馬驍軒，蔡紅珍，付鵬，劉愛菊*.山東理工大學資源與環(huán)境工程學院，山東 淄博 55049；.山東理工大學農業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 55049

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中國農業(yè)固體廢棄物秸稈的資源化處置途徑分析

馬驍軒1，蔡紅珍2，付鵬2，劉愛菊1*
1.山東理工大學資源與環(huán)境工程學院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學農業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255049

摘要：對中國近年來以秸稈為代表的農村種植固廢的污染和危害做了簡要說明，提出了兩大類資源化處理處置技術：生物質資源化利用和生物炭資源化利用，并對各種資源化技術進行了初步的分析和比較。由于農業(yè)秸稈具有一定的元素和結構組成，是一種優(yōu)良的生物質材料，可以通過秸稈肥料化、飼料化、生物質塑料技術、生物質能燃料轉化和作為化工原料及建材來實現(xiàn)生物質的利用。同時由于秸稈可以轉化為生物質炭，生物質炭具有固定大氣碳素、改善土壤結構、修復受污染土壤、固持營養(yǎng)元素及提高作物產量的作用，因此生物質炭資源化利用也是很好的秸稈處置途徑。文章對秸稈的資源化處理途徑進行了總結和分析，指出了目前存在的不足和將來可能發(fā)展的方向。

關鍵詞：農業(yè)秸稈；資源化；生物炭

MA Xiaoxuan,CAI Hongzhen,FU Peng,LIU Aiju.Analysis of the Reutilization Methods for Agricultural Waste of Straw in Chinas [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):168-174.

農業(yè)污染，是指農村地區(qū)在農業(yè)生產和居民生活過程中產生的、未經合理處置的污染物通過地表徑流、農田排水和地下滲漏進入水體，或吸附于土壤以及排入大氣等而引起的水體、土壤、大氣的污染過程，具有位置、途徑、數量不確定，隨機性大，發(fā)布范圍廣，防治難度大等特點。目前，中國農業(yè)污染問題日益突出，對水體、土壤、大氣形成嚴重污染的同時，也對農產品安全、人體健康，乃至農村和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展構成嚴重威脅。主要來源有兩個方面，一方面是農村居民生產生活廢物，包括農業(yè)生產過程中不合理使用而流失的農藥、化肥、殘留在農田中的農用薄膜和處置不當的農業(yè)畜禽糞便、惡臭氣體以及不科學的水產養(yǎng)殖等產生的水體污染物。另一方面是農業(yè)種植固體廢棄物，以秸稈為代表，每逢秋收季節(jié)，由于缺乏有效的經濟利用價值與手段，大量農田秸稈被以簡單的焚燒法進行減容處理，得到的少量灰分以草木灰的形式回田，可以補償土壤中部分鉀、鈣等元素，而在秸稈焚燒過程中放出的煙霧已經構成現(xiàn)階段農業(yè)生產最為重大的面源性污染源之一。本文以農業(yè)生產過程中產生的固體廢棄物秸稈為研究對象，對其資源化利用技術進行初步分析和展望。作物秸稈是農作物生產過程中產生的一種生物資源。中國秸稈現(xiàn)在年產量突破8×108t，長期以來秸稈作為一類資源沒有得到充分合理的利用，大量的秸稈被丟棄、焚燒，不僅造成了資源浪費，還污染了環(huán)境，引起了全社會的廣泛關注。秸稈資源化利用技術總體來說可以分為兩大類，生物質資源利用技術和生物炭資源利用技術。目前，前者已經在廣大地區(qū)開展，并取得了良好的經濟效益；而后者則契合目前主流的低碳經濟，對降低溫室氣體排放，具有重大的戰(zhàn)略意義，同時也可得到一系列具有較高環(huán)境意義和經濟價值的產物。

1　秸稈的生物質利用

中國農業(yè)秸稈固廢數量大，種類多，但其元素組成和結構組成具有一定的范圍。元素碳、氫、氧、氮的總含量在75%以上（胡俊梅，2010），是一種優(yōu)良的生物質材料。現(xiàn)階段中國秸稈利用方式主要以秸稈肥料化、飼料化、生物質能燃料轉化為主，還有一部分用作化工原料及建材。

