生物質廢棄物處理與農業(yè)碳中和

卞榮軍 李戀卿

2021年8月9日，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告《2021氣候變化：自然科學基礎》發(fā)布。報告預估，在未來幾十年里，全球所有地區(qū)的氣候變化都將加劇，需要大力、快速和持續(xù)地減少溫室氣體排放，并達到二氧化碳的凈零排放，同時減少其他溫室氣體和空氣污染物排放。氣候變化所帶來的溫度和降雨模式的改變，以及隨之而來的高頻極端性氣候事件和各種自然災害，已經深刻影響人們的生產和生活。農田與氣候變化間有著緊密的聯系，并發(fā)揮著特殊且重要的作用，它既是全球溫室氣體的排放源，同時又是至關重要的碳匯[1]。

為應對氣候和環(huán)境變化的持續(xù)挑戰(zhàn)，綠色可持續(xù)發(fā)展已經貫穿我國新時代國民經濟發(fā)展戰(zhàn)略布局。當前，廢棄物管理及其資源化利用已是國家生態(tài)文明建設的核心組成部分，是“雙碳戰(zhàn)略”順利實施、助力固碳減排的重要需求，是改善城鄉(xiāng)環(huán)境健康、控制潛在污染物環(huán)境風險的有效途徑。

農業(yè)是廢棄物產生的主要源頭，也是廢棄物資源化利用的難點。人類生產和生活中產生的生物質廢棄物直接或間接來自農業(yè)，常見的生物質廢棄物主要是生物體死亡、收獲、加工利用后殘余的生物質。根據生物質廢棄物的來源，可以分為原生生物質廢棄物、次生生物質廢棄物和處理（加工）生物質廢棄物[2]。原生生物質廢棄物是植物有機體殘余，主要包括農作物秸稈、林木修剪殘余、尾菜等；次生生物質廢棄物是生物質經動物或微生物取食轉化后的剩余物，主要包括畜禽糞便、生活污泥等；處理（加工）生物質廢棄物是農產品、食品加工處理產生的殘渣，主要包括藥渣、酒糟、果渣、屠宰肥料等。此外，病死畜禽遺體也是重要的農業(yè)生物質廢棄物。

據《第二次全國污染源普查公報》，2017年秸稈產生量為8.05億噸，秸稈可收集資源量6.74噸，秸稈利用量5.82億噸；畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放量為化學需氧量1000.53萬噸，氨氮11.09萬噸，總氮59.63萬噸，總磷11.97萬噸；地膜施用量141.93萬噸，多年累積殘留量118.48萬噸。根據農業(yè)農村部《關于推進農業(yè)廢棄物資源化利用試點的方案》估算，2016年全國每年產生畜禽糞污38億噸，綜合利用率不到60%；每年生豬病死淘汰量約6000萬頭，集中的專業(yè)無害化處理率不高。而我國農產品加工副產物和農村生活垃圾年產生量分別達到了5.8億噸和1.48億噸[3]。這些未實現資源化利用的農業(yè)廢棄物量大面廣、亂堆亂放、隨意焚燒，給城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境造成了嚴重影響。

我國農業(yè)生物質廢棄物資源化利用仍處于起步階段，秸稈與畜禽糞便的資源化利用是我國農業(yè)生物質廢棄物處理工作的重大挑戰(zhàn)。到2015年我國露天焚燒秸稈量8000多萬噸，總碳排放量約為3450萬噸[4]。隨著我國秸稈禁燒政策的持續(xù)推行，不斷增加的農業(yè)秸稈廢棄物由于處置不當造成了大量溫室氣體的排放。根據聯合國糧農組織（FAO）的統(tǒng)計數據，我國2017年主要農作物秸稈及殘茬的氧化亞氮排放總量約為3920萬噸二氧化碳當量。全國每年有機肥的理論可生產量約2.79億噸，未被利用的部分經估算相當于1億噸有機肥[3]。FAO統(tǒng)計資料表明，2018年我國因動物糞便管理帶來的溫室氣體排放總量約為6500萬噸二氧化碳當量，其中甲烷約占39%、氧化亞氮約為61%。農業(yè)生物質廢棄物中不僅含有大量的有機質，同時含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素。據估算，2015年我國主要農作物秸稈資源所含氮、磷、鉀養(yǎng)分資源總量分別達到626、198、1160萬噸，2016年我國畜禽糞便中氮、磷、鉀分別為1480、901和1450萬噸[5]。如果將秸稈全量還田，帶入農田的平均養(yǎng)分相當于化肥用量的38.4%（氮）、18.9%（磷）和85.5%（鉀），而畜禽糞便中的養(yǎng)分分別占同年氮、磷、鉀化肥施用量的49.1%（氮）、138.2%（磷）和381.1%（鉀）[6]，表明我國農業(yè)秸稈和畜禽糞便數量和養(yǎng)分資源量巨大，充分合理利用這些資源，可有效替代化肥施用并減少化肥生產引起的碳排放。然而，我國農作物秸稈收儲運體系還不完善，全國還有近1/4的村生活垃圾沒有得到收集和處理。

