的60%替代率，并改善了土壤的N/P比值（Liu等人2025年）。经过FeCl?浸泡改性的水热炭（HTC）作为离子交换剂，在45°C下具有52.5毫克/克的磷酸盐吸附能力和27.6毫克/克的铵吸附能力（Zhang等人2023年）。离子交换法具有选择性和可回收性，但HTC-PW中的有机物可能会堵塞树脂，因此使用前需要过滤。**电渗析法**：电渗析利用离子选择性膜和电场从HTC-PW中浓缩氮和磷，无需添加剂即可分离阳离子（如NH??）和阴离子（如PO?3?）。在类似HTC的流体上使用双极膜电渗析法，可以以较低的能耗（0.5–1千瓦时/米3）实现85%的氮和90%的磷回收率（Cao等人2023年）。一种电渗析装置从消化残渣灰中回收了92%的磷，消耗能量为2.5千瓦时/千克（Huang等人2022b年）。对于180–260°C处理的生物质HTC-PW，离子交换法的效率可达80–95%。

5.2 能量回收
**厌氧消化（AD）**：HTC-PW中的高有机物可以通过厌氧消化转化为富含甲烷（CH?）的生物气。HTC-PW的COD/BOD比值在2.0–2.7之间，有利于VFAs的厌氧代谢产生甲烷。例如，在180–250°C下处理1小时的食品废弃物HTC时，产生了250–350毫升/克的甲烷，HTC-PW中的COD去除率达到70–85%，由于HTC促进了有机物的溶解，其效果优于单独的厌氧消化过程（Zhou等人2024年）。对于200°C处理的污泥HTC-PW，厌氧消化去了80%的有机物并产生了200–300毫升/克的甲烷（Volatile Solids），同时促进了甲烷生成菌（如Methanosaeta）的生长（Pagés-Díaz等人2020年；Wirth等人2020年）。HTC-PW的循环使用进一步增加了生物气产量：在220°C下处理玉米秸秆HTC时，CSTR反应器每天可产生0.3–0.4升/升HTC-PW的甲烷，比不循环处理高出15–25%（He等人2022年；Meier等人2017年）。挑战包括酚类物质的抑制作用，可以通过稀释或适应来解决，但总体能量回收率可达HTC-PW潜在价值的60–80%，将HTC-PW与生物能源结合（Ipiales等人2024年；Merzari等人2019年）。
**催化重整**：经过氧化处理的HTC-PW中的有机物，特别是VFAs、酚类和短链多元醇，可以通过蒸汽重整或水相重整（APR）在催化剂（Ni、Pt或Ru）的作用下转化为氢气（H?）或合成气（syngas）。APR通常在200–260°C和15–50巴的压力下进行。例如，使用Pt–Rh基催化剂在220°C下处理污泥HTC时，可以产生高达100毫米摩尔/克的氢气产量，其中气态氢的比例可达68%（Oliveira等人2022年；Zoppi等人2022年）。木质纤维素HTC-PW在220–260°C下处理时，可以通过APR产生20–50毫米摩尔/克的氢气，其中70–90%的碳在APR条件下被气化（Di Fraia等人2023年）。当选择蒸汽重整时，350–500°C下的Ni催化剂是常用的；Ni的负载量需调节以限制结焦现象，这些条件下含有氧分子的HTC-PW可以产生富含氢气的合成气（Santamaria等人2021年；Su等人2025年）。这些途径实现了HTC-PW的 cascaded（级联）增值利用，回收了氮、磷和能量，同时减少了废水处理负担和淡水需求。在实际应用中，应根据原料特性、区域养分和能源市场以及监管要求，定制合适的处理流程，例如先进行温和的HTC处理，然后进行沸石沉淀或电渗析，再结合后续的厌氧消化或APR和选择性循环利用。

6 环境和健康风险评估
必须管理HTC-PW的使用，以保护环境和人类健康。主要关注的问题包括盐度、残留毒素、重金属、微塑料、由于养分渗漏和径流造成的潜在富营养化，以及温室气体（GHG）排放。表3列出了之前关于HTC-PW环境与健康风险的研究。

