馬欣蕾 錢小雨 謝曉婧 林少華

摘 要：隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，以及國家可持續(xù)發(fā)展的需要，農(nóng)林廢棄物的再利用受到廣泛關(guān)注。本文綜述了目前我國在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域?qū)r(nóng)林廢棄物資源化利用的幾種方式，特別對農(nóng)林廢棄物制成生物炭的應(yīng)用和農(nóng)林廢棄物用做生物處理碳源兩方面做了詳細(xì)介紹，最后指出了農(nóng)林廢棄物利用研究中存在的一些問題，提出了一些建議，以期為我國的農(nóng)林廢棄物的開發(fā)利用提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)林廢棄物; 生物炭; 碳源; 生物吸附劑

中圖分類號：X71? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）10-135-003

我國有著極為豐富的農(nóng)林廢棄物資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)作物秸稈和林業(yè)三剩物資源量分別達(dá)到9億和3億t[1]。這其中許多廢棄物得不到有效的處理，傳統(tǒng)的諸如填埋、焚燒等垃圾處理方式，在造成自然資源的極大浪費(fèi)的同時(shí)，帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的逐步增強(qiáng)和可持續(xù)發(fā)展的迫切需要，農(nóng)林業(yè)廢棄物的綜合利用問題受到了越來越多的關(guān)注。實(shí)現(xiàn)農(nóng)林業(yè)廢棄物的資源化利用是促進(jìn)農(nóng)林業(yè)綠色發(fā)展，緩解環(huán)境污染問題，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會健康可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容與途徑。本文總結(jié)了幾種目前我國對農(nóng)林廢棄物原料化的利用方式，提出了一些建議，以期為我國的農(nóng)林廢棄物的開發(fā)利用提供參考。

1.制成生物炭及其應(yīng)用

生物炭，是由生物質(zhì)在厭氧或缺氧條件下經(jīng)過低溫加熱熱解后形成的一種含碳極高的固體物質(zhì)，具有官能團(tuán)豐富、比表面積大，吸附能力強(qiáng)、吸附容量大等優(yōu)點(diǎn)。生物炭作為一種新型炭材料，正在成為環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1.1生物炭制備

生物炭主要的制備方法為熱裂解法，具體方法類型、內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn)見表1。選擇合適的生物炭制備技術(shù)，可以有效提高農(nóng)林廢棄物的利用效率。

生物炭的制備原料主要是秸稈，稻殼等農(nóng)林廢棄物。生物質(zhì)原料和熱解溫度是生物炭性質(zhì)的重要影響因素。主要對生物炭的孔隙度、pH、比表面積、化合物與灰分含量組成和材料持水量等方面產(chǎn)生影響。不同生物質(zhì)半纖維素、纖維素及木質(zhì)素含量不同，則其組織結(jié)構(gòu)也不同，所以炭化后的生物炭孔隙結(jié)構(gòu)存在較大差異[2]。表2為幾種常見的農(nóng)林廢棄物炭的基本性質(zhì)。

1.2用作吸附劑或土壤改良劑

農(nóng)林廢棄物由于其結(jié)構(gòu)特征，本身具有一定的吸附特性，農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)炭化后的一個重要變化是吸附能力的提高，一般可以提高1～3個數(shù)量級[4]。Chen等利用硬木和玉米秸稈分別在450℃和600℃條件下熱解得到硬木生物炭和玉米秸稈生物炭，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈生物炭比硬木生物炭對Cu2+和Zn2+的吸附能力強(qiáng)，所以以農(nóng)林廢棄物制成生物炭可以很好的提高這些農(nóng)林廢棄物的吸附能力[5]。

目前，以農(nóng)林廢棄物為主要原料而制成的生物炭主要應(yīng)用于對土壤及水體環(huán)境中的重金屬、有機(jī)化學(xué)污染物的吸附。Qiu等通過研究發(fā)現(xiàn)使用到稻草秸稈和小麥秸葉片制備的生物活性炭，能有效地吸附Pb2+[6];佟雪嬌等用三種農(nóng)作物（花生、大豆、油菜籽）秸稈制備生物炭，發(fā)現(xiàn)三種生物炭均對Cu2+有一定吸附能力[7];Spokas等以木屑為原料高溫缺氧下熱解制得生物炭添加到土壤中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭對莠去津和乙草胺這兩種除草劑有一定的吸附作用[8];利用小麥秸稈制備生物炭的研究表明，小麥秸稈生物炭添加到土壤中后，能使土壤中的敵草隆減少一半以上[9]。

