呂豪豪，劉玉學(xué)，楊生茂

（浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所浙江省生物炭工程技術(shù)研究中心，浙江杭州 310021）

生物質(zhì)炭化技術(shù)及其在農(nóng)林廢棄物資源化利用中的應(yīng)用

呂豪豪，劉玉學(xué)，楊生茂?

（浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所浙江省生物炭工程技術(shù)研究中心，浙江杭州 310021）

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進步和農(nóng)村經(jīng)濟快速發(fā)展，包括農(nóng)作物秸稈在內(nèi)的各種農(nóng)林廢棄物總量和種類顯著增加，農(nóng)林廢棄物的高效處理及資源化利用已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個難題。生物質(zhì)炭化技術(shù)是近年來新興的農(nóng)林廢棄物資源化利用新技術(shù)。該技術(shù)主要通過將農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)炭化并以穩(wěn)定的碳形式固定形成新型的生物炭產(chǎn)品。生物炭不僅在固碳減排、改良土壤與肥料增效方面具有良好作用，而且在土壤修復(fù)與水污染處理等一系列環(huán)境資源領(lǐng)域中也具有廣闊的應(yīng)用前景。本文闡述了我國農(nóng)林廢棄物資源化利用的現(xiàn)狀以及生物質(zhì)炭化及生物炭物理化學(xué)性質(zhì)特征，重點探討生物炭產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)及環(huán)境資源領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景，并對生物炭技術(shù)領(lǐng)域及其在未來農(nóng)業(yè)及環(huán)境中的應(yīng)用進行展望，旨在為農(nóng)林固體廢棄物高效資源化提供新的思路，為農(nóng)林廢棄物的高效循環(huán)處理利用提供新的模式。

農(nóng)林廢棄物；生物質(zhì)炭化；固碳減排；生物炭；多孔性結(jié)構(gòu)

文獻著錄格式：呂豪豪，劉玉學(xué)，楊生茂.生物質(zhì)炭化技術(shù)及其在農(nóng)林廢棄物資源化利用中的應(yīng)用［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，56（1）：19－22.

DOI 10.16178／j.issn.0528?9017.20150105

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進步和農(nóng)村經(jīng)濟快速發(fā)展，農(nóng)作物產(chǎn)量不斷提高、農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展以及新農(nóng)村建設(shè)不斷展開，包括農(nóng)作物秸稈在內(nèi)的各種農(nóng)林廢棄物總量和種類呈上升趨勢，特別是近十年來，隨著農(nóng)村城市化進程步伐的加快，農(nóng)民生活水平明顯提高，對于可用作燃料和肥料的農(nóng)林廢棄物利用率越來越低，農(nóng)林廢棄物的高效處理處置及資源化利用已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個難題。中國擁有豐富的農(nóng)作物秸稈及其他廢棄生物質(zhì)資源，然而，由于技術(shù)、傳統(tǒng)和觀念等因素的制約，我國廢棄生物質(zhì)利用率較低。據(jù)調(diào)查，我國秸稈還田量僅為15%左右，而直接燃燒或廢棄的量卻超過了50%。秸稈的大量燃燒或廢棄，不但造成生物質(zhì)資源的嚴(yán)重浪費，而且增加了溫室氣體排放，造成對環(huán)境污染或潛在污染加劇。國家相繼出臺了一系列支持鼓勵秸稈生態(tài)循環(huán)利用的相關(guān)政策、法規(guī)，但由于秸稈本身存在的數(shù)量大、密度低與分散度高等固有特點，收集難、儲運難、利用效益低等特性成為制約秸稈等生物質(zhì)資源利用的主要原因。因此，尋求高效、低碳、生態(tài)、環(huán)保的廢棄生物質(zhì)處理技術(shù)成為必然。近10年來，農(nóng)業(yè)廢棄物利用技術(shù)的研究和投入逐年增加，但集中處置的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)規(guī)范還遠未到位，農(nóng)林業(yè)廢棄物日益增多與處理技術(shù)滯后的矛盾，已成為制約農(nóng)村生態(tài)建設(shè)的瓶頸因素之一。

