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滕洪輝1，2，張靜1，張萌1，任楚奇1，李昂1，戴昕東1，李澤慧1
（1.吉林師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林四平136000；2.吉林師范大學(xué)吉林省高校環(huán)境材料與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林四平136000）
摘要：農(nóng)作物秸稈作為一種可再生資源，將其制成各類產(chǎn)品的技術(shù)方法研究逐漸增多。其中，利用熱解法、水熱法、微波法和氣化法等技術(shù)，將各種秸稈制備成生物炭，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳材料用于環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的研究，被眾多學(xué)者所關(guān)注。從制備工藝、產(chǎn)率和能耗角度，對(duì)熱解法、水熱法、微波法和氣化法制備生物炭進(jìn)行了對(duì)比分析，水熱法制備工藝條件溫和、產(chǎn)率高、產(chǎn)品分散性好，有望成為秸稈生物炭的優(yōu)選方法。通過(guò)總結(jié)生物炭在環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面應(yīng)用的研究發(fā)現(xiàn)，不同秸稈制備的生物炭主要依靠吸附和還原性能影響重金屬的遷移轉(zhuǎn)化，改變土壤微生物生存環(huán)境，提高土壤持水能力；秸稈生物炭還可以改善土壤組成，起到增加有機(jī)質(zhì)固碳增產(chǎn)的作用。但是，生物炭的循環(huán)利用以及對(duì)土壤環(huán)境的負(fù)面影響還需進(jìn)一步開(kāi)展系統(tǒng)性的研究，為秸稈生物炭的規(guī)模化應(yīng)用提供技術(shù)保障。
0引言
秸稈是農(nóng)作物收割后剩下的莖葉，作為糧食作物副產(chǎn)物其富含植物生長(zhǎng)所需的多種營(yíng)養(yǎng)元素，儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、開(kāi)發(fā)清潔、成本低廉，是一種可再生資源。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，每年都會(huì)產(chǎn)生大量秸稈，但處置方式比較單一，主要作為燃料[1]，少部分摻入飼料、用于肥料[2-3]、制成生物炭等加以利用。近幾年，我國(guó)秸稈資源化利用逐漸增加，但占比仍然較低，經(jīng)濟(jì)效益不高，不僅造成資源的浪費(fèi)還會(huì)污染環(huán)境，秸稈焚燒正是誘發(fā)P㎡。5污染事件頻出的因素之一，所以秸稈如何高效資源化處置已經(jīng)成為社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。
生物炭作為一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的材料受到廣泛關(guān)注，以秸稈為原料制生物炭及其應(yīng)用研究的報(bào)道逐漸增多。秸稈生物炭具有諸多優(yōu)異的性能，例如，高芳香化和雜環(huán)化結(jié)構(gòu)使其具有良好的吸附性能；比表面上分布的多樣微孔結(jié)構(gòu)、富含多種營(yíng)養(yǎng)元素的基團(tuán)，為微生物提供了良好的棲息環(huán)境從而顯著提升微生物活性[4]。在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)一步表明，秸稈生物炭可以直接還田或者作為堆肥原料還田，還可以用于土壤修復(fù)、去除重金屬、制電極等。可見(jiàn)，秸稈制生物炭已經(jīng)成為一種高附加值的秸稈資源化處置方法。本文重點(diǎn)對(duì)秸稈制生物炭的制備方法及其在環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步推動(dòng)秸稈資源化處置利用提供借鑒。
1秸稈生物炭制備方法
1.1熱解法