1.1秸稈肥料化技術

秸稈肥料化是最傳統(tǒng)的秸稈回收利用的手段之一，可以通過直接還田、焚燒還田、堆漚還田和過腹還田等方法加以利用（劉金鵬等，2011）。直接還田是在機械化收獲作物的同時粉碎秸稈還田，秸稈經翻埋后腐爛，其中的養(yǎng)分保留在土壤中可以有效增加土壤有機質；但秸稈中的病蟲卵可能引發(fā)病蟲害。焚燒還田則是將秸稈焚燒后得到草木灰，將其作為一種輔助鉀肥施加到田地中來提高土壤的養(yǎng)分；但秸稈焚燒會導致嚴重的大氣污染，已經成為目前霧霾的一大來源，因此國家已經明確禁止露天焚燒秸稈。過腹還田是指秸稈經過牲畜消化后，以牲畜糞便的形式施入土壤中，可以大幅提高土壤有機質、腐殖質，同時改變土壤的理化性質，改良土壤。堆漚還田是將秸稈作為畜牧養(yǎng)殖場的鋪料，經過清理后堆漚還田。秸稈堆肥技術是目前所采用的一類新型的秸稈回用技術，在一定的堆肥場地下，通過接種特定的降解微生物，在厭氧、好氧的不同條件下將秸稈有機質進行降解處理，產生農田肥料。然而，堆肥過程中氮素損失較大，磷、鉀等元素含量也不高，從經濟效益來看也不如化肥?？梢钥紤]采用其他生物技術，如蚯蚓消化，對秸稈堆肥技術進行改進（Edwards et al.，1997）。也可以根據堆肥產物的元素組成，有針對性的后加氮磷鉀等元素，對堆肥產物的肥力進行調節(jié)，在將秸稈資源化的同時提高其有效利用性。

1.2秸稈飼料化技術

作為一種替代性食物來源，秸稈作為飼料可以部分代替玉米等高價值農作物作為飼料的補充。在作為飼料應用前需要進行一定的預處理，如青貯、氨化、微生物發(fā)酵等化學、生化處理方法以及粉碎、切割、膨化和熱噴等物理處理方法。通過以上方法處理，可以有效提高秸稈飼料的粗蛋白含量，降低木質素和粗纖維含量。但是有些方法也存在一些不足之處，如化學法氮素流失較大，物理法能耗大且無法有效提高營養(yǎng)價值。相比之下生化法，尤其是厭氧青蓄發(fā)酵法，可以將部分纖維素的降解產物轉化為蛋白質類，在提高秸稈飼料營養(yǎng)價值的同時提高可消化率（張紅蓮等，2004），使最終產物的部分指標達到精飼料的標準。

1.3生物質塑料技術

秸稈作為一種生物質材料，可以用來合成可降解塑料，具有天然的環(huán)境親和力。國外經過對生物降解高分子材料廣泛的研究，已得到聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己內酰胺（PCL）等生物塑料；還可以在此基礎上開發(fā)可降解生物質復合材料，通過共混、擠出、熱壓、注塑等工藝將天然纖維材料與EVA、PVA等可降解材料復合，進一步強化了生物質材料的性能，降低了生物質材料的生產成本（郭文靜等，2008）。作為一種可以有效緩解白色污染壓力的新型塑料，必將在未來得到更廣泛的推廣和利用。

1.4生物質能轉化技術

生物質能轉化技術包括直燃發(fā)電、生物質氣化、生物質熱解和生物質燃料等途徑。

1.4.1直燃發(fā)電技術

秸稈直燃發(fā)電、供熱技術，可以實現(xiàn)熱電聯(lián)供。秸稈直燃發(fā)電的技術難點在于秸稈體積能量密度低，需要固化成型后才能作為有效的燃料進行燃燒；同時也對直燃機組的穩(wěn)定性和燃燒效率提出了較高的要求。中國近年來對秸稈固化成型技術有了較大的突破，但是對發(fā)電設備如直燃機組等還需要依賴國外技術。

1.4.2生物質氣化技術

生物質氣化技術可以采用固定床和流化床工藝形式，輸出產品為電力及燃氣。生物質氣化發(fā)電分為小型、中型、大型氣化發(fā)電系統(tǒng)。小型氣化發(fā)電系統(tǒng)主要采用固定床工藝，中型氣化發(fā)電系統(tǒng)一般采用流化床工藝，大型氣化系統(tǒng)工藝尚未成熟，應用較少。氣化技術中存在焦油堵塞問題，導致氣化站運行困難（萬曉紅，2006）。

1.5生物質快速熱解技術

生物質快速熱解技術是在高溫下，將生物質隔絕空氣或在少量空氣中加熱很短的時間，然后迅速冷卻，得到炭、熱解油和混合可燃氣。目前的研究方向是降低成本，提高熱解油的純度（董治國等，2004）。