生物質(zhì)炭化技術(shù)是近年來新興的農(nóng)林廢棄物資源化利用新技術(shù)。生物質(zhì)炭化主要通過將農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)炭化并以穩(wěn)定態(tài)生物炭的形式固定下來形成新型的生物炭產(chǎn)品。生物炭產(chǎn)品不僅在固碳減排、改良土壤與肥料增效方面具有良好作用，其在土壤修復(fù)與水污染處理等一系列環(huán)境資源領(lǐng)域中也均具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，本文闡述我國農(nóng)林廢棄物資源化利用現(xiàn)狀與處理處置難題，簡要介紹生物質(zhì)炭化及其生物炭產(chǎn)品的特殊物理化學(xué)性質(zhì)，重點探討生物炭產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)及環(huán)境資源領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景，并對生物炭技術(shù)領(lǐng)域及其在未來農(nóng)業(yè)及環(huán)境中的應(yīng)用進行展望。旨在為農(nóng)林固體廢棄物變“廢”為“寶”，減少和消除環(huán)境污染隱患提供新的思路，為區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物的高效循環(huán)利用提供新的模式。

1 農(nóng)林廢棄物資源化利用現(xiàn)狀

我國農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活產(chǎn)生大量生物質(zhì)廢棄物，資源化處理壓力日益增大。我國農(nóng)作物秸稈數(shù)量大、種類多、分布廣。據(jù)統(tǒng)計，2010年各類秸稈可收集量約為7億t，綜合利用率70.6%，其中13個糧食主產(chǎn)區(qū)約為5億t，約占全國總量的73%。

目前已基本形成了農(nóng)林秸稈肥料化、飼料化、基料化、原料化、燃料化多元利用的格局。但總體來講，農(nóng)林廢棄物資源化程度低，綜合利用企業(yè)規(guī)模小，缺乏骨干企業(yè)帶動，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緩慢。相當(dāng)一部分農(nóng)林廢棄物沒有得到有效資源化利用，既浪費資源，又造成環(huán)境污染，農(nóng)作物秸稈的隨意堆放、無序焚燒成為政府控制大氣質(zhì)量和農(nóng)村環(huán)境治理中最為棘手的問題。農(nóng)林廢棄物燃燒產(chǎn)生大量CO2等溫室氣體，嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量，每年在秋季種植之前的秸稈燃燒，造成多個城市發(fā)生陰霾天氣，交通堵塞、機場癱瘓屢屢發(fā)生；我國約有1／4的秸稈被燃燒，大約產(chǎn)生50 Tg的CO2溫室氣體排放，嚴(yán)重影響農(nóng)村及城鄉(xiāng)人居環(huán)境質(zhì)量，成為我國非能源利用中最重要的溫室氣體釋放源。因此農(nóng)林廢棄物的有效處理及資源化利用成為我國農(nóng)村環(huán)境保護的棘手難題和亟待解決的瓶頸問題。以往歐美發(fā)達國家利農(nóng)林廢棄物資源化多通過沼氣利用、食用菌栽培、堆肥還田等進入農(nóng)田循環(huán)的生態(tài)模式。但隨著全球變化形勢日益嚴(yán)峻，減緩氣候變化的需求日益強烈，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物炭化技術(shù)應(yīng)運而生，已經(jīng)成為國際社會和環(huán)境科技界廣泛認(rèn)可的增加農(nóng)田固碳，減少廢棄物堆棄和溫室氣體排放的新途徑。

2 生物質(zhì)炭化及生物炭物理化學(xué)性質(zhì)特征

2.1 生物質(zhì)炭化

生物炭（biomass?derivedblackcarbon或biochar）是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)高溫裂解而產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性富碳物質(zhì)。自然產(chǎn)生的生物炭主要來源于自然界的森林和草原火災(zāi)、農(nóng)田的秸稈燃燒，都向大氣排放細的黑炭顆粒，較重地留在了土壤表面。按照炭化方式，生物質(zhì)炭化技術(shù)一般分為熱解炭化、水熱炭化和閃蒸炭化技術(shù)等。

熱解炭化是指原料在厭氧或缺氧條件下的干餾熱裂解過程。根據(jù)原料的加熱速率、停留時間和熱解溫度不同可進一步分為緩慢熱解和快速熱解。緩慢熱解是一種比較傳統(tǒng)的熱解方式，一般是將生物質(zhì)置于300℃以上缺氧條件下熱解。加熱速度緩慢，氣體停留時間一般在5～30 min，氣體分離速度較慢?？焖贌峤鈱υ系暮室筝^高，一般要求含水率＜10%（濕重）?？焖贌峤鈧鳠嵫杆?，能快速地將小顆粒生物質(zhì)原料迅速升溫到400～500℃，蒸汽的停留時間也較短。但有的時候“快”和“慢”具有不確定性，不易準(zhǔn)確區(qū)分。關(guān)鍵是看蒸汽和氣溶膠等成分的分離狀況，或者是否發(fā)生二次反應(yīng)產(chǎn)生含碳固體物質(zhì)。