熱解法是共價(jià)鍵斷裂引發(fā)的自由基反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理如圖1所示，生物質(zhì)升溫后首先脫水，大分子碎片變?yōu)樾》肿樱^續(xù)升溫后自由基重組、揮發(fā)，苯環(huán)斷裂成芳烴化合物，最終形成無(wú)定形碳。用此法制備的生物炭比表面積大并且表面含有豐富的官能團(tuán)。根據(jù)反應(yīng)溫度以及停留時(shí)間的不同，秸稈熱解分為快速、中速、慢速熱解。快速熱解是秸稈在400～650℃下停留數(shù)秒迅速氣化制得氣態(tài)（生物質(zhì)氣）或液態(tài)產(chǎn)品（生物油）；中速與快速熱解溫度相似但停留時(shí)間在數(shù)秒到數(shù)分鐘不等，制得產(chǎn)物為固態(tài)（粉末）或液態(tài)（生物油）；與之相比慢速熱解停留時(shí)間大大加長(zhǎng)，一般在400～800℃下保持?jǐn)?shù)分鐘到數(shù)小時(shí)不等，得到的產(chǎn)物為固態(tài)樣品，即生物炭。因此，秸稈熱解制生物炭均為慢速熱解法。
H.Muhammad等[5]采用熱解方法在N2氣氛下，600℃保持3h，制得生物炭并用于修復(fù)鎘污染的土壤。X.Tian等[6]以蘆葦和稻草為原料，在N2保護(hù)下采用控制升溫速率（50℃/1。5h）的熱解法，從200℃升溫到450℃并保持30min，制得的生物炭產(chǎn)率達(dá)到384.4、365.7、348.3g/kg。H.Gong等[7]不用N2保護(hù)，采用限氧條件控制升溫速率（20℃/min）熱解法，以小麥秸稈為原料在馬弗爐中制備生物炭，熱解溫度300℃、700℃各反應(yīng)4h制得生物炭，然后將生物炭放入改性液中攪拌數(shù)分鐘、調(diào)pH為5，24h后過(guò)濾，用去離子水清洗后烘干備用。施用土壤中能緩解土壤酸化和板結(jié)，改善土壤生態(tài)功能。P.Zhang等[8]用球磨改性后熱解制備生物炭，將10g秸稈粉放入150mL去離子水中攪拌2h，倒入500mL瑪瑙球磨槽中，用200g瑪瑙以300r/min的速度球磨2h，球磨改性完成后凍干保存，在N2保護(hù)下，升溫速率為5℃/min，900℃保持2h制得生物炭。熱解法制備生物炭，控制熱解氣氛（氧含量）至關(guān)重要，其次是熱解溫度和熱解時(shí)間、升溫速率。
1.2水熱法
水熱法是指在密閉的容器內(nèi)，以水為溶劑，在高溫高壓條件下的化學(xué)反應(yīng)。S.Ｒamesh等[9]研究得到水熱檳榔殼對(duì)質(zhì)量濃度為25mg/L的鉛去除率可達(dá)95%，生物炭與蒸餾水（1g：10mL）在聚四氟乙烯內(nèi)襯中溫度保持在180～220℃，9h制得水熱炭并烘干，烘干后產(chǎn)率可達(dá)57.8%。C.Kong等[10]將核桃殼與去離子水以1∶10的質(zhì)量比混合，在240℃下水熱反應(yīng)4h，用乙醇洗滌至無(wú)色，再用去離子水洗滌至中性后烘干備用，后續(xù)對(duì)其做改性處理，對(duì)堿性染料的去除效果甚佳。S.Guo等[11]用類似方法分別在120、160、200、240、280℃保溫2h，發(fā)現(xiàn)溫度越高固定碳含量越高，在280℃時(shí)碳化程度最好。
1.3其他方法
除常用的熱解法和水熱法外，也有少量學(xué)者用微波法或氣化法將秸稈資源化處置。微波法主要是利用微波輻射使生物質(zhì)內(nèi)的微觀粒子相互碰撞而產(chǎn)生熱，從而溫度達(dá)到反應(yīng)條件，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。Y.Huang等[1]在缺氧狀態(tài)下，研究了微波功率和處理時(shí)間的影響，隨著微波功率和處理時(shí)間增加，產(chǎn)率減小但熱值增高，制得的生物炭可替代煤或煤共燃材料，在250W微波功率作用下處理30min，熱值可到達(dá)30MJ/kg。Ｒ.K.Liew等[12]在500～700W熱解25min，產(chǎn)率可達(dá)38%，熱值可達(dá)26MJ/kg，熱解20min后沒(méi)有熱解揮發(fā)物的排放，對(duì)亞甲基藍(lán)燃料的吸附效率為48mg/g。許煌等[13]將花生殼用微波法制成生物炭，應(yīng)用于對(duì)亞甲基藍(lán)染料的吸附，吸附率最大可達(dá)94.2%，最優(yōu)條件為微波功率600W、停留時(shí)間7.5min、浸漬時(shí)間36h。氣化法是生物質(zhì)在缺氧狀態(tài)下燃燒產(chǎn)生無(wú)污染或污染少的可燃?xì)獾姆椒ā＝斩挌饣夹g(shù)的基本原理包括干燥、裂解、氧化、還原四個(gè)階段生成秸稈燃?xì)鈁14]，但秸稈氣化技術(shù)存在非常多的限制性條件，比如要關(guān)注到秸稈燃?xì)鉄嶂岛颓鍧嵍鹊龋枰谕茝V秸稈能源化利用的過(guò)程中逐步完善、解決。