1.6生物燃料

以秸稈為材料，開發(fā)生物質燃料主要有沼氣、乙醇、氫氣和生物柴油幾種轉化途徑。

沼氣是通過厭氧發(fā)酵菌群在厭氧條件下對秸稈、動物糞便等有機質進行發(fā)酵得到的。中國上世紀70年代開始推廣沼氣發(fā)酵技術，經過幾十年的發(fā)展，中國的沼氣發(fā)酵技術已經相當成熟。目前中國已有超過1300萬個戶在用沼氣池，并建設了很多大型沼氣發(fā)酵工程。

液體酒精燃料技術是利用生物技術通過發(fā)酵手段等把生物質轉化為乙醇的過程。以前主要通過糧食作物來生產酒精，為了節(jié)省糧食，目前以秸稈纖維素為原料制取燃料乙醇的技術也已經獲得突破（周勇，2005）。

氫氣是目前最理想的燃料，可以實現(xiàn)碳的零排放，因此受到了廣泛的關注。過去氫氣的主要制取方法是熱化學處理，處理成本過高無法實現(xiàn)產業(yè)化。近年來，利用光合菌、藻類和發(fā)酵細菌的生物制氫技術得到較快發(fā)展，提供了生物質制氫的新思路（Kim et al.，2006）。

生物柴油是利用可再生的動物和植物油脂為原料與甲醇或乙醇等醇類物質進行酯交換反應制得。目前，生物柴油的生產方法主要有直接混合法、酯交換技術、超臨界流體法、高溫熱裂解法和微乳液法（趙強等，2009）。生物柴油具有極好的發(fā)展前景，可以大大緩解石油的耗竭。

1.7秸稈建材及化工

1.7.1秸稈建材技術

可以利用秸稈中的纖維素和木質素制作建筑板材，其核心技術在于秸稈熱壓成型技術。中國已經掌握了熱壓板材生產中的關鍵技術并大幅降低了制造成本，生產出的秸稈板材具有質輕、強度高、剖面密度均勻、保溫性能好等特點，經特殊處理后還可阻燃、防火、防蟲。秸稈板材的使用可以替代部分高資源浪費型的傳統(tǒng)建材紅磚，保護中國的土壤資源，具有較好的市場前景。

1.7.2秸稈的化工應用

秸稈類生物質經水解、萃取等工藝處理后，可得到各種基本有機化工原料和新型材料，如糠醛。稻殼類因為富含硅元素，可以用來生產白炭黑、碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷；秸稈、稻殼經炭化后生產鋼鐵冶金行業(yè)金屬液面的新型保溫材料，而棉稈皮、棉鈴殼等含有木質素酚羥基，可以改性合成聚合陽離子交換樹脂吸收重金屬等。秸稈纖維素也是傳統(tǒng)濕法造紙工藝的主要原料之一。

1.8小結

隨著社會的發(fā)展，可再生能源的利用成為人們解決能源問題的主要途徑之一。因此，生物質能的利用也受到廣泛的重視，并在世界范圍內被推廣應用。而生物質產業(yè)可以利用可再生或循環(huán)的有機物質包括農作物、樹木和其它植物及其殘體、畜禽糞便、有機廢棄物以及利用邊際性土地和水面種植能源植物為原料通過工業(yè)性加工轉化進行生物質產品、生物燃料和生物能源生產，做到物盡其材，材盡其用，是緩解煤炭、石油、天然氣日益枯竭造成的危機，保護環(huán)境和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

2　秸稈生物炭資源利用技術

生物質炭是由植物生物質在完全或部分缺氧的情況下經熱解炭化產生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物質（Antal et al.，2003）。主要成分為纖維素、羰基、酸及酸的衍生物、呋喃、吡喃以及脫水糖、苯酚、烷屬烴及烯屬烴類的衍生物等成分復雜有機碳的混合物（張阿鳳等，2009）。從遠古時代起，南美洲亞馬遜河流域的土著居民就知道利用生物碳改善并保持土壤肥力。生物質炭在改善土壤性質、增加作物產量、提高土壤碳匯和控制農業(yè)溫室氣體排放方面扮演著重要角色（Chan et al.，2008a；Woolf et al.，2010），特別是近幾年來生物質炭在農業(yè)溫室氣體排放方面的應用研究更是成為眾多學者關注的焦點。同時，因其富含碳素、孔隙結構發(fā)達、比表面積大和離子交換量高等獨特的物理化學性質，生物炭在固定大氣碳素（Laird，2008）、修復受污染土壤（Uchimiya et al.，2010）、固持營養(yǎng)元素（Deluca et al.，2009）及提高作物產量（Van Zwieten et al.，2010）等方面的應用日益得到重視，被認為是未來的一種新型的環(huán)境和農業(yè)功能材料。

