生物炭调控农业废弃物堆肥过程的研究进展_张建国.pdf
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1、 收稿日期:2022-05-30 基金项目:上海市农委重点攻关项目(2020-02-08-00-12-F01457)和国家自然科学基金(41601315)共同资助。作者简介:张建国,博士,教授,博士生导师。E-mail:*通信作者:周 胜,博士,研究员。E-mail: 安徽农业大学学报,2023,50(3):511-519 Journal of Anhui Agricultural University DOI 10.13610/ki.1672-352x.20230625.016 网络出版时间:2023-06-26 15:35:18 URL https:/ 生物炭调控农业废弃物堆肥过程的研究进
2、展 张建国1,高 雅1,张继宁2,3,4,张鲜鲜2,3,4,孙会峰2,3,4,王 从2,3,4,周 胜2,3,4*(1.上海理工大学健康科学与工程学院,上海 200093;2.上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海 201403;3.上海低碳农业工程技术研究中心,上海 201415;4.农业农村部东南沿海农业绿色低碳重点实验室,上海 201403)摘 要:生物炭以其富碳多孔的功能性结构而被应用于农业生态环境。总结生物炭的酸碱性、比表面积和孔隙体积、灰分含量和阳离子交换量等主要性质,为其在农业领域的应用提供研究基础。基于此,从生物炭调控堆肥过程、促进物料中有机质的降解及腐熟、减少堆肥过程中的碳
3、损失和氮损失、降低堆肥中重金属的生物有效性以及提高堆肥肥效等 6 个方面综述了生物炭改善农业废弃物堆肥过程的研究进展,为生物炭在农业废弃物堆肥中的应用提供思路和参考,并对其在堆肥系统中的应用进行了展望。关键词:堆肥;生物炭;农业固体废弃物;固碳;腐殖质 中图分类号:X71;S141.4 文献标识码:A 文章编号:1672-352X(2023)03-0511-09 Research progress on biochar improving agricultural waste composting ZHANG Jianguo1,GAO Ya 1,ZHANG Jining2,3,4,ZHANG
4、Xianxian2,3,4,SUN Huifeng2,3,4,WANG Cong2,3,4,ZHOU Sheng2,3,4(1.School of Health Science and Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093;2.Institute of Eco-Environmental Protection Research,Shanghai Academy of Agricultural Sciences,Shanghai 201403;3.Shanghai Enginee
5、ring Research Center of Low-carbon Agricultural,Shanghai Academy of Agricultural Sciences,Shanghai 201415;4.Key Laboratory of Low-carbon Green Agriculture in Southeastern China,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Shanghai 201403)Abstract:Biochar is widely investigated because of its functional
6、,carbon-rich,porous structure,and used in agricultural environment field.This review summarized the characteristics of biochar samples for pH,surface area and pore volume,ash content and cation exchange capacity,providing basis for biochar application in the agricul-tural field.The study was reviewe
7、d from six aspects of biochars roles on composted with agricultural solid waste.Biochar could regulate the composting process,hasten the degradation and maturity of organic matter,reduce carbon loss and nitrogen loss,weaken the bioavailability of heavy metals,and enhance the nutrients in composting.