表3 以往研究中关于HTC-PW应用的环境和健康风险

6.1 盐度、重金属、有机毒素和污染物
HTC-PW通常具有较高的盐度（EC 5–24 mS cm?1），尤其是在循环使用后，如果未经稀释直接施用，可能会对作物造成压力并破坏土壤结构（Ipiales等人2024年）。这些风险可以通过稀释或与低电导率改良剂混合来缓解（Ender等人2024年）。HTC-PW中可能含有重金属（如Cr、Cd、Pb等），尤其是来自污泥的HTC-PW，尽管稀释后这些金属的含量通常低于作物耐受阈值，但仍需密切监测（Meng等人2025年）。酚类化合物是HTC-PW急性毒性的主要来源。HTC-PW中的木质素衍生酚类化合物浓度常常高达290–800毫克/升（Aragón-Brice?o等人2020年；Ender等人2024年；Meng等人2025年），而呋喃类化合物的浓度可达200–1230毫克/升（Becker等人2014年；Ipiales等人2024年；Nguyen等人2023年），这意味着未经处理的HTC-PW中的酚类物质浓度可能高出了3–80倍，足以对生物体和植物造成伤害。据报道，水生生物对酚类的EC??值约为10–100毫克/升（Biswal和Balasubramanian 2022年；Guo等人2024a年；Colin等人2025年），这意味着原始HTC-PW中的酚类物质浓度可能超过这些阈值数倍。在农艺研究中，通常通过剂量-反应稀释（如1:3–1:9）（Moloeznik Paniagua等人2024年；Niu等人2021年）、与其他改良剂的共同施用以及使用前的毒性筛查来管理这种风险。抗生素和病原体也是需要关注的问题。来自粪便或污泥的HTC-PW可能含有抗生素，如四环素和磺胺类药物，这些物质会吸附在有机物上并促进土壤中抗生素抗性基因（ARGs）的传播。微塑料如果存在于饲料中，可以通过疏水性和静电相互作用来浓缩抗生素，并承载携带耐药基因（ARG）的生物膜（Biswal和Balasubramanian 2022；Guo等人2024a）。超过180°C的高温处理（HTC）可以大幅减少废物中的病原体活性，但一些微生物残留物可能仍然存在于HTC处理后的水中，这表明需要在进行HTC处理后进行进一步消毒（Ender等人2024；Langone和Basso 2020；Zhang等人2023）。值得注意的是，环境研究表明高盐度可以限制细菌在微塑料上的长距离传播（Song等人2022）。总体而言，安全地重新利用HTC处理后的水需要采取风险管理措施：定期监测盐度、金属、抗生素或耐药基因，以及微塑料的含量；进行生态毒性测试；并通过稀释、中和、沉淀和生物抛光等手段进行有针对性的处理，以将危害降至作物和法规允许的范围内，同时保持其营养价值。

6.2 渗漏、N2O排放和地下水保护
HTC处理后的水改良土壤中养分的渗漏和污染物的释放会带来地下水风险，高浓度的氮和磷会导致水体富营养化。在稻田中，使用HTC处理后的水可以减少12.9-36.9%的氮渗漏，但如果未经稀释，则会增加磷的流失（Feng等人2025a）。强效温室气体N2O的排放源自改良土壤中的反硝化作用；农田排水水中溶解的N2O年平均浓度为0.83千克氮每公顷，冬季融化期间排放量通常会增加（Burton等人2024）。HTC处理后的水对N2O的影响可能呈相反两种情况，最终结果取决于其化学成分和氮的负荷。当HTC处理后的水中含有足够的抑制性有机物时，硝化作用可以暂时被抑制，从而减少NO3-的生成，进而降低N2O的产生；与此机制一致的是，有研究报道在堆肥过程中使用HTC处理后的水可以将N2O排放量减少约10-20%（Feng等人2025b），并且HTC处理后的水中的有机物与农艺系统中氮的损失减少有关（Huang等人2022a；Li等人2025）。相反，高浓度的HTC处理后的水或高NH4+输入可能会形成局部氮“热点”；一旦抑制作用减弱，例如通过稀释，在灌溉或排水过程中可能会迅速发生硝化-反硝化反应，导致短暂的N2O脉冲释放，这与排水水中较高的溶解N2O损失相吻合（Burton等人2024）。因此，报告HTC处理后的水中NH4+的负荷以及抑制性有机物的指标（如酚类化合物或总有机碳TOC）对于判断其在特定土壤-水条件下是作为N2O的缓解因素还是潜在来源至关重要。总体而言，这些发现突显了HTC处理后的水作为资源和风险因素的双重特性；虽然它可以增强养分循环，但若管理不当会加剧渗漏和排放问题。图4展示了HTC处理后的水应用所带来的效益与风险的机制图。