李青霖[15]在水蒸氣或氧氣單一氛圍以及混合氛圍下對(duì)玉米秸稈炭開(kāi)展氣化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明水蒸氣與氧氣在不同溫度下共氣化過(guò)程中都存在協(xié)同作用，且在較低溫度時(shí)，協(xié)同作用更為明顯。吳有龍等[16]在800℃下，將空氣作為氣化劑，處理1h制得稻殼活性炭，產(chǎn)率可維持在31.39%～41.73%，吸附性能良好，碘吸附值1984.85mg/g、甲基橙飽和吸附量為217.87mg/g。不同生物炭制備方法的反應(yīng)工藝與產(chǎn)率如表1所示。其中，微波法和氣化法反應(yīng)時(shí)間短，能耗低，但是產(chǎn)率低；熱解法產(chǎn)率高，最容易規(guī)模化生產(chǎn)，雖然其存在反應(yīng)條件苛刻，反應(yīng)時(shí)間偏長(zhǎng)的缺點(diǎn)，仍然是生物炭的主要制備方法；水熱法反應(yīng)時(shí)間偏長(zhǎng)，但是反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高，而且水熱法制得的生物炭分散性好，缺點(diǎn)是在密閉的容器中進(jìn)行，無(wú)法觀察到反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)溫度、升溫速率及停留時(shí)間等都能影響水熱反應(yīng)的效率。
2在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用
多位學(xué)者以小麥、水稻或玉米秸稈為原料，采用熱解方法將其制成生物炭，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)改性，用于環(huán)境領(lǐng)域重金屬去除研究（見(jiàn)表2）。結(jié)果表明，秸稈制生物炭對(duì)鉻、鉛、鎘等重金屬展現(xiàn)出良好的吸附性能[17-19]。還有研究者以稻殼和方解石為原料，按照一定的原料比混合，在700℃下熱解制得改性生物炭，基于生物炭表面官能團(tuán)和方解石自身礦物特征協(xié)同作用，形成多相多層吸附位點(diǎn)，可高效吸附磷酸鹽[20]。生物炭多采用熱解法制備，降低加熱速率、延長(zhǎng)炭化時(shí)間等可提高生物炭的比表面積、孔徑和孔體積[21]，為環(huán)境污染物控制和生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。
2.1土壤修復(fù)
土壤中的重金屬具有難降解性、遷移性和毒害性，長(zhǎng)期在土壤中積累可通過(guò)食物鏈進(jìn)入動(dòng)植物體內(nèi)，給人類帶來(lái)健康風(fēng)險(xiǎn)。生物炭良好的吸附性能降低重金屬在土壤中的浸出能力，減少在生物體內(nèi)的積累。J.Jiang等[26]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)秸稈生物炭可以通過(guò)給電子還原和吸附作用降低重金屬砷的遷移性和生物毒性，秸桿生物炭的微觀結(jié)構(gòu)具有良好的重金屬修復(fù)性能，應(yīng)用秸桿生物炭使土壤中酸溶性砷降低80%，效果顯著。對(duì)比H.Muhammad等[5]對(duì)土壤微生物改性小麥秸桿和生物炭降低鎘浸出潛力和生物有效性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)秸稈體系顯著提高了木質(zhì)纖維素的降解，對(duì)土壤中重金屬的吸附較強(qiáng)，改善了土壤的生態(tài)功能。實(shí)驗(yàn)表明，生物炭和水分管理對(duì)土壤的Eh、pH、DOC等因素有顯著影響，從而影響鉻的形態(tài)轉(zhuǎn)化和在農(nóng)作物中的積累，所以生物炭和水管理的結(jié)合緩解了土壤中的鉻污染[27]。另外，可以在磁場(chǎng)的作用下將磁性生物炭與土壤中的重金屬一起去除，達(dá)到土壤中重金屬修復(fù)的作用，分別用300℃和700℃熱解的麥草秸稈進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)這兩種麥草秸稈生物炭對(duì)重金屬鉛的去除效率無(wú)明顯差異，未來(lái)還可以進(jìn)一步對(duì)磁性生物炭性能優(yōu)化或者再生利用等[7]。