對農業(yè)種植秸稈來說，秸稈生物炭的回田可以起到固定碳素，改善土壤功能形態(tài)和肥力，控制重金屬等污染物的效果。

2.1碳的固定和溫室氣體的減排

Lehmann（2007）的研究表明，生物碳的轉化途徑可以阻斷不經過此途徑的占全球含碳量20%的碳通量流入大氣。因此通過生物碳轉化途徑處理固廢，可以大大減輕溫室氣體的排放壓力，實現(xiàn)不向大氣進行污染逆向轉移的固廢處置新思路。研究推測黑碳物質可在自然環(huán)境中穩(wěn)定上百年，碳元素半衰期甚至可達102～ 107年（Andrew，2010）。因此，轉化為生物炭的生物質所持有的碳元素就被鎖定在了土壤中不再參與全球碳循環(huán)，從而大大降低了溫室氣體二氧化碳的排放。

有人根據2001─2010年中國糧食的總產量，估算了每年中國秸稈焚燒所產生的CO2、CO以及碳總排放量，結果發(fā)現(xiàn)，中國糧食作物秸稈因焚燒年排放CO、CO2和總碳量分別為1.15×107、1.57×108和4.77×107t。中國糧食作物秸稈全部轉化為生物炭后年平均可固碳0.96×108t，如果把每年焚燒秸稈的量全部轉化為生物炭可減少近一半因焚燒秸稈排放碳的量（李飛躍等，2013）?？梢?，生物炭固碳技術是一種非常有前景的碳匯技術。

與此同時，生物碳的加入可以抑制土壤中的反硝化過程，從而減少相比CO2溫室效應更強的N2O的排放（Lehmann et al.，2006）。水稻種植田間試驗表明，與直接還田相比，秸稈炭化后還田可顯著降低稻田CH4和N2O的累積排放量，降幅分別為64.2%～78.5%和16.3%～18.4%。與不添加生物炭相比，無論種植水稻與否，添加秸稈炭和垃圾炭均顯著降低了稻田N2O的累積排放量；與秸稈直接還田相比，秸稈炭化后還田對水稻增產的效果更佳（劉玉學等，2013）。

2.2對土壤功能形態(tài)和肥力的改良

秸稈制成生物碳還田后，可以改良土壤的功能，提高土壤的肥力，尤其是對氮、磷營養(yǎng)元素淋溶損失的降低和生物有效性的提升具有積極意義。

為了探討冬小麥-夏玉米輪作制度下，生物質炭與化肥配施對土壤耕層全氮與堿解氮質量分數的影響，在華北經過高產農田3年的定位試驗后結果表明，施用生物質炭明顯增加了土壤耕層全氮的質量分數，對增加耕層土壤全氮量有積極意義（郭偉等，2011）。

淋洗作用是土壤氮肥損失途徑之一，也是環(huán)境水體氮素污染的重要途徑。研發(fā)降低土壤氮素淋失的技術途徑不僅有助于提高氮肥利用率和降低化肥的施用量，而且有助于防治水體污染和改善生態(tài)環(huán)境。對中國兩種重要土壤類型黒鈣土和紫色土氮素淋失的影響的研究表明，50和100 t·hm-2的玉米秸稈生物炭施用量降低黑鈣土氮素淋失分別為29%和74%，減少紫色土氮素淋失分別達41%和78%。但10 t·hm-2的生物炭施用量卻增加黒鈣土和紫色土氮素淋失量分別達到22%和2%。這表明較低的生物炭施用量會促進氮素的淋失。生物炭對有機氮淋失的抑制作用大于硝態(tài)氮。100 t·hm-2的生物炭施用量對有機氮和硝態(tài)氮淋失的降低率分別為88%和62%左右，因土壤類型不同而有所差異。上述研究結果為尋求防治土壤氮素淋失的技術方法提供了理論依據（周志紅等，2011）。