8、This study aimed to provide references for the application of biochar in agricultural waste composting.Biochar application in composting systems was also prospected.Key words:compost;biochar;agricultural solid waste;carbon sequestration;humus 生物炭为生物质在限氧环境中,经高温热化学转化产生的固体物质。根据生物质原料的来源不同,生物炭可以划分为木炭、竹炭、
9、秸秆炭和畜禽粪污炭等。根据不同的制备方法,生物炭可以划分为热解炭和水热炭等。根据生物炭的不同结构形状,可以划分为成型炭(如球形炭、柱状炭、片状炭等)、碎料炭、粉末炭、微米炭和纳米炭等1。制备原料及方法的多样化产生了多种性质的生物炭,农业废弃物来源的生物炭应用于农业废弃物堆肥,将更加有利于农业废弃物资源化,拓宽生物炭的应用方向。本综述总结了生物炭的主要性质及其促进农业废弃物堆肥资源化的研究进展,以期为生物炭在农业领域方面的应用提供指导作用。1 生物炭的性质 生物炭的理化特性是开展其研究与应用的重要512 安 徽 农 业 大 学 学 报 2023 年 基础。生物炭的主要性质包括 pH、比表面积和孔
10、隙体积、灰分含量和阳离子交换量(cation exchange capacity,CEC)等。1.1 pH 生物质原料显著影响生物炭的 pH 范围2-4。常见的生物炭种类主要包括木本类、秸秆类和畜禽粪污类。其中,秸秆类生物炭的 pH 范围在 7.110.9之间2;畜禽粪污类生物炭的 pH 范围在 6.313.0之间3;而木本类生物炭 pH 范围可以拓宽到 4.611.6 之间4。有文献表明,500 条件下猪粪制成的生物炭 pH 为 10.6,而同样温度下的秸秆炭 pH 为9.8、谷壳炭 pH 为 9.3、木炭 pH 为 8.95-6,这是由于这些生物质的结构不同。秸秆类生物质和木本类生物质由纤
11、维素、半纤维素、木质素和灰分等组成。相对于木本类生物质而言,秸秆类生物质中纤维素和半纤维素的占比较高,而纤维素和半纤维素属于多糖,经过高温热解易发生炭化。因此,在同一温度下,秸秆类生物质制备的生物炭中灰分较多,pH较高;而木本类生物质制备的生物炭中灰分较低,pH 较低。畜禽粪污类生物质属于非纤维素生物质,灰分含量更高。由此可见,不同原料类型制备的生物炭的 pH 值表现为畜禽粪污类生物炭秸秆类生物炭木本类生物炭7。生物炭 pH 也与热解温度密切相关。随着热解温度升高,生物炭 pH 呈升高的趋势。这主要是由于随着热解温度的升高,生物炭的 C-O 键、C-H 键和 O-H 键等减少,致使羟基和羧基等
12、含氧官能团数量下降。因此,酸性官能团数量降低,而碱性官能团数量增加,造成生物炭的 pH 值升高8。例如,Zhou 等9以废药渣为原料,在 200600 热解温度条件下制备的生物炭随着热解温度顺序 200、300、400、500 和 600,其对应的 pH 值分别为3.8、5.7、6.8、7.8 和 8.9。桉木在热解温度由 450 增至 950 时,其生物炭 pH 由 5.3 升至 9.28。此外,生物炭原料中的矿物质也对生物炭的碱性有贡献。例如,生物炭原料中的 CaCO3在高温热解时分解为 CaO,造成了生物炭 pH 值较高10。1.2 比表面积和孔隙体积 生物炭比表面积和孔隙体积的大小随热
13、解温度增加呈现规律性变化。热解温度升高,生物质原料的外表面经历脱水过程。随着脱水过程的不断加剧,原料外表面呈凹坑状,比表面积得以增加。由于生物质原料中的纤维素、半纤维素和木质素经历了脱水和热解过程,生物质内部结构被破坏而致孔壁变薄,大量微孔结构得以产生11。干猪粪经 300750 热解制备生物炭的比表面积、微孔比表面积、总孔体积和微孔体积均随热解温度升高呈增加趋势。例如,热解温度为 300 时的生物炭比表面积、微孔比表面积、总孔体积和微孔体积分别为 0.8 m2 g-1、0.1 m2 g-1、0.005 m3 g-1和 0.002 m3 g-1;当热解温度提高为 750 时,生物炭比表面积、微