目前，我國秸稈資源化利用方式主要包括肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化；畜禽糞便的資源化利用方式主要為肥料化和飼料化。我國農業(yè)生物質廢棄物資源化利用方式主要有：一是農作物秸稈直接還田，這是“零碳”技術，雖然沒有帶來排放但也沒有實現減排，而稻田秸稈還田可能會增加甲烷排放以及加劇病蟲害發(fā)生，且秸稈腐熟分解產生的可溶性有機物可能產生水體污染等問題，我國耕地集約化種植模式和休耕時間短也限制了秸稈的全量還田。二是好氧堆肥還田，盡管可以小幅增加土壤碳庫，但是其生產和應用環(huán)節(jié)會帶來大量溫室氣體排放（如甲烷）。采用秸稈與畜禽糞便厭氧發(fā)酵生產沼氣雖然能夠部分替代化石能源，但是由于沼氣生產進料量不穩(wěn)定、沼渣處理難等原因，導致農村沼氣池正常運行比例偏低，村民對沼氣池的使用意愿不高，沼液、沼渣還田也可能引起農田溫室氣體排放增加。三是焚燒發(fā)電，我國秸稈和生活垃圾焚燒發(fā)電技術發(fā)展迅速，利用焚燒發(fā)電可以快速將生物質廢棄物減量化并產生能源，但受原材料性質、收集、運輸及運營成本等多種因素的影響，國內秸稈直燃發(fā)電的成本一直居高不下，并且焚燒發(fā)電主要利用了生物質能源，浪費了養(yǎng)分和有機質[7]。另一個不容忽視的問題是，不同來源的生物質廢棄物可能存在各種潛在的有害物質，例如農作物秸稈中的病原菌、蟲卵和農藥殘留，畜禽糞便中的致病菌、抗生素和重金屬，餐廚廢棄物中的調味品和鹽分等。因此，未來農業(yè)生物質廢棄物的處理應基于農業(yè)固碳減排和環(huán)境健康風險的雙重考量。

生物質廢棄物熱解炭化工藝技術恰好符合有機質固定以及去除和減少有害物質環(huán)境風險的要求。生物質熱解炭化的基本原理是在限氧或無氧條件下，生物質在250～750℃ 發(fā)生熱化學反應，生物質中碳化合物發(fā)生熱解反應，通過固液氣分離而產生生物質炭、木醋液和可燃氣。炭化是最古老的制炭方法，古人早已伐薪燒炭用作生物質能源和冶金，刀耕火種的農耕時代秸稈炭和草木灰是廣泛應用的土壤調理劑，而姜炭等炭質中藥材還是治病救人的良藥。在現代工業(yè)技術的發(fā)展推動下，生物質廢棄物可以在熱解反應器中以特定的熱解溫度、反應氣氛（無氧、限氧、惰性氣體保護）、升溫速率、熱解時間等條件，通過熱化學轉化實現有機碳、養(yǎng)分和能源的分離和分值利用。在熱解炭化過程中，原料中各類有機物在高溫下發(fā)生裂解與重組，較小分子量的有機物揮發(fā)，部分可冷凝揮發(fā)組分轉變?yōu)橐后w產物（木醋液），而不可冷凝揮發(fā)組分一般是具有較高熱值的可燃氣（如一氧化碳、氫氣等），較大分子量的有機物以固態(tài)集合殘余成為生物質炭。

