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生物炭——废弃物的逆袭之路

日期:2020-04-20    来源:现代田园循环

国际新能源网

2020
04/20
15:00
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关键词: 生物有机材料 生物炭 生物质

日常生活的便捷化和农业生产技术的自动化把人类从原始的繁重劳动中解放出来,与高水准的生活生产方式相伴而生的,是废弃物益发膨胀的产量;废弃物处理处置技术的日臻成熟改变不了这个过程消耗能源、污染环境的事实,而以资源化的眼光看待这些秸秆、粪便、生活垃圾,却可以为它们谋一条低耗高效的新出路。

废物变身——生物炭的制备与特性

生活、生产活动中绝大部分废弃物是生物有机材料,即生物质,含有丰富的有机质和养分,具有可再生性。将生物质置于缺氧或绝氧环境中,在相对较低的高温下(<700℃)热裂解后生成的固态产物就是生物炭,也被科学家冠以“黑色黄金”的美誉。生物炭以高度富碳为标志,主要含有C、H、O、S、N等元素及灰分物质,此外还保留了原料中的Ca、Mg、K、Si、Fe、Mn、Cu、Zn等元素,元素组成受原材料和热解温度影响。

生物炭呈碱性,表面含较多羧基、羰基、酚羟基、内酯基等含氧官能团;表面电荷密度高,阳离子交换量高(CEC);生物惰性和化学稳定性强,不易降解;具有多孔结构,孔隙可按大小分为大孔隙(>50 nm)、小孔隙(<0.9nm)和微孔隙(<2nm)。

不同功率水平和生物质负荷下制备的木屑生物炭的扫描电镜图片1

生物炭的孔隙结构、大比表面积和高表面电荷密度决定了其具有良好的吸附能力,尤其对阳离子吸附能力强,其吸附机理主要包括表面吸附机制、分配作用机制、联合作用机制以及其他微观机制2,其中最主要的是表面吸附机制,指通过化学键结合(如生物炭表面MgO晶体吸附磷酸根生成磷酸铁,沉淀于生物炭表面和孔隙内3,不可逆吸附)或静电吸引结合(表面负电荷高,具有较高的阳离子交换量和吸附容量)进行吸附。另外,生物炭的小孔隙结构(<0.9nm)能够降低土壤养分的渗漏速度,延缓水溶性离子的溶解迁移时间,加强对移动性强、易淋溶流失养分的吸附,在离子吸附过程中起主导作用。

废物利用——生物炭的功能

生物炭虽“出身”于废弃物,但由于其性能强大,在水质净化、土壤改良、促进植物生长等方面都有不俗的表现。

水质净化

控制水体富营养化的关键在于控制氮磷,常用手段中,吸附法是一种快速、高效、无二次污染、低成本、可回收的方法,而生物炭可以作为吸附剂吸附氮磷:生物炭通过静电吸引结合来吸附氨氮,对磷的吸附则通过化学键结合机制。研究表明3,以小麦秸秆为原材料的生物炭对水中氨氮的去除率随温度的升高和投加量的增加而上升,最适pH在8左右;对磷的去除率随温度的升高而下降,随投加量的增加而上升,最适pH在7左右。

土壤修复

生物炭对土壤的理化性质和微生物群落都会产生影响:1)提高土壤pH,作为改良剂中和酸性土壤4;2)加深土壤颜色,降低土壤表面反射率,促进土壤升温5;3)调控土壤水分分布状况,提高土壤持水能力;4)提高土壤孔隙度,促进土壤转化为团聚体结构,增加对氮磷的吸附,减少养分流失,持留重金属、农药等有毒复合物,控制农业面源污染6;5)提高土壤有机质、全氮、全磷、有效氮、速效磷的含量,直接、快速补充土壤有机碳,保持土壤肥力;6)对地表径流的产流时间起到微弱的延迟作用,提高土壤的抗蚀性2。

生物炭的多孔结构及吸附的营养物质为土壤微生物群落提供了合适的栖息环境,修复土壤生态系统健康,提高了微生物的数量和活性,尤其是与氮循环相关的微生物。生物炭吸附土壤中可溶的自由态酚类化合物,减轻其对硝化细菌的抑制作用,促进硝化过程,增加土壤中固氮微生物数量,减少氮的反硝化作用,减少氮素流失;此外,生物炭还能促进土壤中与氮利用相关的酶活性2。

作物提质

施入农田后的生物炭吸收并保留了营养物质,通过阳离子交换来缓慢释放并被植物利用,提高肥料利用率;施加生物炭后,土壤的抗张力强度和容重会显著下降,孔隙度随之增大,土壤中水分、空气和养分增多,有利于植物根系的生长与延伸,促进作物养分吸收2;施入生物炭的土壤中作物根部微生物的繁殖能力增强,微生物群落结构发生变化,对作物生理生化过程均产生重要影响7,促进种子萌发和苗期生长,增大作物的株高和茎粗8,与肥料同施可提高作物产量9;促进植物根系增长及植物激素的产生,提高抗冷和抗旱能力。