图4
该图的替代文本可能是通过人工智能生成的。

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因为目前关于不同原料、土壤、作物和研究规模的证据仍然有限且高度异质，因此尚未能够制定出适用于所有情况的HTC处理后的水的通用最低参数标准。尽管如此，在土地应用之前进行初步评估时，应至少包括pH值、电导率（EC）、总有机碳（TOC）或化学需氧量（COD）、NH4+-N、PO43+-P或总磷（TP）、钾（K）以及抑制性有机物的指标（如酚类/呋喃类化合物），同时考虑肥料或污泥来源水中可能存在的污染物以及抗生素/耐药基因的指标。这个评估面板仅作为临时性的筛选和报告工具，并非普遍适用的法规标准。

7. 技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）
7.1 TEA
HTC处理后的水的增值技术经济性能对系统边界和当地环境条件非常敏感；因此，文献中报告的成本和收益应被视为特定情景下的数值驱动因素，而非普遍适用的标准（表4）。Clack等人（2024）主要针对集成化的基于HTC的污泥管理系统进行了技术经济分析，所报告的资本支出（CAPEX）范围反映了规模、配置和工厂集成程度的差异，而不仅仅是HTC处理后的水本身。在这种情况下，HTC处理后的水的经济效益与其液体成分是否可以在现有基础设施内处理或需要额外专门处理密切相关。

表4 HTC处理后的水管理和增值的指示性技术经济指标
从运营成本的角度来看，表4表明HTC处理后的水的增值通常被视为额外处理成本与避免传统废水处理成本之间的权衡。Matu?tík等人（2024）和Picone等人（2024）报告了HTC处理后的水的处理成本（例如稀释、中和或膜处理步骤），并将其与避免传统废水处理的成本进行了比较。然而，这些收益并不是确定的：当排放法规仍然要求进一步处理，或者HTC处理后的水无法合法重新分类用于有益用途，或者需要额外监测成本时，“避免处理”的收益可能会减少或消失。物流因素也会影响可行性，因为随着运输距离的增加，稀释后的HTC处理后的水的运输和上游原料的物流可能会成为主要成本因素（Sarrion等人2023）。技术经济分析中的收入和“收益”通常来自养分回收/替代以及整合带来的好处。肥料替代收益（Farm Bureau 2025）和回收途径，如鸟粪石沉淀（Tong等人2025；Zhao等人2024），常被用来量化HTC处理后的水的营养价值（表4）。然而，当回收的产品不符合当地肥料标准，或市场及最终用户无法获取，或者养分浓度和稀释要求超过了回收养分的价值时，肥料收益可能不适用。整合策略可以通过减少淡水使用和成本（例如Picone等人2024报告的循环利用/共址效应）以及农场规模HTC处理后的水与AD（厌氧Digesters）系统的基础设施共享来提高可行性。同时，整合也可能增加盐分和有机物的浓度，从而增加处理的需求，因此净收益取决于原料性质、污染程度和目标最终用途。总体而言，表4中总结的经济效益最好在兼容的法规条件、有利的物流环境以及可行的养分最终用途路径下进行解读。