對灰漠土生物炭改良研究的結果表明，施用由棉花秸稈熱解制成的生物炭可促進小麥生長，兩茬小麥的地上部干物質重均顯著高于對照。施用生物炭可顯著提高土壤總有機碳和植物對氮素的吸收量以及土壤氮素殘留量，降低土壤整體氮素的損失。且生物炭熱解溫度越高，施用量越大，提高作用越明顯（馬莉等，2012）。而對灰漠土中磷的生物有效性的研究表明，施用秸稈和生物炭可以提高土壤Ca2-P含量，尤其是施用生物炭可顯著增加土壤Ca2-P和Al-P含量，但是Ca8-P和Fe-P含量有所減低。結果表明施用生物炭有助于提高灰漠土壤無機磷的有效性（蘇倩等，2012）。生物黑炭對灰漠土種植玉米的產量也有著重大的影響。施入20 和40 t·hm-2的生物黑炭，能顯著提高土壤有機質含量，與基礎土壤相比，提高了22.77%和49.80%，明顯高于秸稈還田羊糞和腐殖酸有機肥等對土壤有機質的提升效果。施用生物黑炭提高了玉米單穗重、千粒重產量以及生物量，降低了玉米的根冠比，促進玉米根系生長，而追施氮肥對玉米產量的影響差異不顯著。因此，施用生物黑炭能夠大幅度提高土壤有機質含量，對灰漠土土壤質量和作物產量以及農藝性狀的提高具有重要作用（唐光木等，2011）。

在中國土壤種類和面積中占據很大比重的酸性紅壤，存在著有機質含量低，酸度大、鹽基高度不飽和且有害鋁離子含量高等不利于作物生長的特點；因此作為中國主要商品糧生產基地的紅壤區(qū)，生物炭的施入對其具有更大的改良意義。在秸稈熱解為生物炭的過程中，所含的鉀鈣鈉等堿金屬和堿土金屬離子以氧化物或碳酸鹽的形式保留在灰粉中，具有一定的堿性，可以中和酸性土壤；同時補充土壤鹽基離子，提高鹽基飽和度（CEC）；而鈣離子可以有效拮抗鋁離子對植物根系的毒害作用。對小麥秸稈生物質炭對水稻產量及晚稻氮素利用率的影響的研究結果表明，施用生物質炭可提高酸性或弱酸性土壤pH值，降低土壤容重顯著提高水稻氮肥利用率；在40 t·hm-2施用水平下，長沙和進賢試驗點水稻氮肥吸收利用率分別提高20.33%和17.58%，進賢試驗點氮肥農學效率提高39.81%。因此在酸性土壤中施用生物質炭可提高氮肥利用率，保持水稻產量穩(wěn)定或有一定的增產效果（曲晶晶等，2012）。

相關研究表明，生物質炭對土壤理化性質的改善效果取決于生物質炭的施用量以及土壤本身的肥力水平。當生物質炭用量較低時（＜10 g·kg-1），其對土壤物理性質的影響不明顯。但當生物質炭用量達到50 g·kg-1甚至200 g·kg-1時，其對肥力水平較低的土壤的水穩(wěn)定性、團聚體數量、容重和飽和持水量均產生明顯影響，對土壤物理性質改善作用較為明顯；生物質炭在肥力水平較低的土壤上的改良效果明顯高于肥力水平高的土壤，且效果隨其用量的增加而增強；而在肥力水平較高的土壤中施用高量生物質炭（超過200 g·kg-1）則導致土壤微生物生物量下降（黃超等，2011）。

近年來的大量研究認為生物質炭作為土壤改良劑，具有很高的穩(wěn)定特性并難于分解，可有效提高土壤肥力，服務于生態(tài)系統(tǒng)。生物質炭對土壤物理性質改善可以歸納為提高土壤孔隙度（Steiner et al.，2007；Yanai et al.，2007）和表面面積，降低土壤的拉伸強度進而提高根部熔深（Chan et al.，2008b），降低土壤容重，在重力排水平衡上可以保持更多的水分，從而表現(xiàn)出更大的水截留潛力和表面積。

由此可見，作物秸稈無氧高溫熱解制備的生物炭施用于土壤可以大幅度提升土壤碳庫，并因其結構性質有利于農田土壤固持養(yǎng)分，提高氮磷養(yǎng)分利用率，改善微生物生境，從而達到提高土壤質量而促進作物增產的雙贏效果。