J.Guo等[28]利用玉米秸稈生物炭活化過(guò)硫酸鹽溶液降解土壤中的苯并芘，發(fā)現(xiàn)比H2O2的去除效果好，因此生物炭活化過(guò)硫酸鹽氧化是極具潛力的土壤修復(fù)技術(shù)，而且在一定程度上能緩解土壤酸化和板結(jié)，改善土壤的營(yíng)養(yǎng)組成，應(yīng)用前景良好。F.Ｒonss等[29]通過(guò)慢速熱解制備生物炭研究發(fā)現(xiàn)向土壤中添加生物炭最初降低了碳礦化速率，對(duì)此可能的解釋是土壤微生物群落需要適應(yīng)新的條件。不穩(wěn)定碳和穩(wěn)定碳的存在很大程度上取決于熱解過(guò)程的強(qiáng)度，包括停留時(shí)間和處理溫度。生物炭的性質(zhì)因其生產(chǎn)原料和生產(chǎn)方法而異，所以研究結(jié)果存在差異。針對(duì)不同污染類型，需要深入研究生物炭的生產(chǎn)方法、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，提高環(huán)境修復(fù)效率。
2.2廢水處理
由于“三廢”污染環(huán)境水體，使水體中的有害金屬逐年增加。重金屬進(jìn)入人體后會(huì)使某些酶失活，從而出現(xiàn)中毒癥狀，威脅人體健康。重金屬毒性與金屬種類、形態(tài)、濃度和價(jià)態(tài)密切相關(guān)。S.Ali等[18]將小麥秸稈生物炭用于去除水體中重金屬研究，在相對(duì)酸性條件下，小麥秸稈生物炭對(duì)六價(jià)鉻去除率可達(dá)97%，壓泥生物炭去除率為91%，六價(jià)鉻吸附后被還原為三價(jià)鉻，毒性降低，在吸附過(guò)程中主要是羥基自由基的作用，不會(huì)產(chǎn)生有毒的二次廢物。此外，J.Ding等[19]將生物炭與枯草芽孢桿菌耦合，對(duì)比生物炭單一作用去除水中的鎘，耦合后去除率提高近30%。生物炭與枯草芽孢桿菌去除鎘的第一階段是以生物炭為主的吸附階段，第二階段以枯草芽孢桿菌的吸附為主，第三階段是復(fù)合體系形成生物膜去除鎘的階段。對(duì)秸稈生物炭進(jìn)行適合的改性可以進(jìn)一步提高吸附能力，H.Zhang等[24]用等體積的硝酸和過(guò)氧化氫改性水稻秸稈生物炭，生物炭改性后酸性官能團(tuán)和比表面積顯著增加，與改性之前相比，水溶液中Cd2+的吸附量從69.3mg/L提高到93.2mg/L，特別是對(duì)污水中高濃度的鎘的去除效果顯著增強(qiáng)。也有學(xué)者用氧化物改性生物炭，G.Tan等[22]用KMnO4溶液改性制備了MnOx包覆的水稻秸稈生物炭，對(duì)比水稻秸稈生物炭和MnOx包覆的水稻秸稈生物炭吸附Pb2+，發(fā)現(xiàn)后者吸附容量?jī)?yōu)于前者。碳酸鹽和羧酸鹽有助于稻稈生物炭對(duì)鉛的吸附。厭氧消化生物炭對(duì)鉛的吸附主要是通過(guò)形成磷酸鹽、硅酸鹽沉淀和與羧酸鹽基團(tuán)絡(luò)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的[23]。可見(jiàn)，改性水稻秸稈生物炭是提高吸附能力的簡(jiǎn)單有效方法，在實(shí)際廢水處理中具有良好的應(yīng)用前景。
此外，Ｒ.Meng等[25]以玉米秸稈為原料然后經(jīng)過(guò)氯化銫、鋅、鋯進(jìn)行改性得到三種生物炭用于可滲透的反應(yīng)屏障去除水中的釩，結(jié)果表明改性后的生物炭在吸附過(guò)程中沒(méi)有重金屬的浸出，且鋅-活性炭對(duì)水中釩的去除可達(dá)到100%。P.Zhang等[8]以報(bào)紙和玉米秸稈為原料，利用球磨和連續(xù)氧化改性的技術(shù)打開(kāi)了玉米秸稈多孔的立體結(jié)構(gòu)，極大地增加了比表面積，比表面積達(dá)到1065㎡/g，且有優(yōu)異的再生性能，制成超強(qiáng)吸附劑，有效的去除了水環(huán)境中農(nóng)藥和抗生素的污染，吸附效率可達(dá)85%以上。當(dāng)熱解溫度不同時(shí)，秸稈生物炭的理化性質(zhì)和吸附能力大不相同，W.Guo等[30]研究不同熱解溫度下玉米秸稈生物炭在全氟辛烷磺酸中的吸附作用，結(jié)果表明，隨著溫度的升高吸附量增加，700℃時(shí)吸附量最大為169.3mg/g，但隨著pH增加吸附能力減弱，高溫?zé)峤庵瞥傻纳锾靠勺鳛橐环N吸附劑去除廢水中的污染物。
3在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用