水熱炭化是將生物質(zhì)懸浮在相對較低溫度（180～350℃）密閉容器中反應(yīng)從而獲得生物炭的生物質(zhì)炭化技術(shù)，通過水熱炭化可在反應(yīng)結(jié)束后制備得到炭?水?漿混合物。水熱炭化相比熱解法來說方法較為溫和，固型生物炭可通過固液分離獲得，但與熱解或氣化的生物炭相比，水熱法得到的生物炭穩(wěn)定性更低，前者以芳香烴結(jié)構(gòu)為主，后者以烷烴結(jié)構(gòu)為主。

閃蒸炭化是指在高壓條件下（1～2 MPa），在生物床底部高壓點火，火通過炭化床逆著通入的空氣流向上移動的現(xiàn)象。反應(yīng)時間一般低于30 min，在反應(yīng)器內(nèi)的溫度一般在300～600℃。該過程制得的產(chǎn)物以氣態(tài)和固態(tài)為主。值得注意的是，通過閃蒸炭化和緩慢熱解獲得的典型的固態(tài)物質(zhì)的產(chǎn)率比通過氣化和快速熱解的高。

2.2 生物炭的物理特性

不同的炭化原料、工藝和方法產(chǎn)生的生物炭性質(zhì)差異較大，生物炭的環(huán)境效應(yīng)與其物理特性密切相關(guān)，特別是在土壤生態(tài)系統(tǒng)中。土壤系統(tǒng)因其土壤類型、礦物組成、有機質(zhì)等不同有其自身獨特的物理結(jié)構(gòu)特性，生物炭這一外源物質(zhì)的輸入必然直接或間接地影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。例如生物炭的多孔、顆粒結(jié)構(gòu)勢必改變土壤的物理結(jié)構(gòu)特性。同時，土壤物理結(jié)構(gòu)的變化也會影響土壤的化學(xué)和生物學(xué)特性，這些作用最終都會影響植物的生長。因此，了解生物炭的物理特性至關(guān)重要。

總體而言，生物炭是一類孔隙發(fā)達的多孔材料，隨原料和制備條件的不同存在明顯的差異。生物炭的總孔容隨溫度的升高呈先增加后降低的趨勢，且以微孔為主。大比表面積也是生物炭的一大特色。生物炭的大比表面積主要是由其微孔結(jié)構(gòu)所致。600℃熱解櫟樹和竹質(zhì)材料制備的生物炭比表面積分別為154.6 m2·g－1和137.7 m2·g－1。羅煜等對芒草生物炭的分析結(jié)果表明，350℃和700℃的芒草炭都具有多孔結(jié)構(gòu)，比孔容分別為5.35 cm2· g－1和3.95 cm2·g－1。經(jīng)過650℃的熱解處理，棉稈炭的比表面積由棉稈的1.72 m2·g－1增大到224.12 m2·g－1。在土壤中保持上百年的生物炭仍然可以觀測到明顯的孔隙結(jié)構(gòu)。孔隙和比表面積大，可以作為微生物生長的載體，從而改變土壤的生物群落結(jié)構(gòu)。生物炭還可以提高土壤含水率，改變土壤的厭氧環(huán)境，從而在一定程度上實現(xiàn)CH4等溫室氣體減排。

2.3 生物炭的化學(xué)特性

生物炭的環(huán)境效應(yīng)與生物炭的化學(xué)組成及特性密切相關(guān)。不同的生物質(zhì)材料和炭化條件可影響所制得生物炭的化學(xué)特性。

生物炭通常呈堿性，高溫生物炭的堿性主要由無機碳酸鹽貢獻，無機陰離子的存在也是低溫生物炭呈堿性的原因之一。

從工業(yè)分析的角度，生物炭包括灰分、揮發(fā)分和固定碳三種成分。干燥的生物炭在一定溫度下隔絕空氣加熱后產(chǎn)生的氣體或蒸汽稱為揮發(fā)分（VM），而將生物炭完全燃燒至恒重后的殘渣定義為灰分（Ash），固定碳則是除了灰分和揮發(fā)分之外剩余的部分（100?VM?Ash，%）。因原料以及制備工藝和方法的多樣化，生物炭灰分、揮發(fā)分和固定碳組成變化范圍非常大。生物炭的灰分含量主要取決于制備原料，其含量大小基本符合以下規(guī)律：畜禽糞便＞草本生物質(zhì)＞木本原料。