生物質廢棄物在高溫條件下，有害生物被殺滅，各種藥殘和抗生素殘留被轉變?yōu)橛袡C質或分解去除，重金屬元素被有機質和礦物質固定而鈍化，全過程無化學品添加，有機質轉變?yōu)楣?、液、氣不同相態(tài)產物的資源產物，養(yǎng)分元素從有機質中解析出來并轉變?yōu)椴煌螒B(tài)。與垃圾焚燒發(fā)電、厭氧發(fā)酵或好氧堆肥等方式不同，廢棄物熱解炭化是在污染物安全利用、有機質和養(yǎng)分充分保留的基礎上，實現廢棄物的多元、清潔和安全利用。例如，由于畜牧業(yè)抗生素長期濫用，導致畜禽糞便等廢棄物資源化容易引起環(huán)境中抗生素和抗生素抗性基因的污染。我國每年約8萬噸抗生素被應用于畜牧養(yǎng)殖，而40%～90%的獸用抗生素隨糞尿排出，帶來了巨大的環(huán)境風險[2，8]。根據研究顯示，施用糞肥的農田表層土壤中土霉素、四環(huán)素和金霉素平均殘留量分別為未施糞肥農田的38倍、13倍和12倍[9]。為保證有機肥料的安全利用，我國首個有機肥抗生素殘留檢測的強制性國家標準正式實施（GB/T32951-2016）。與堆肥工藝相比，通過高溫熱解炭化可以實現畜禽糞便中抗生素和抗生素抗性基因幾乎完全去除，其中的重金屬（鎘、鉛、銅、鋅）雖然不能去除，但最大程度降低了其化學活潑性和生物有效性。因此，生物質熱解炭化堪稱廢棄物中對有害物質消減最為徹底的安全處理技術。

生物質熱解炭化工藝的核心是實現生物質中有機碳和養(yǎng)分最大限度地循環(huán)利用。其中，產生的可燃氣可以作為能源用于生物質原料的烘干和熱解炭化系統(tǒng)熱源，剩余能量可代替化石燃料用于外部能源供給（如集中供暖、蒸汽生產、并網發(fā)電等）。經過冷凝獲得的液體產物即木醋液中含有豐富的小分子有機物，是一種兼具藥和肥特性的生物活性物質，通過根施和葉面噴施稀釋后的木醋液，可促生、抑病和增產，它是理想的有機農業(yè)投入品。生物質熱解炭化的主要產物是生物質炭，一種富含穩(wěn)定有機質和少量可溶性有機物并包含礦質養(yǎng)分的多種組分混合的固體炭質。生物質炭能產生有益效果，源于其特殊的物理化學結構，在高溫無氧條件下作物秸稈等生物質廢棄物中有機質發(fā)生崩解和炭化，但大部分物理結構被保留，形成了疏松多孔性的特征；由于生物質熱解過程中產生堿性官能團和灰分，使得生物質炭大多為堿性并帶負電荷。因此，炭質穩(wěn)定、多孔疏松特性、普遍較高的陽離子交換量、環(huán)境友好是生物質炭區(qū)別于土壤有機質、好氧堆肥及厭氧消化沼肥的主要特征。利用不同性質的農業(yè)生物質廢棄物進行共熱解炭化技術，可充分挖掘生物質能源、養(yǎng)分、炭質和結構的優(yōu)勢，創(chuàng)制清潔高效、安全衛(wèi)生、功能豐富的炭基產品。

全球對于生物質炭的關注和研究始于數千年前亞馬孫流域農業(yè)耕作留下的黑色肥沃土壤（Terra Prata）。2006年前后科學家相繼研究證明這種肥沃土壤來源于古人采用的原始制炭方法并用于土壤培肥的結果[10]。據此，越來越多的研究提出，依據現代熱解炭化技術規(guī)?；a生物質炭，可用于提升土壤碳儲量和耕地質量，并服務于生物質廢棄物的管理。

當前，氣候變化以及由于農業(yè)高強度利用導致的土壤污染與退化等問題對農業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)正日趨嚴峻。農業(yè)生物質廢棄物熱解炭化應用于土壤，可以將作物光合作用固定的碳返還并保存于土壤（更新周期長達數百年），補充土壤有機碳和養(yǎng)分的同時有效改善土壤結構和平衡酸堿度，提升土壤緩沖性和保肥蓄水能力，為健康土壤的培育提供了新的途徑。生物質炭由于其表面堿性官能團與多孔特征賦予的較高反應活性，可以通過吸附、沉淀、螯合、封存來固定土壤和水體中的重金屬和有機污染物，也為污染耕地修復帶來了新的途徑。農業(yè)領域生物質炭的固碳減排效應包括秸稈等生物質在熱解過程中產生的能源和歸還的養(yǎng)分資源而直接減排，施用生物質炭抑制土壤氧化亞氮排放而產生的間接減排效應。研究顯示秸稈熱解炭化生產生物質炭，每噸秸稈利用的綜合減排效應約為0.7～2.1噸二氧化碳當量。近期，一項基于我國生物質炭田間試驗研究的碳計量研究結果表明，與常規(guī)施用化肥相比，每公頃一次性施用20噸生物質炭分別相當減少玉米和水稻全生命周期碳排放29 噸和33噸二氧化碳當量，其中90%以上減排來自熱解炭化過程中可燃氣的利用和土壤有機碳庫的增加[11]。此外，大量研究結果已經證明，生物質炭發(fā)揮著土壤與生態(tài)系統(tǒng)工程師的作用，生物質炭添加到土壤中可促進土壤中大團聚體形成和外源碳的固定，提高土壤含水量和微生物量，大幅降低農田土壤溫室氣體排放，提高氮素利用效率，提升作物產量和品質，鈍化土壤重金屬和有機污染并降低作物吸收積累，還可以減緩病蟲害的發(fā)生并提升作物的系統(tǒng)抗性。利用生物質炭制備的人造生態(tài)土、生長基質和土壤調理劑已經應用于城市和農業(yè)各個領域。