根據(jù)各種農(nóng)林廢棄物的生物質(zhì)原料的材料特性，合理地進(jìn)行回收、開發(fā)、利用，將其設(shè)計(jì)和制備成生物吸附劑，這樣既有效地減少了由于農(nóng)林廢棄物不合理地凈化處理給人們帶來的的環(huán)境污染，又盡可能地提升它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，促進(jìn)資源的高效節(jié)約利用，符合現(xiàn)階段社會經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，并且具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

1.3固碳減排作用

面對全球氣候變化趨勢，我國提出了“碳達(dá)峰”“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，這一目標(biāo)的提出，我國將面臨空前巨大的溫室氣體減排壓力。我國農(nóng)林生物質(zhì)資源豐富，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，農(nóng)林廢棄物焚燒處理所產(chǎn)生的CO2含量和作為肥料還田后被微生物降解所產(chǎn)生的CO2含量之和約占大氣中CO2總含量的10%-30%，是我國碳排放的重要組成部分。所以將農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)作為生物炭制備原料，可以減少由于生物質(zhì)材料的不恰當(dāng)處理而產(chǎn)生的溫室氣體排放量。同時(shí)將所產(chǎn)生的生物炭還林，可以增加和擴(kuò)大農(nóng)林土壤惰性有機(jī)碳倉庫的容量，從而提升農(nóng)林的穩(wěn)定固碳能力，進(jìn)而緩解全球氣候變暖問題。生物炭固碳減排機(jī)制見表3。通過采用生命周期評價(jià)方法分析用農(nóng)林廢棄物所制備生物炭的固碳減排能力，發(fā)現(xiàn)每噸生物質(zhì)原料可以固定CO2 800-900kg，其中65%以上與生物炭碳存儲功能有關(guān)[10]。將農(nóng)林廢棄物炭化技術(shù)用于農(nóng)林中，能夠大幅度提高我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳減排的發(fā)展?jié)摿?，這是“變廢為寶”的好途徑。

2.作為生物處理單元碳源

碳源是為微生物生長代謝過程中提供碳元素來源的物質(zhì)，是影響反硝化效果的重要因素之一。隨著中國“水十條”的發(fā)布，對污水廠脫氮處理提出了更高的要求，脫氮處理中碳源不足一直是許多污水處理廠面臨的問題，現(xiàn)多采用向低碳氮比污水中投入外加碳源以保證反硝化脫氮功能。外加碳源大致可分為兩類：一類是可溶性液體有機(jī)物如甲醇、乙醇、乙酸和葡萄糖等的傳統(tǒng)碳源，一類是纖維素類、可生物降解聚合物等的新型碳源[15]。由于傳統(tǒng)碳源成本及運(yùn)行管理費(fèi)用高，生物安全性差、投加量不易控制，使其不能廣泛運(yùn)用，所以纖維素類新型碳源的開發(fā)利用有很大的前景。

農(nóng)林廢棄物主要由木質(zhì)素﹑纖維素和半纖維素等多糖組成，是污水處理中碳源的良好選擇，表4為幾種常見的農(nóng)林廢棄物木質(zhì)素、纖維素、半纖維素含量。生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量是碳源釋碳能力的直接影響因素。微生物優(yōu)先降解纖維素，在釋碳品質(zhì)較高的纖維素降解完成后，纖維素降解菌開始降解較難降解的半纖維素和木質(zhì)素[16]。此時(shí)碳源的釋碳能力會相對減弱。同時(shí)，纖維素固體碳源具有較大的比表面積，能讓更多的細(xì)菌附著在表面，是良好的微生物生長載體。