通過工業(yè)分析可以初步判斷生物炭中的有機質(zhì)含量，但是要詳細了解生物炭的環(huán)境行為和效益，特別是生物炭中碳素的歸趨，對生物炭中各種元素組成進行詳盡的測定分析非常必要。碳、氫、氧作為生物質(zhì)的主要成分，在熱解的過程中，氫和氧主要以水、碳氫化合物、焦油蒸汽、H2、CO、CO2形式損失掉，而碳的損失率相對較小。因此，經(jīng)過熱解后生物炭的碳含量可從生物質(zhì)初始的40%～50%提高到70%～80%的水平，對于灰分含量低的生物炭碳含量甚至高達90%，而氫、氧所占質(zhì)量比逐漸降低。一般而言，隨著炭化溫度的上升，生物炭的碳含量越高，芳香化程度也越高。

生物質(zhì)中除了碳、氫、氧、氮等大量元素外，還含有鉀、鈉、鈣、鎂、磷、鐵、硅、鋁等組成生物質(zhì)灰分的無機元素，以及銅、鎳、鋅等微量元素。炭化過程對養(yǎng)分的濃縮和富集使得生物炭中磷、鉀等養(yǎng)分含量普遍高于其制備原料。生物炭因原料、制備條件的不同，各種養(yǎng)分元素的含量也存在很大差異。

3 生物炭材料在環(huán)境資源領(lǐng)域的應(yīng)用

生物炭具有良好的多孔性物理結(jié)構(gòu)和特殊的化學(xué)組成。生物炭特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)賦予的全新功能被較好地應(yīng)用于固碳減排、改良土壤與肥料增效、環(huán)境保護等領(lǐng)域。

為應(yīng)對全球氣候變化，減緩溫室效應(yīng)，碳捕捉和儲存技術(shù)（carbon capture and storage，CCS）的研發(fā)迫在眉睫。CCS技術(shù)已經(jīng)作為前沿技術(shù)被列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃和中國應(yīng)對氣候變化科技專項行動。由于生物炭具有多芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)出高度的生物化學(xué)和熱穩(wěn)定性，很難被微生物所降解利用，因而能夠在土壤存留很長的時間。放射性碳年代測定的研究表明，生物炭在歐洲黑鈣土中已經(jīng)保存了1 160～5 040年，在海洋沉積物中甚至可以保存2 400～13 900年。因此，生物炭對土壤穩(wěn)定的惰性有機碳庫具有重要貢獻，已被認(rèn)為是大氣CO2的重要儲庫。生物炭運用于農(nóng)業(yè)土壤所具有的巨大的固碳效應(yīng)對于緩解全球氣候變化具有重要作用，已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者的強烈關(guān)注和熱切期盼，并吸引一系列研究開始對其固碳潛力進行估算。這些估算主要采用了生命周期評價（life cycle assessment，LCA）的方法：從生物炭的制備、運輸?shù)绞┯玫恼麄€過程來計算評估其物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量消耗及固碳減排效果。利用生命周期評價方法估算玉米秸稈和庭院垃圾制備生物炭過程的減排潛力的研究，結(jié)果表明，每噸生物質(zhì)原料可固定約850 kg當(dāng)量CO2，而且其中62%～66%是與生物炭的碳持留效應(yīng)有關(guān)的。我國每年各類秸稈可收集量約為7億t，綜合利用率70.6%。因此，如若將生物炭固碳技術(shù)進行推廣，將產(chǎn)生顯著的溫室氣體減排效應(yīng)。