生物炭在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性上發(fā)揮不可忽視的作用。生物炭應(yīng)用于土壤時(shí)，可增強(qiáng)土壤碳固存，提升土壤生產(chǎn)力，如降低容重、增強(qiáng)持水能力和養(yǎng)分保持力、穩(wěn)定土壤有機(jī)質(zhì)、提高微生物活性和重金屬固存[31]。生物炭目前主要基于實(shí)驗(yàn)室和溫室條件下的有限小規(guī)模研究。向土壤中添加生物炭并不會(huì)增加凋落物或者對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的降解造成不利影響，而且隨著生物炭施用量增加，礦化反而越慢[32]。P.Yin等[33]利用高粱秸稈制備出的生物炭與鐵鎳雜化，作為環(huán)境友好型生物炭復(fù)合材料有優(yōu)良的低頻電磁吸收性能，且在農(nóng)業(yè)上達(dá)到了回收利用的效果。
3.1秸稈/秸稈生物炭還田
秸稈還田能夠起到保溫緩沖、促進(jìn)氨化的作用，提高氨肥利用率，改良弱堿性農(nóng)田土壤，提高土壤環(huán)境質(zhì)量（見(jiàn)表3），使農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展更進(jìn)一步[34]。J.Zhang等[35]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用玉米秸稈生物炭可以增加團(tuán)聚體比例，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和團(tuán)聚體相關(guān)有機(jī)碳和腐殖質(zhì)炭的濃度從而起到改善土壤質(zhì)量和緩解氣候變化的作用。施用生物炭后土壤的持水能力、總有機(jī)碳、陽(yáng)離子交換能力增加，土壤CO2排放減少，改善了土壤肥力。由于生物炭在土壤中保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了更長(zhǎng)期的碳封存，因此實(shí)現(xiàn)了碳減排[36]。Y.Cui等[37]對(duì)華北冷澇稻田添加秸稈和生物炭發(fā)現(xiàn)，在不影響超級(jí)稻產(chǎn)量的情況下，秸稈和生物炭的添加提高了土壤的總氮和有機(jī)碳含量，不僅保持了超級(jí)稻產(chǎn)量的穩(wěn)定，還顯著降低了CH4、N2O和一些溫室氣體排放量，也降低了全球變暖潛力。D.Song等[38]研究了施用玉米秸稈生物炭對(duì)石灰性土壤養(yǎng)分和微生物活性的影響，得出結(jié)論，玉米秸稈生物炭施用在石灰性的土壤中對(duì)改良土壤具有非常好的效果，促進(jìn)了碳氮循環(huán)，對(duì)酶活性和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有較為顯著的影響。
另外，X.Tian等[6]研究了秸稈與秸稈炭結(jié)合對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性的影響，得出結(jié)論，秸稈的加入可以促進(jìn)土壤呼吸，而生物炭的摻入使有機(jī)碳含量增大，雖然考慮到生物炭生產(chǎn)過(guò)程中碳的損失，但是生物炭仍然可以作為一種低碳方法。不僅可以影響土壤微生物的多樣性，而且影響微生物的活動(dòng)。N.Li等[39]用類似方法得到與上述一致的結(jié)果，不僅減輕N2O的排放，而且提高了產(chǎn)量，優(yōu)化了土壤質(zhì)量指數(shù)。秸稈分解可以提供有利于有機(jī)碳形成的顆粒或膠體，有利于提高土壤肥力和結(jié)構(gòu)，修改土壤微環(huán)境。C.Sun等[40]比較秸稈生物炭與切碎的玉米秸稈兩種還田摻入方法，得知生物炭摻入后玉米的根系更長(zhǎng)、更細(xì)、根尖更多、根表面積更大，而秸稈切碎摻入導(dǎo)致玉米根系由伸長(zhǎng)向增粗轉(zhuǎn)變。說(shuō)明不同方法處理秸稈，作物根系分泌物的形態(tài)和組成各不相同，其變化在一定程度上與根系分泌物相關(guān)基因的表達(dá)水平有關(guān)。