14、孔比表面积、总孔体积和微孔体积分别升高到 37.6 m2 g-1、26.0 m2 g-1、0.04 m3 g-1和 0.01 m3 g-1。生物炭的比表面积、微孔比表面积、总孔体积和微孔体积分别增加了 47、260、8 和 5 倍12。生物炭的比表面积也与生物质原料类别及其原料颗粒大小有关。不同原料制备的生物炭的比表面积表现为木本类生物炭秸秆类生物炭畜禽粪污类生物炭。这是由于畜禽粪污类生物质为非纤维素生物质,而木本类生物质中的纤维素、半纤维素和木质素占比较高,在经历热解过程后,生物质中的纤维素和半纤维素易发生炭化,形成了大量微孔,所以这类生物质会产生较高的比表面积。比如,Ahmad 等13在
15、700 条件下制备的花生壳生物炭比表面积为 448.2 m2 g-1,大豆秸秆生物炭的比表面积为 420.3 m2 g-1;而同样温度下制备的鸡粪生物炭的比表面积仅为 50.9 m2 g-114。生物炭的比表面积也与原料颗粒大小有关。Cybulak 等15以小于 0.5 mm、0.51.0 mm、1.02.0 mm、2.05.0 mm 和大于 5.0 mm 5 种不同颗粒的木材废料为原料制备生物炭。生物炭的比表面积随木材颗粒的增大也增加。当颗粒尺寸从小于 0.5 mm 增加至大于 5.0 mm(增加 10 倍)时,生物炭的比表面积由 89.9 m2 g-1增至 109.9 m2 g-1(增加
16、1.2 倍)。1.3 灰分含量 灰分含量表征生物炭中的可溶性盐总量。一般通过马弗炉灼烧的方法测定灰分。灰分含量的多少与生物质原料有关。一般来说,不同原料来源生物炭的灰分含量表现为:畜禽粪污类秸秆类木本类。例如,同样在 700 条件下,鸡粪生物炭中的灰分含量为 46.2%16;大豆秸秆生物炭中的灰分含量为 17.2%13;而桉木类生物炭中的灰分含量仅为3.3%17。这是由于在这 3 类生物质中,畜禽粪污类生物质中的无机矿物质含量较高,制备所得的生物炭中的灰分含量也随之增加。电导率(Electrical conductivity,EC)在一定程度上可以反映灰分含量的多少。生物炭的 EC 与热解温度
17、和生物质原料有关。就热解温度而言,在中低温 300600 条件下,生物炭的 EC 随温度的升高而增加。如以小麦秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和50 卷 3 期 张建国等:生物炭调控农业废弃物堆肥过程的研究进展 513 水稻秸秆为原料,分别在 300、400、500 和 600 下热解制备生物炭18。这 4 种秸秆炭的 EC 值分别从 4.1 1、5.0、7.4 和 3.9 mS cm-1增至 6.9、7.7、10.7和 6.7 mS cm-1,增加幅度分别为 68.3%、54.0%、44.6%和 71.8%。这主要是由于热解温度升高,生物质中的纤维素、半纤维素和木质素发生热裂解,生成的无机矿物质溶于
18、水后致使生物炭 EC 增加19。而在 600 以上的热解条件下,生物炭的 EC 随热解温度的升高而下降。这是由于生物质经历了高温热解,P、Ca 和 Mg 等会发生挥发损失,导致生物炭的 EC 下降。生物炭的 EC 与生物质原料有关,不同原料来源生物炭的 EC 表现为:畜禽粪污类秸秆类木本类。例如,同样在 450550条件下,鸡粪生物炭的 EC 为 7.6 mS cm-120;水稻秸秆生物炭的 EC 为3.9 mS cm-121;而竹炭的 EC 为 0.25 mS cm-122。这是由于生物炭中的 EC 与灰分含量有关。Azargohar 等23用小麦秸秆、锯末、亚麻秸秆和鸡粪等热解制备生物炭,
19、结果表明 EC 和灰分之间呈较好的相关性,且 R20.85。1.4 阳离子交换量(CEC)CEC 是衡量离子交换和吸附性能的主要指标,可以反映出生物炭表面的负电荷参数,其大小也决定了生物炭在堆肥过程或者土壤中对阳离子的持留能力。生物炭的 CEC 与生物质原料有关。丁思惠 等24以杨树的不同组分(树叶、树枝和树皮)为原料制备生物炭,300 和 700 条件下,树叶含有较高的 CEC,这是因为相对于树皮和树枝而言,树叶的碳含量较低而灰分含量较高。生物炭的 CEC 也与热解温度相关,随着热解温度升高,秸秆生物炭的 CEC 呈增加趋势。300、500 和 700 条件下,秸 秆 炭 的 CEC 分 别