徐鎖洪等以農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼作為外加碳源，研究污水中NO3--N的有效去除情況，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)水NO3--N濃度為60mg/L時(shí)，以稻殼作為外加碳源有效提高了反應(yīng)器中反硝化作用效率，對NO3--N的有效去除率達(dá)到91.6%，反硝化速率達(dá)5.9mg/（L·h）[20]。唐婧等研究以稻稈、玉米芯和大豆殼作為填料及外加緩釋碳源對水中TN的去除效果，發(fā)現(xiàn)玉米芯為最適宜的填料及外加碳源，并且有較好的持續(xù)有效釋碳性能[21]。常軍軍等通過采用四種常見的花卉廢棄秸稈作為外加有機(jī)碳源，研究對比這四種碳源對低碳高硝氮廢水的脫硝效率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)投加花卉秸稈能明顯改善人工濕地的NO3--N去除效能，實(shí)驗(yàn)期間康乃馨秸稈對NO3--N平均去除率為51.8%，效果最佳[22]。

對比于傳統(tǒng)碳源，以農(nóng)林廢棄物作為外加碳源具有環(huán)境安全性高、價(jià)格低廉、為生物膜提供載體、運(yùn)輸方便、釋碳緩慢持久、可以“以廢治廢”等優(yōu)點(diǎn)，但脫氮效果易受外界條件影響，容易造成二次污染的缺點(diǎn)也應(yīng)該注意。

3.用作生物吸附劑

農(nóng)林廢棄物可作為基質(zhì)改性制成或直接用作高效吸附劑。農(nóng)林廢棄物中羥基﹑羧基等活性基團(tuán)含量豐富，并且其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積較大，在理論上對無機(jī)離子及有機(jī)化合物具有良好的吸附性能[23]。研究發(fā)現(xiàn)對農(nóng)林廢棄物進(jìn)行合理的改性，可以增大其比表面積，進(jìn)而提高吸附性能。例如在處理印染廢水中，汪燕南等用檸檬酸對甘蔗渣進(jìn)行改性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性后的甘蔗渣對孔雀綠的去除率近100%，且吸附量達(dá)到了未改性前的兩倍以上[24]。金潔蓉等通過比較改性前后的秸稈對印染廢水的吸附效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，印染廢水色度去除率和COD的去除率分別提高了近60%和85%[25]。張瑋等將橘子皮與500mLlmol/L磷酸溶液進(jìn)行混合而對橘子皮改性，最后發(fā)現(xiàn)經(jīng)過改性的橙皮對Cu2+的吸附效率提高到97.5%[26]。綜上將農(nóng)林廢棄物作為基質(zhì)改性后用做吸附劑使部分農(nóng)林廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕Y源，對實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物的資源化利用有重要意義。

4.問題與展望

目前我國對農(nóng)林廢棄物制備成生物炭還田固碳的研究較少，其是否具有持續(xù)效果還需要長期定點(diǎn)觀察。以農(nóng)林廢棄物作為外加碳源時(shí)，在反應(yīng)器中如若水力停留時(shí)間較長，反硝化速率會降低，釋放碳的持續(xù)性會變差，并且出水水質(zhì)易受溫度影響。當(dāng)用作生物吸附劑時(shí)，通過對農(nóng)林廢棄物改性，其吸附性能明顯提高，但目前改性方法仍比較少，并且應(yīng)用范圍比較窄。

另外，我國農(nóng)林廢棄物在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域再利用仍然存在許多不足之處：我國對于農(nóng)林廢棄物的資源化潛力認(rèn)識不足;應(yīng)用與推廣技術(shù)落后;缺乏相應(yīng)的政策和服務(wù)體系。針對這些問題，需要對國民開展科普宣傳活動，讓大家意識到農(nóng)林廢棄物的利用價(jià)值，充分發(fā)揮其潛能。其次是需要提高農(nóng)林資源化綜合利用水平，結(jié)合農(nóng)林實(shí)際情況，加大對資金與人力的投入，形成一個農(nóng)林廢棄物再利用的新型產(chǎn)業(yè)鏈。最后各級人民政府部門應(yīng)當(dāng)建立健全部門相應(yīng)的政策法規(guī)和服務(wù)制度，并出臺相關(guān)的引導(dǎo)措施，并以可持續(xù)發(fā)展和建立生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)為核心，吸引資金投入、開發(fā)相應(yīng)技術(shù)、培養(yǎng)有關(guān)人才。通過上述措施進(jìn)而提高農(nóng)林廢棄物的利用效率。

本研究受南京林業(yè)大學(xué)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2020NFUSPITP0370）資助

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