7.2 LCA
生命周期评估（LCA）量化了从原料采集到最终处置整个过程中的环境影响，显示HTC处理后的水相比传统废水处理方法有潜力将全球变暖潜力（GWP）降低20-50%。热点包括浓缩/预处理所需的能源（例如蒸发或膜处理，每立方米HTC处理后的水需要1-5千瓦时的能量），这部分能源占了GWP的30-50%（由于电力消耗，每千瓦时产生0.4-1千克二氧化碳当量）（Clack等人2024；Sarrion等人2023）。预处理步骤（如过滤）会增加0.1-0.5千克二氧化碳当量的排放，但与可再生能源（如沼气）结合使用可以减少40%的排放（Matu?tík等人2024）。避免的排放量显著：矿物肥料的生产每千克氮会产生5-10千克二氧化碳当量的排放（Haber-Bosch工艺），磷酸盐生产每千克磷会产生1-2千克二氧化碳当量的排放，而HTC处理后的水替代这些过程可以避免100-300千克二氧化碳当量的排放（Clack等人2024；Miao和Zeller 2025）。避免废水处理可以节省0.5-1.5千克二氧化碳当量的排放，同时HTC处理后的水可以将污泥体积减少50-70%，从而降低填埋/焚烧的排放（0.5-2千克二氧化碳当量/吨）（Sarrion等人2023）。对于农场规模的应用，LCA显示净GWP为每吨处理后的水减少0.2至1吨二氧化碳当量，并伴有养分收益；在城市规模应用中，通过优化物流（例如铁路运输替代卡车运输，可减少20%的排放）可以进一步节约排放（Matu?tík等人2024）。消化器与HTC处理后的水共址使用可以最小化运输距离（0-50公里），从而进一步减少GWP的10-15%（Farru等人2024）。

总之，当前的技术经济分析和生命周期评估研究表明，在有利的条件下，HTC处理后的水的管理和增值可以带来经济和环境效益，特别是当系统边界包括避免废水处理负担、养分替代收益、短运输距离和低碳能源输入时。然而，这些结果高度依赖于具体情景，不应被普遍解读为所有HTC处理后的水应用的经济可行性和GWP减排的证明。

8. 当前研究差距和未来方向
8.1 当前差距
HTC处理后的水作为土壤改良和肥料来源受到了越来越多的关注，但显著的科研差距阻碍了其广泛应用。主要问题是缺乏长期的田间研究。虽然实验室实验显示了短期效益，例如提高了水稻田中的养分保留率和微生物多样性（Feng等人2025a；Huang等人2022a；Li等人2021c, 2025），但多季节性的试验非常少，关于其对土壤有机质稳定性、养分渗漏和作物质量的长期影响仍无定论。这一差距在多样的农业生态系统中尤为明显，因为气候和土壤类型的差异可能会影响HTC处理后的水的效果。毒性和环境风险评估也存在关键空白。HTC处理后的水中含有潜在的植物毒性化合物，如酚类和呋喃类化合物，其EC50值表明对水生和土壤生物存在风险（Colin等人2025）。然而，关于长期暴露、重金属的生物积累或与微塑料的相互作用的综合评估有限，尤其是对于来源于污泥的HTC处理后的水（Meng等人2025）。同样，基于肥料的饲料中的抗生素残留和病原体的持续性也需要进一步研究以确保健康安全（Langone和Basso 2020）。可扩展性挑战也阻碍了进展。目前主要是实验室规模的优化研究，而与消化器或市政设施的工业整合缺乏详细的物流分析，包括运输成本和能源需求（Clack等人2024）。原料的变异性加剧了这一问题，因为HTC处理后的水性质会随生物质类型的不同而变化，而现有文献中缺乏标准化协议（Nguyen等人2023）。另一个关键差距是缺乏可靠的HTC处理后的水质量预测模型。尽管研究表明HTC处理后的水成分受多种因素影响，但目前的研究仍然主要基于个案报告其性质。因此，还没有一个广泛采用的框架可以预测目标农艺指标（如NH4+-N、PO43+-P、K、EC、TOC/COD）以及与风险相关的成分（如酚类/呋喃类化合物、重金属、肥料/污泥来源中的抗生素）基于容易测量的输入和操作条件。这限制了基于HTC处理后的水的“定制化”产品设计，增加了规模化生产的复杂性，并延迟了法规的认可。

