農(nóng)林廢棄物在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的利用

馬欣蕾 錢小雨 謝曉婧 林少華

摘 要：隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，以及國(guó)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(guó)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(duì)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(guó)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(hào)：X71? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）10-135-003

我國(guó)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(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)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(lái)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(huì)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(guó)對(duì)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(guó)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(guò)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(duì)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(gè)重要變化是吸附能力的提高，一般可以提高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)[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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(lái)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(huì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、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(duì)全球氣候變化趨勢(shì)，我國(guó)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(guó)將面臨空前巨大的溫室氣體減排壓力。我國(guó)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(guó)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(cāng)庫(kù)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(guò)采用生命周期評(píng)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(chǔ)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(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳減排的發(fā)展?jié)摿Γ@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(zhǎng)代謝過(guò)程中提供碳元素來(lái)源的物質(zhì)，是影響反硝化效果的重要因素之一。隨著中國(guó)“水十條”的發(fā)布，對(duì)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(huì)相對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)比這四種碳源對(duì)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(duì)NO3--N平均去除率為51.8%，效果最佳[22]。

對(duì)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(duì)無(wú)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(duì)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(duì)甘蔗渣進(jìn)行改性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性后的甘蔗渣對(duì)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(guò)比較改性前后的秸稈對(duì)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(duì)橘子皮改性，最后發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)改性的橙皮對(duì)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(duì)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(guó)對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)，反硝化速率會(huì)降低，釋放碳的持續(xù)性會(huì)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(guò)對(duì)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(guó)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(guó)對(duì)于農(nóng)林廢棄物的資源化潛力認(rèn)識(shí)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(duì)這些問題，需要對(duì)國(guó)民開展科普宣傳活動(dòng)，讓大家意識(shí)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(duì)資金與人力的投入，形成一個(gè)農(nóng)林廢棄物再利用的新型產(chǎn)業(yè)鏈。最后各級(jí)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(tái)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(guò)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

參考文獻(xiàn)：

[1]叢宏斌，趙立欣，孟海波，姚宗路，賈吉秀，袁艷文，霍麗麗，吳雨濃.農(nóng)林廢棄物高效循環(huán)利用模式與效益分析[J]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35（10）：199-204

[2]李劉剛.改性農(nóng)林廢棄物生物炭吸附Cr6+的性能及機(jī)理研究[D]湖南：中南林業(yè)科技大學(xué)，2018

[3]包駿瑤，趙穎志，嚴(yán)淑嫻，等. 不同農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)炭對(duì)雷竹林酸化土壤的改良效果[J]浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，35（1）：43-50

[4]Lehmann， J.， Gaunt， J.， Rondon， M. Biochar sequestration in terrestrial ecosystems： A review [J]Mitig Adapt Strat Global Change， 2006（11）：403-427

[5]Chen， X.C.， Chen， G.C.， Chen， L.G.， Chen， Y.X.， Lehmann， J.， McBride， M.B.， Hay， A.G.. Adsorption of copper and zinc by biochars produced from pyrolysis of hardwood and corn straw in aqueous solution [J] Bioresource Technology， 2011， 102（19）： 8877-8884

[6] Qiu， Y.P.， Cheng， H. Y.， Xu， C.， Sheng， D. Surface charateristics of crop-residue-derived black carbon and lead（Ⅱ） adsorption [J] Water Research， 2008， 42（3）： 567-574

[7]佟雪嬌，李九玉，姜軍，徐仁扣.添加農(nóng)作物秸稈炭對(duì)紅壤吸附Cu2+的影響[J]生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，27（5）：37-41

[8] Spokas， K.A.， Koskinen， W.C.， Baker， J.M. and Reicosky， D.C. Impacts of woodchip biochar additions on greenhouse gas production and sorption/degradation of two herbicides in a Minnesota soil [J] Chenosphere， 2009， 77（4）： 574-581

[9] Yang， Y.N. and Sheng， G.Y. Pesticide adsorptivity of aged particulate matter arising from crop residue burns [J]Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2003，51： 5047-5051

[10]王立寧，韓鑫宇.生物質(zhì)炭化技術(shù)的農(nóng)林廢棄物技術(shù)中的運(yùn)用[J]資源節(jié)約與環(huán)保，2019（8）：112

[11]Xu， X. Y.，Kan， Y.，Zha，L.，Cao， X. D..Chemicaltransfomlation of C02 during its capture by waste biomass（ie rived biochars.Environmental Pollution，2016.213：533-540

[12]Liu， X. Y.，Zheng， J. F.，Zhang， D. X.，Cheng， K.，Zhou， H. M.，Zhang， A. F.，Li， L. Q.，Joseph， S.，Smith， P.，Crowley， D.， Kuzyakov， Y.，Pan， G. X..Biochar has no effect on soil respiration across Chinese agricultural soils.Science of the Total Environment，2016.554-555：259-265

[13]Zhang， D. X.，Pan， G. X.，Wu， G.，Kibue， G. W.，Li， L. Q.，Zhang， X. H.，Zheng， J .W.，Zheng， J. F.，Cheng， K.，Joseph， S.，Liu， X. Y.Biochar helps enhance maize productivity and reduce greenhouse gas emissions under balanced fertilization in a rainfed low fertility inceptisol.Chemosphere，2016，142：106-113

[14]徐敏，伍鈞，張小洪，等.生物炭施用的固碳減排潛力及農(nóng)田效應(yīng)[J]生態(tài)學(xué)報(bào)，2018，38（2）：393-404

[15]孟凡靜.典型城鎮(zhèn)污水處理廠碳源回收與利用優(yōu)化研究[D]山東：青島理工大學(xué)，2018

[16]張瑋，唐菲，曾芷儀.改性橙皮對(duì)廢水中Cu2+的吸附研究[J]安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（28）：17413-17415. DOI：10.3969/j.issn.0517-6611.2011.28.112

[17]王金主，王元秀，李峰，等.玉米秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的測(cè)定[J]山東食品發(fā)酵，2010（3）：44-47

[18]陳賢情，商晉，宋慧芳，等.秸稈中纖維素/半纖維素和木質(zhì)素的幾種測(cè)定方法對(duì)比[C]中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì).2011：1-6

[19]田維亮，葛振紅，李繼興.棉子殼中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量的測(cè)定[J]中國(guó)棉花，2013，40（7）：24-25，27

[20]徐鎖洪，施巍.以稻殼為載體培養(yǎng)反硝化菌及硝酸鹽氮的去除[J]大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，22（4）：98-101

[21]唐婧，任琦，趙凱，等.水力停留時(shí)間對(duì)天然纖維素類固體碳源反硝化濾池處理效果的影響[J]環(huán)境污染與防治，2019，41（3）：307-311

[22]常軍軍，劉虎，羅通，等.花卉秸稈為碳源的潛流人工濕地對(duì)硝氮的去除及其負(fù)效應(yīng)[J]環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10（9）：5313-5318.

[23]吳婉瀅，陳迪云，張曉峰，等.廢棄農(nóng)林生物質(zhì)處理重金屬離子廢水的研究進(jìn)展[J]工業(yè)用水與廢水，2016，47（4）：7-11

[24]汪燕南.生物吸附劑的制備及其對(duì)水體污染物去除性能的研究[D]安徽：安徽師范大學(xué)，2017

[25]金潔蓉，張麗娜，楊春和.秸稈活性炭對(duì)印染廢水的凈化與吸附作用研究[J]安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（14）：4397-4398

[26]張瑋，唐菲，曾芷儀.改性橙皮對(duì)廢水中Cu2+的吸附研究[J]安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（28）：17413-17415