2.3對有害污染物的控制

生物炭進入土壤后，由于其內部所富含的微孔結構以及本身具有的強芳香性和配位性，對環(huán)境中常見的有毒物質如重金屬具有較強的吸附作用；而對于早已引起廣泛關注的環(huán)境疏水性持久性有機污染物，生物炭可以顯示出很強的吸附滯留能力，大大降低其生物有效性。因此生物炭對污染土壤的治理和修復具有重要的意義。

近年來，國內開展了很多關于生物炭對土壤中重金屬離子吸附滯留的研究。

對可變電荷土壤吸附Pb2+的研究表明，添加花生秸稈炭和稻草炭使土壤pH提高了1.04～3.00個單位，且土壤pH增加幅度隨生物質炭制備溫度的升高而增加。等溫吸附實驗的結果表明，添加生物質炭增加了Pb2+在可變電荷土壤表面的吸附量，從而降低土壤溶液中的有害離子含量（蔣田雨等，2013）。

而對由小麥秸稈、玉米秸稈和花生殼經350～500 ℃熱裂解制成的生物質炭吸附Pb2+和Cd2+的研究表明，生物質炭對Cd2+和Pb2+的吸附約10 min即達平衡；玉米秸稈炭的最大吸附量遠大于小麥秸稈炭和花生殼炭；在生物黑炭投加量為150 mg （6 g·L-1）時，3種生物黑炭對溶液Cd2+的去除率均在90%以上，玉米秸稈炭對溶液Pb2+的去除率達90.30%，而小麥秸稈炭和花生殼炭的去除率僅為52%和47%，玉米秸稈炭有望成為處理重金屬污染廢水的新型吸附材料（劉瑩瑩等，2012）。

利用秸稈生物炭對某電鍍廠污染場地進行的穩(wěn)定化研究表明，秸稈生物炭能夠改變污染土壤中重金屬的形態(tài)分布，對污染土壤有明顯的穩(wěn)定化作用。其中對鉻的作用效果最明顯，對銅和鎳的穩(wěn)定化效果受添加量的影響，對鋅則無明顯穩(wěn)定化作用。當生物炭添加量為50 g·kg-1時，4種重金屬殘渣態(tài)總量較對照（1745 mg·kg-1）明顯增加，為1805.95 mg·kg-1，添加量也較為合理（甘文君等，2012）。

水稻秸稈生物炭對Pb2+的吸附特性研究表明，隨著熱解溫度的升高，生物炭表面含氧官能團的數目下降，芳香化程度升高，微孔結構逐漸發(fā)育，比表面積逐漸增大。4種不同溫度制備的生物炭對Pb2+的吸附反應過程滿足準二級動力學方程，隨著溶液初始pH值的升高，生物炭的吸附量增加；在300～600 ℃范圍內，低溫條件下制備的生物炭對重金屬離子有更強的吸附能力（安增莉等，2011）。

也有研究表明，以農業(yè)廢棄物水稻秸稈為原料，采用限氧裂解法在350、500和700 ℃下制備的秸稈生物炭對Pb2+的吸附行為符合準一級動力學方程，等溫吸附曲線符合Langmuir方程，最大吸附量分別為65.3、85.7和76.3 mg·g-1，是原秸稈生物質的5～6倍，活性炭的2～3倍；生物炭單位面積上的有效吸附點位比活性炭高約10倍。但經酸化去除表面礦物成分后，350和700 ℃制備的樣品對Pb2+的吸附能力急劇下降，其最大吸附量、吸附親和力與活性炭相近。表明生物炭中的有機碳組分和無機礦物組分對其吸附Pb2+均有重要貢獻，其中無機礦物組分的吸附量及親和力均大于有機碳組分（陳再明等，2012）。

為考察秸稈生物質炭在重金屬污染紅壤修復中的作用，有人開展了用一次平衡法確定由花生秸稈、大豆秸稈、稻草秸稈和油菜秸稈制備的4種生物質炭對采自江西和廣西的2種紅壤吸附Cu2+的影響及其機制的研究。結果表明，添加由農作物秸稈制備的生物質炭提高了紅壤對Cu2+的吸附量，生物質炭對Cu2+吸附的促進作用隨生物質炭添加量的增加而增加，低pH值條件下促進作用更明顯。生物質炭表面帶負電荷，可以同時增加紅壤對Cu2+的靜電吸附量和專性吸附量，但以增加專性吸附為主。因此，添加秸稈生物質炭可以有效降低Cu2+在酸性紅壤中的活動性和生物有效性（佟雪嬌等，2011）。