生物炭在土壤肥力方面的作用，最初由一位荷蘭土壤學(xué)家在巴西亞馬孫河流域發(fā)現(xiàn)。那里最肥沃的土壤中含有一種當(dāng)?shù)胤Q之為Terra Prota的土壤，據(jù)推測生活在巴西亞馬孫河流域的土著居民，早在2 000多年前就知道了利用生物炭改良土壤。目前的研究表明生物炭對等不同形態(tài)存在的營養(yǎng)元素有很強的吸附作用，并可促進N素的形態(tài)轉(zhuǎn)化，提高土壤含量，且生物炭的多孔性也可進一步降低營養(yǎng)元素的淋失。生物炭可進一步通過與無機或有機肥料復(fù)合形成炭基肥料及其系列產(chǎn)品，這是目前生物炭功效實踐應(yīng)用的結(jié)果和生物炭技術(shù)的體現(xiàn)。炭基肥料是控緩釋肥的一種，是把原來的無機肥料及其營養(yǎng)元素和生物炭按一定比例與工藝組合、加工生成，從而達到緩慢釋放養(yǎng)分，增加肥效的目的。雖然生物炭基復(fù)合肥有良好的土壤改良和肥料增效效果，但目前炭基復(fù)合肥的產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段。目前在北方，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳溫福院士團隊已經(jīng)研發(fā)以“半封閉亞高溫缺氧干餾炭化新工藝”和“移動式組合炭化爐”為核心的生物炭制備技術(shù)，以及以生物炭基質(zhì)緩釋肥和土壤改良劑的技術(shù)，并率先在法庫縣達成意向，擬進行進一步的縣域推廣。浙江省生物炭工程技術(shù)研究中心作為國內(nèi)較早成立的省級生物炭工程中心，主要依托浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，目前已對各種生物質(zhì)炭化技術(shù)、工藝和炭基復(fù)合肥的生產(chǎn)、設(shè)備開發(fā)等方面進行了一系列富有成效的研究。通過與美國布萊蒙基金會、國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心、浙江大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)外著名基金、高校、科研院所和企業(yè)的緊密合作，圍繞我國豐富的農(nóng)林廢棄物資源，開發(fā)生物質(zhì)能源的高效利用設(shè)備、生物質(zhì)炭化設(shè)備及生物炭基復(fù)合肥系列。目前與企業(yè)合作已在國內(nèi)開展了生物炭產(chǎn)業(yè)化，并與浙江布萊蒙農(nóng)業(yè)科技股份有限公司合作開發(fā)出年生產(chǎn)能力達1萬t的肥料生產(chǎn)設(shè)備，出口韓國；另外與浙江禾綠豐肥料科技有限公司合作生產(chǎn)的楊梅炭基肥料已成功進入市場。

生物炭不僅在固碳減排、土壤改良和肥料增效上具有顯著的效果，隨著對生物炭產(chǎn)品的深入開發(fā)，發(fā)現(xiàn)其在環(huán)境保護領(lǐng)域也具有良好的應(yīng)用前景。生物炭對減少土壤養(yǎng)分流失、提高肥料利用率、削減農(nóng)藥等有機污染物殘留等方面具有良好的作用，為解決上述問題提供新的思路與治理途徑。生物炭通過表面官能團及其多孔結(jié)構(gòu)對營養(yǎng)元素的固持作用，一方面起到肥料增效的作用，另一方面即為減少化肥的流失和潛在流失風(fēng)險，降低農(nóng)業(yè)面源污染。此外生物炭可通過對農(nóng)藥類有機污染物以及Cd、Pb、Cu等重金屬離子的吸附和遲滯作用，進而影響其遷移轉(zhuǎn)化與生物有效性，最終起到污染土壤修復(fù)的作用。但目前該方向研究仍處于實驗室研究階段，要形成大規(guī)模、可操作的工程應(yīng)用，還需要做更多更細致的研究，但土壤污染修復(fù)是一個新興的產(chǎn)業(yè)，隨著該方向研究的發(fā)展，其未來的潛力巨大。

4 小結(jié)

農(nóng)林廢棄生物質(zhì)炭化技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的推廣應(yīng)用能夠極大提高陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳減排的潛力，改良土壤和肥料增效，凈化水體，修復(fù)污染土壤，解決糧食安全和能源危機等。關(guān)于生物炭基礎(chǔ)理論研究和生產(chǎn)應(yīng)用方面在全國不同省份已經(jīng)啟動，特別是對廢棄生物質(zhì)熱裂解生產(chǎn)生物炭工藝及參數(shù)，生物炭性質(zhì)、特征研究正在穩(wěn)步進行。但在全國層面目前仍未形成產(chǎn)業(yè)化推廣的規(guī)模，且在生物炭大面積、長期還田環(huán)境安全性評估方面仍較為缺乏；我國生物炭與肥料復(fù)合及肥料效益改善，生物炭固碳潛力，減排效應(yīng)估算與評價等等，仍缺乏系統(tǒng)全面和詳實的基礎(chǔ)資料；生物炭在環(huán)境保護領(lǐng)域的應(yīng)用仍需進一步細化和挖掘潛在的機理，進一步切合未來土壤污染修復(fù)等新型環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（責(zé)任編輯：袁醉敏）

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0528?9017（2015）01?0019?04

2014?10?15

浙江省科技廳國際科技合作專項（2013C24023）；杭州市科技計劃項目（20130533B45）；寧波市科技計劃項目（2013C910005）；浙江省“三農(nóng)六方”科技協(xié)作項目

呂豪豪（1981－），男，浙江平陽人，助理研究員，博士，從事生物質(zhì)炭化與生物炭新產(chǎn)品開發(fā)、生物炭環(huán)境行為等研究工作。E?mail：lvhao_1026＠126.com。

楊生茂。E?mail：yangshengmao＠263.net。