8.2 未来方向
展望未来，应该通过跨学科方法来填补这些差距。在代表性地区进行长期田间试验可以量化持续的效益，纳入温室气体排放和生物多样性变化等指标。改进的风险评估框架，包括高级生物测定和命运模型，对于法规合规至关重要。一个重要方向是将机器学习融入HTC处理后的水的预测和优化中。数据驱动的模型可以通过学习原料描述符与工艺参数（如温度、停留时间、固体负荷、pH值、循环利用）和HTC处理后的水结果（包括养分浓度和形态以及与风险相关的成分）之间的复杂交互作用来解决预测不确定性。例如，梯度提升模型在预测水焦炭产量方面的准确率超过95%，支持实时工艺调整（Luo等人2023；Lyu等人2024；Meng等人2025）。在HTC处理的背景下，神经网络可以通过参数调节优化厌氧消化过程中的能源回收，减少酚类等抑制物质的含量（Pagés-Díaz等人2020；Zhou等人2024）。未来的机器学习应用可以扩展到农艺模拟领域，通过训练来自田间试验的数据集来预测土壤对HTC处理后的水的响应，从而加快安全规模化生产，并为特定作物或土壤定制配方。这种数据驱动的方法不仅填补了建模空白，还减少了实验迭代次数，促进了成本效益的创新。为了实现可转移的预测模型，未来的工作应优先考虑（i）统一HTC处理后的数据报告标准（包括原料、污染程度指数和处理后的信息），（ii）同时预测养分价值和危害指标的多输出模型，以及（iii）不确定性量化，以支持土地应用的保守决策。将这些模型与快速分析技术（如UV-Vis/荧光指纹技术、在线pH/EC/TOC检测）相结合，可以支持实时分类HTC处理后的水为“直接使用”、“需要处理”或“仅回收”类别，从而形成安全的农艺应用决策支持工具。混合系统代表了另一种发展路径，将HTC处理后的水与鸟粪石沉淀等技术结合用于养分回收或生物炭共应用以减少排放（Liu和Zhang 2025；Tong等人2025；Wang等人2025）。政策导向的研究，关注循环经济指标，可以帮助商业化，特别是能源使用方面的优化（Matu?tík等人2024）。

总体而言，通过针对这些差距的研究和机器学习辅助工具，可以支持HTC处理后的水在农业中的实际应用。图5总结了当前的研究差距和提出的未来方向。

图5
该图的替代文本可能是通过人工智能生成的。

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关于HTC处理后的水在农业中的应用的研究差距和提出的未来方向

8.3 政策、标准和法规路径
除了技术准备外，HTC处理后的水的商业化还需要明确的法规定位，根据所在司法管辖区和预期用途，它可以被归类为废水、再生水或副产品。未来的工作应系统地比较法规要求，并确定确保安全土地应用所需的最低监测指标（例如养分、盐度、关键有机毒素、重金属、相关病原体/耐药基因指标）。制定分层的质量标准和标签或可追溯性指南将减少最终用户和监管机构的不确定性。重要的是，政策分析应与环境影响评估（TEA）/生命周期评估（LCA）相结合（例如，合规成本、许可时间表、激励措施/补贴以及碳/养分信用），以确定在实际应用场景中，HTC-PW（高浓度磷酸盐水）的再利用在经济效益和环境效益方面何时具有吸引力。9 结论：HTC-PW 是循环生物经济中的一种有前景的资源，它从被视为废物转变为一种富含养分的液体改良剂和肥料替代品。本综述强调了其富含养分的特性、通过工艺控制可调节的性质，以及其在直接使用、联合使用和回收途径（如鸟粪石沉淀和厌氧消化）中的多重应用。在农业上，它可以提高产量、养分利用效率和土壤健康；而在能源方面，它可以产生沼气和氢气，从而展示了多种再利用途径。环境风险（如盐度和氮氧化物排放）可以通过稀释和监测来控制，环境影响评估和生命周期评估则证实了其经济可行性和较低的全球变暖潜力。因此，未来的工作应重点进行长期田间验证，并结合具体情境下的环境影响评估和生命周期评估，以确定 HTC-PW 的使用在实践上、环境上和农业上都是合理的，从而为其在农业和废物管理系统中的更广泛和更安全的应用奠定基础。