以棉花秸稈制備的生物炭對溶液中鎘的吸附性能的研究表明，生物炭對Cd2+的吸附可以用Freundlich等溫線較好地擬合，在不同溫度下其飽和吸附量分別為9.738 mg·g-1（288.15 K）、10.14 mg·g-1（298.15 K）、10.40 mg·g-1（308.15 K）和10.71 mg·g-1（318.15 K），熱力學參數表明生物炭吸附Cd2+的過程是自發(fā)的吸熱過程，吸附動力學過程符合二級動力學模型，在40 min即可達到平衡；pH對生物炭吸附Cd2+的影響較大，在pH 2～8范圍時，生物炭對Cd2+的吸附量隨pH的增加先上升后下降；生物炭對Cd2+的吸附量隨著溶液離子強度的增大呈降低趨勢（郭文娟等，2013）。

玉米秸稈生物炭對Cd（Ⅱ）的吸附機理研究表明，在350和700 ℃熱解溫度下分別制備的兩種生物炭BC350、BC700具有較大的的差異，BC700芳構化程度更高，疏水性更強，比表面積更大，孔結構發(fā)育更加完全。對吸附過程的研究表明Two-site Langmuir吸附等溫模型比One-site Langmuir吸附等溫模型能更好描述Cd(Ⅱ)在生物炭表面的吸附。BC700對Cd（Ⅱ）的吸附容量大于BC350，解吸率遠小于BC350，吸附效果更好；離子交換和陽離子-π作用兩種吸附機理同時存在并共同作用，前者分別占BC350和BC700總吸附容量的13.7%和1.1%，后者分別占86.3%和98.9%，陽離子-π作用成為最主要的吸附作用。生物炭表面的含氧官能團和共軛芳香結構分別提供不同機理的吸附位點。由于具有更多的離子交換位點，BC350對Cd（Ⅱ）吸附受pH影響較BC700更大（李力等，2012）。

對生物炭對有機污染物作用的研究也有很多。有人將稻草、稻殼、大豆和花生秸稈低溫熱解制備生物質炭，用平衡吸附實驗和淋溶實驗研究其對陽離子染料亞甲基藍的吸附及對水體中亞甲基藍的去除效果。結果表明，4種生物質炭吸附亞甲基藍能力為稻草炭＞大豆秸稈炭＞花生秸稈炭＞稻殼炭，這一順序與生物質炭表面負電荷數量和生物質炭比表面的大小順序基本一致。生物質炭可以用作高效吸附劑去除染料廢水中的亞甲基藍（徐仁扣等，2012）。

有人通過室內培養(yǎng)實驗，設定對照和添加1%小麥秸稈生物質炭，研究生物質炭對土壤中氯苯類物質老化殘留和生物有效性的影響，并通過丁醇、HPCD和Tenax這3種化學提取方法以及蚯蚓富集實驗評價土壤中氯苯類物質生物有效性的變化。結果表明添加生物質炭能夠促進氯苯的消減，且顯著降低土壤中氯苯的生物有效性，隨著老化時間延長，降低效果更為顯著。添加生物質炭可顯著降低蚯蚓對氯苯的生物富集系數，這說明生物質炭能降低土壤中有機污染物的生物有效性（宋洋等，2012）。但高污染殘留存在潛在的環(huán)境風險，在長時間尺度內可能會形成新的次級污染源。

對水稻秸稈生物炭的結構特征及其對有機污染物的吸附性能的研究表明，水稻秸稈生物炭含有豐富的有機碳組分和無機礦物組分，隨著裂解溫度升高，生物炭中有機組分的含碳量逐漸升高、極性減弱、芳香性增強，而無機礦物組分的相對含量則不斷增加；當裂解溫度從300 ℃升至400 ℃時，比表面積突然增大，微孔結構被打開，主要由于水稻秸稈中纖維素組分大量分解產氣所致。水稻秸稈生物炭吸附有機污染物的主要介質為有機組分，等溫吸附曲線符合Freundlich方程，隨炭化溫度升高，等溫吸附曲線由線性變?yōu)榉蔷€性，吸附機制從分配作用變?yōu)榉峙渥饔?表面吸附作用再到完全的表面吸附作用，吸附容量變大（陳再明等，2013）。生物質炭在熱解過程中發(fā)生的變化及其對疏水性有機污染物吸附特性的影響，跟我們先前所做的干酪根熱模擬成熟演化過程及其對持久性有機物吸附解吸特性的影響的結論幾乎完全一致（Zhang et al.，2014）。這體現(xiàn)了生物質在地質熱演化作用下和熱解作用下發(fā)生演化過程的一致性。