20、 为 20.7、23.0 和 24.2 cmol kg-124。但也有研究表明,随着热解温度升高,生物炭的 CEC 呈降低趋势。Subedi 等25以猪粪为原料,在 400 条件下制备生物炭的 CEC 为 52.5 cmol kg-1,而在 600 条件下制备生物炭的 CEC降至 18.6 cmol kg-1。随着热解温度的增加,秸秆炭CEC 呈增加趋势,而猪粪生物炭的 CEC 呈降低趋势,这主要由于猪粪含有较多的灰分,在较高的热解温度下,生物炭表面的含氧官能团急剧减少,表面负电荷呈减少趋势,致使 CEC 降低。2 生物炭应用于农业废弃物堆肥 堆肥指生物可降解废弃物在好氧条件下经微生物降解发生
21、矿(质)化和腐殖化作用,形成稳定腐殖质的过程26。堆肥不仅可以有效杀灭废弃物中的病菌和虫卵,而且能把废弃物中含有的营养元素转化为有机肥,直接用于农田。腐殖质具有改善土壤通气透水以及加强土壤保水保肥的功能,而且腐殖质中含有稳定的碳素,长期施用可增加土壤中有机碳的含量27。因此,堆肥是将废弃物转化为土壤肥料和调节剂的有效手段。农作物秸秆和畜禽粪便是我国主要的农业固体废弃物。据统计,2021 年我国农作物秸秆年产量 7.0 亿 t,其中以水稻、玉米和小麦秸秆为主,占秸秆总量的 76.0%。规模化养殖场畜禽粪污约 24.0 亿 t28。大量农作物秸秆的燃烧及未处置的畜禽粪污随意堆放会造成环境污染和资源
22、浪费。因此,秸秆和畜禽粪污需要被有效地资源化利用。而堆肥是一种易于操作、价廉、容易推广、适合我国农业废弃物资源化的方式。传统堆肥技术存在的不足在于堆肥过程中氮素损失较多,占总氮的 25.6%42.6%,其中以 NH3形式挥发是堆肥中氮素损失的主要形式,平均损失量占氮素损失总量的 54.8%29。此外,传统堆肥工艺主要考虑矿化和减量化,堆肥中约 60.0%70.0%的碳素被降解成CO2而释放到大气中30。氮素和碳素损失不仅增加碳排放,而且降低堆肥产品的营养品质30。在农业废弃物资源化利用及碳中和双重背景下,废弃生物质炭化后具有增加土壤肥力、提高作物产量和调控土壤中营养元素循环的作用,而且生物炭在
23、堆肥中的应用,既可以在堆肥过程中发挥促进腐殖化而固碳的功效,最终随堆肥产物还田后又可以改良土壤,为作物提供营养。生物炭在堆肥过程中的应用可以调控堆肥过程31、减少氮素损失29、增加堆肥产品碳素含量31,降低重金属的生物有效性32,最终提高堆肥产品质量。但由于生物炭呈颗粒状、粉状或者块状,其在堆肥过程中的填充作用并不及秸秆或木屑。然而相对于秸秆或木屑而言,生物炭作为外源调理剂在堆肥中的作用主要表现在其多孔、疏水性和低密度特性能改善堆肥通气状况;其表面含有的羧基和羟基等官能团可以与腐殖质单体上羧基和羟基等官能团发生化学结合,或者生物炭含有的酚基官能团通过电子传递生成醌基,从而促进腐殖质的生成;其影
24、响和调控堆肥微环境内微生物的菌群结构,最终会减少堆肥过程中的碳氮排放,吸附和降低重金属的生物有效性。2.1 调控堆肥过程 温度是监测堆肥过程的主要参数。堆肥过程中物料在微生物的作用下发生降解,产生的能量以热形式释放,使堆体温度升高,一般会达到 50 C 以514 安 徽 农 业 大 学 学 报 2023 年 上33。畜禽粪污堆肥的堆体温度高于 50 C,持续时间 510 d,才能满足粪便无害化卫生要求34。Zhou 等35以猪粪和水稻秸秆为原料进行堆肥,堆体在 5 d 内达到 50.0 以上,嗜热期持续 2 d;而在该处理中添加秸秆生物炭,堆体温度在第 3 天可达50.7,且第 1 次的嗜热期
25、持续了 56 d。Sanchez-monedero 等36以鸡粪和大麦秸秆为堆肥原料,当添加了木炭(木炭比例为原料混合物干重的3.0%)后,嗜热期、中温期和成熟期的堆体温度平均值分别达 64.0、42.7 和 19.7,相对于未添加生物炭的对照处理而言,堆体温度分别提高了 4.9、4.7和 0.7。这是由于生物炭的高比表面积及多孔特性,促进了堆肥通气而增加产热量,最终提高堆体温度。此外,由于生物炭填充了堆肥颗粒物质之间的空隙,降低了堆肥密度,减少了堆肥过程中的热量损失并延长了高温持续时间。pH 值是衡量堆肥产物酸碱度的指标。我国行业标准要求堆肥产品 pH 值应在 5.58.5 范围(NY/T
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