S.Chandra等[41]將鐵鉀水稻生物炭和原始水稻生物炭進(jìn)行對(duì)比后得出結(jié)論，鐵鉀水稻生物炭對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸附能力更強(qiáng)，改性后的生物炭復(fù)合材料可使養(yǎng)分在土壤表面并且可以分階段釋放養(yǎng)分，提高了養(yǎng)分的有效性和土壤肥力。S.Martin等[42]對(duì)比稻草、堆肥、生物炭保留農(nóng)田中的營(yíng)養(yǎng)物和農(nóng)藥殘留，從而減少對(duì)周邊地區(qū)地表水以及地下水的污染。稻草優(yōu)化了土壤結(jié)構(gòu)，加速了農(nóng)藥的降解，有一定的保水能力；堆肥可以促進(jìn)農(nóng)藥和微生物的降解；生物炭同時(shí)兼具稻草和堆肥的優(yōu)點(diǎn)，它的影響對(duì)土壤來(lái)說(shuō)有益且持久，但它的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。由于秸稈、生物炭、改性秸稈生物炭制備工藝不同、種類繁復(fù)、性質(zhì)不同，所以研究結(jié)果存在差異性。
3.2秸稈堆肥還田
將秸稈直接復(fù)施和生物炭復(fù)施進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)秸稈和生物炭復(fù)施都對(duì)改良土壤有一定作用，生物炭的眾多官能團(tuán)中酚基團(tuán)起主導(dǎo)作用，秸稈熱解的生物炭復(fù)施與土壤中的重金屬有一定的結(jié)合能力，造成二次污染，存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)[43]。新施用的生物炭使?fàn)I養(yǎng)物增加，老化的生物炭減弱了甲烷養(yǎng)菌的促進(jìn)作用[44]。秸稈生物炭和有機(jī)肥摻雜可進(jìn)一步提高堆肥效率，H.Li等[2]用豬糞和玉米秸稈共堆肥時(shí)添加磷酸鹽和生物炭可以加速溫度的升高，縮短了高溫相，嗜熱期在20d左右，最高溫度可達(dá)70℃，且發(fā)芽指數(shù)高達(dá)150%～180%，促進(jìn)了堆肥成熟，所以磷酸鹽和生物炭在此共堆肥的試驗(yàn)中都是一種有效的添加劑。J.Zhang等[3]用類似方法將由麥秸制成的生物炭添加到有機(jī)肥豬糞中堆肥化42d，生物炭質(zhì)量配比10%～15%（w/w），該堆肥化可以降低pH，提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量和電導(dǎo)率。X.He等[45]在好氧堆肥中添加了秸稈生物炭加速了甲烷的生成，且使細(xì)菌真菌的多樣性增加，而且秸稈生物炭的粒徑小，利于甲烷的產(chǎn)生，在未來(lái)的試驗(yàn)中還可以對(duì)生物炭的粒徑進(jìn)一步優(yōu)化，改善好氧堆肥條件，使其有更優(yōu)異的堆肥效率。不僅如此，在化肥中添加一些生物炭也可以將其轉(zhuǎn)化為緩釋肥，提供持續(xù)的、充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外，生物炭和納米炭結(jié)合可以提高微生物活性，改善代謝功能和酶活性，極大地提高了堆肥效率[4]。
4結(jié)論與展望
秸稈資源化處理不僅解決了秸稈燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染和覆蓋在土地上的土地占用問(wèn)題，還可以作為一種清潔高效的吸附劑去除土壤或水體中的重金屬；或是秸稈還田從而改善土壤環(huán)境質(zhì)量，作為堆肥化過(guò)程中的添加劑加速腐熟，改良堆肥進(jìn)程，種種應(yīng)用表明秸稈的合理利用是至關(guān)重要的。生物炭不僅在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，也具有巨大的潛力去取代昂貴的商業(yè)活性炭。
秸稈生物炭對(duì)重金屬的吸附作用現(xiàn)階段仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，未來(lái)應(yīng)探索在實(shí)際生活及生產(chǎn)當(dāng)中的吸附效果，另一方面生物炭用于土壤環(huán)境修復(fù)時(shí)雖然穩(wěn)定性高、時(shí)效長(zhǎng)，但是對(duì)土壤環(huán)境微生物的改變是不定向性的，存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
相關(guān)研究也表明，生物炭的性質(zhì)因其生產(chǎn)原料和生產(chǎn)方法而異，原料來(lái)源、工程化應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等仍有待深入研究。
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