針對環(huán)境中抗生素污染日益嚴重的問題，有人通過室內分析試驗研究玉米秸稈生物質炭對外源金霉素的吸附與解吸特性，結果表明玉米秸稈生物質炭對金霉素的吸持動力學過程包括快速反應和慢速平衡兩個階段，適合用擬二級動力學方程進行擬合，反應進行12 h時基本達到吸持平衡；玉米秸稈生物質炭對金霉素有很大的吸持容量和吸持強度，能夠強烈吸持溶液中的金霉素且解吸率較低，因此玉米秸稈生物質炭對外源金霉素有很好的去除效果。

2.4總結與前瞻

綜上所述，農業(yè)種植秸稈的生物炭處置資源化途徑對碳的固定和溫室氣體的減排、土壤功能形態(tài)和肥力的改良、有害污染物的控制均具有重要的意義。然而，目前生物質炭研究在國內外仍處于起步階段，制備生物炭所采取的材質以及研究的手段、應用的場合也各不相同，因此研究結果缺乏可比性。不同材料、溫度等條件制備的生物質炭性質差異很大（何緒生等，2011）。同時且生物質炭在制備過程中會產生少量有毒有機物質，因此施用于作物之前要進行有毒有害物暴露風險評估。也有學者提出必須開展生物質炭標準研究和全國多點聯(lián)網研究（謝祖彬等，2012）。另外，很多研究僅僅在短時間尺度內發(fā)現(xiàn)生物質炭對土壤改良有一定的效果，但其長期效應仍需進一步研究。而且限于實際條件，大多數研究僅限于室內模擬和小規(guī)模田間試驗，在秸稈生物炭大規(guī)模推廣應用之前還需考慮其大批量制備及制備成本問題（袁金華等，2011）。生物質炭對土壤與植物的效應研究上，目前多集中于宏觀現(xiàn)象研究，微觀上作用機理仍不甚明了，這也是今后研究的重要方向。如果在改良土壤和植物的作用機理上有所突破，就可以有的放矢的指導生物質炭的生產以及確定合理的農田施用量（Knowles et al.，2011），以期收到生物炭資源利用的最佳效果。

3　結論

中國能源資源緊張、“三農”問題突出，利用好中國豐富的秸稈生物質資源，對于推動農業(yè)產業(yè)結構調整、解決能源短缺問題有極大的幫助，對農民、農業(yè)和農村問題的解決具有積極的意義。目前，國際生物質資源開發(fā)的主要方向是能源和生物質材料的開發(fā)。我們應立足于中國的具體國情，選擇最適當的資源化利用方式，合理規(guī)劃，合理布局，充分利用起中國豐富的秸稈資源，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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Analysis of the Reutilization Methods for Agricultural Waste of Straw in China

MA Xiaoxuan1,CAI Hongzhen2,FU Peng2,LIU Aiju1*
1.School of Resource and Environment,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China; 2.School of Agricultural Engineering and Food Science,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China

Abstract:This article gives a brief introduction for the pollution and harm of agricultural wastes such as straws in China these years,puts forward two kinds of recovery measures:biomass recycling and biochar recycling，and makes elementary analysis and contrast.Because agricultural straws have a certain formation of element and structure,so they are a kind of fine biomass material.Straw biomass can be used by ways of fertilizer,fodder,plastic,fuel,chemical industrial material and building materials.On the other hand,straws can be transformed to biochar which can be used to capture carbon from the air,improve soil structure,restore polluted soils,keep nutrient element in the soil and increase farm harvest finally,so biochar is also a good way to handle straws.In this article a summary and analysis of both measures for the reutilization methods of straws are made,and the shortcomings nowadays and the potential improvement in the future for both measures are also put forward.

Key words:agricultural straws; reutilization; biochar

收稿日期：2015-09-23

作者簡介：馬驍軒（1981年生），副教授，博士，主要研究方向為環(huán)境污染物的環(huán)境行為和污染治理。Email:casmxxcas@126.com*通信作者：劉愛菊

基金項目：山東省自然科學基金項目（ZR2014BL034）；山東省自然科學基金項目（ZR2015DM010）

中圖分類號：X24

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）01-0168-07

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.025

引用格式：馬驍軒,蔡紅珍,付鵬,劉愛菊.中國農業(yè)固體廢棄物秸稈的資源化處置途徑分析[J].生態(tài)環(huán)境學報,2016,25(1):168-174.