近年來，依據土壤團聚結構與功能原理，科學家創(chuàng)新研制了以生物質炭為載體的炭基肥料，實現了有機碳架—礦物質—化肥養(yǎng)分的結合，正革新著現代農業(yè)肥料理念。生物質炭通過不同孔隙的吸附固持、表面官能團化學絡合、改變土壤氮素轉化相關微生物活性等機制，可以有效減緩化肥溶解釋放速度而延長對植物吸收的供應期，減少養(yǎng)分的淋失和揮發(fā)損失，提高了養(yǎng)分利用效率數個百分點[12，13]，顯著降低了化肥施用量。炭基肥生產過程中輔以一定量的熱解液體產物即活性有機質，能顯著提升作物根系活力，促進作物代謝和抗逆性，提高作物健康和農產品品質。炭基肥的緩釋高效顯著減少了農田溫室氣體排放，待化肥養(yǎng)分被作物吸收利用后，生物質炭歸還于土壤又實現土壤固碳，長期施用有利于土壤質量和肥力的持續(xù)提升?；谖覈炕噬a與示范的固碳減排計量研究表明，單個生長季的冬小麥和水稻生產可分別產生1.44噸和0.28噸二氧化碳當量的減排量[14]。因此，從生物質廢棄物處理需求出發(fā)的生物質炭生產和土壤施用是名副其實的“負碳”技術。

由于生物質熱解炭化技術的多贏效應并有效服務于未來農業(yè)固碳減排與綠色發(fā)展，一個以新能源、新肥料和新材料為關鍵產品的新興生物質產業(yè)已成為農業(yè)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的熱點領域。與此配套，2017年農業(yè)農村部將秸—炭—肥還田改土模式列為十大秸稈資源利用的典型模式之一，2020年秸稈炭基肥利用增效技術被推介為農業(yè)農村部十大引領技術，炭基肥（NY/T 3041-2016）、炭基有機肥（NY/T 3618-2020）、農作物秸稈炭化還田土改良項目運營管理規(guī)范（GB/Z 39121-2020）等相關標準相繼推出，保證了生物質熱解炭化與農業(yè)應用產業(yè)的有序高效發(fā)展。未來，農村的廚余垃圾、養(yǎng)殖糞污和秸稈等生物質廢棄物可以協同炭化，不但使廢棄物環(huán)境風險不出村、不擴散，而且是就近就地循環(huán)，碳中和效益和經濟收益都會明顯改善，成為農業(yè)和農民增收增效的一種循環(huán)經濟補充。可以期望，以合作社為主體的移動式炭化服務可能成長為新的廢棄物炭化處理和資源化利用的新模式。

全球氣候變化背景下中國農業(yè)面臨耕地質量與農產品安全的巨大挑戰(zhàn)，數十億噸的農業(yè)生物質廢棄物處置與資源化利用任務艱巨。在應對氣候變化挑戰(zhàn)時，應充分挖掘生物質資源，發(fā)展以熱解炭化為基礎的生物質技術與產業(yè)，滿足國家綠色可持續(xù)農業(yè)發(fā)展與農業(yè)固碳減排需求。未來需要積極開發(fā)創(chuàng)新熱解炭化裝備、炭基肥料、炭基材料等技術方法，推動炭基集成技術與產業(yè)模式的大規(guī)模推廣，提高農業(yè)生產者的參與積極性，不斷釋放農業(yè)助力碳中和的潛力。

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關鍵詞：生物質廢棄物 熱解炭化 生物質炭 碳中和 ■