肥料增效

除了直接使用,还可以以生物炭为基质,添加不同有机和无机成分制备生物炭基肥。生物炭基肥含丰富的腐植酸、蛋白质、核酸等有机质(>40%),氮、磷、钾养分(N>6%,P2O5>2.3%,K2O>2.5%),以及Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn、B等中、微量元素,营养全面,一次施肥可以满足作物对多种元素的需求,弥补长期施用无机肥的不足。

生物炭基肥适用于各种农作物土壤,可用作基肥、追肥,或与其它化肥配合使用。施用300kg/ha生物炭基肥,小麦可增产10%左右,玉米可增产12%左右,水稻可增产8-12%,并节约氮肥30%-50%,农业减排明显;生物炭还能有效防治病害,抑制病原微生物生长,例如对烟草的黑胫病、根黑腐病、根结线虫病等防治效果达到70%以上,可少施或不施农药。

逆袭的“黑金”——生物炭的未来

生活、生产过程中产生的生物性废弃物都具有制备生物炭的潜能,在以资源化为导向的废弃物综合处理过程中,生物炭的生产和使用可以作为非常重要的一环,既能解决生活、生产垃圾的无害化处置问题,还能通过农业种植实现最终的消纳,打通乡村生活生产物质能量的循环路径,对于乡村生活卫生条件和农业生产技术的改善都具有重要意义。

但生物炭的实际应用仍存在一些现实问题:1)生物炭的土壤添加比重虽小,但密度小、体积大,实际添加量仍十分客观,需验证其经济可行性,探讨应用的必要性;2)生物炭颗粒细小,应用后难以与水或土壤有效分离,易随水迁移导致二次污染;3)生物炭的土壤改良作用机理研究仍然存在盲区,其正面影响可能是添加过程对土壤造成的扰动导致的土壤密度、结构、孔隙度、保水性的改变;4)不同原料及制备条件与生物炭结构和性能的相关性尚不明确;5)长期受雨水淋洗和酸雨浸泡后生物炭会发生不同程度的老化和酸化,其对土壤或作物的有利影响是否具有持续性尚不清楚;6)多数农业从业者只在意短期利益,不关心土壤质量和生产发展的可持续性,导致化肥、农药用量不减,另一方面,人们对生物炭、活性炭以及植物灰分的概念易混淆,对新事物接受度较低。

针对现存问题,关于生物炭的进一步研究可以从以下方面加强:1)推进功能化生物炭复合材料的研发,通过生物炭改性技术解决颗粒小、易迁移的问题,提升吸附性能;2)利用电镜扫描、X射线衍射等微观分析技术研究不同种类生物炭的吸附特征和机理,筛选具有高效吸附能力的生物炭种类和规格;3)加深对生物炭肥用机理的了解,确定其最佳用量和频率,考察田间尺度的长期影响。

考古学家在亚马逊河流域发现,雨林中最肥沃的地块往往是古人类曾聚居的地方,农作物残余和食物残渣没有造成严重的破坏,反而被制成生物炭滋养了原本贫瘠的土壤。这说明,人类的介入并不一定给大自然带来破坏,充分挖掘废弃物潜在的回用价值反而能化“干戈”为“玉帛”,让“黑土”逆袭变成“黑金”。

参考文献

1.Nhuchhen, D. R.; Afzal, M. T.; Dreise, T.; Salema, A. A., Characteristics of bio and bio-oil produced from wood pellets pyrolysis using a bench scale fixed bed, microwave reactor.Biomass & Bioenergy2018,119, (DEC.), 293-303.

2.褚军;薛建辉;金梅娟;吴永波,生物炭对农业面源污染氮、磷流失的影响研究进展.生态与农村环境学报2014,30, (04), 409-415.

3.蒋旭涛.生物炭对水中氨氮和磷酸盐吸附性能研究.硕士,天津大学, 2013.

4.Cao, X.; Harris, W., Properties of dairy-manure-derived bio pertinent to its potential use in remediation.Bioresource Technology2010,101, (14), 5222-5228.

5.尹秀玲;张璐;贾丽;徐聪珑;张文卿;谢忠雷,玉米秸秆生物炭对暗棕壤性质和氮磷吸附特性的影响.吉林农业大学学报2016,38, (04), 439-445.

6.Shaaban, M.; Van Zwieten, L.; Bashir, S.; Younas, A.; Nunez-Delgado, A.; Chhajro, M. A.; Kubar, K. A.; Ali, U.; Rana, M. S.; Mehmood, M. A.; Hu, R., A concise review of bio application to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution.J Environ Manage2018,228, 429-440.

7.Steinbeiss, S.; Gleixner, G.; Antonietti, M., Effect of bio amendment on soil carbon balance and soil microbial activity.Soil Biology and Biochemistry2009,41, (6), 1301-1310.

8.Solaiman Z M, M. D. V., Abbott L K., Bios influence seed germination and early growth of seedlings.Plant & Soil(1-2)2012, 273-287.

9.Hale, S. E.; Alling, V.; Martinsen, V.; Mulder, J.; Breedveld, G. D.; Cornelissen, G., The sorption and desorption of phosphate-P, ammonium-N and nitrate-N in cacao shell and corn cob bios.Chemosphere2013,91, (11), 1612-1619.


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