生物質(zhì)發(fā)電廠草木灰農(nóng)業(yè)利用技術(shù)

孫春梅 ，董玉兵 ，紀(jì) 力 ，陳 川 ，章安康 *，鐘 平 ，邵文奇 ，張山泉 ，莊 春 ，徐建明

（1.江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 淮安 223001；2.江蘇省環(huán)洪澤湖生態(tài)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/淮陰師范學(xué)院，江蘇 淮安 223300）

生物質(zhì)是一種清潔的低碳燃料，含硫和含氮量均較低[1]。生物質(zhì)發(fā)電在發(fā)達(dá)國家已被廣泛采用，在我國雖起步較晚，但已是大勢(shì)所趨[2-5]。近年來江蘇省已建成生物質(zhì)發(fā)電廠20 余家，這些發(fā)電廠將農(nóng)田秸稈加以利用的同時(shí)還解決了能源需求，但也集中產(chǎn)生了大量草木灰[6-13（]1 臺(tái)機(jī)組每天產(chǎn)生的草木灰達(dá)40 t 之多）。草木灰中富含鉀素，農(nóng)村家庭生活中所產(chǎn)生的草木灰，歷來被作為農(nóng)家肥直接還田使用[14]；在我國大量進(jìn)口化學(xué)鉀肥之前，施用草木灰是我國農(nóng)田維持鉀素平衡的主要途徑。生物質(zhì)發(fā)電廠的設(shè)計(jì)也預(yù)定了草木灰作為農(nóng)肥用于還田，并未考慮其他處置方式。然而與農(nóng)戶分散產(chǎn)生的草木灰不同，生物質(zhì)發(fā)電廠集中產(chǎn)生的草木灰直接還田并不可行：與化學(xué)鉀肥相比，其含鉀量相對(duì)較低，按目前當(dāng)?shù)氐钧溙锏幕瘜W(xué)鉀肥施用水平，施草木灰量需100 kg/667 m2以上，且草木灰容重低，物理性狀差，運(yùn)輸施用極不方便，農(nóng)民多不愿直接使用。生物質(zhì)發(fā)電廠的草木灰除小部分被賣掉外，其余的只能作為廢棄物通過掩埋進(jìn)行處理，不僅產(chǎn)生了新的污染而且還要占用大片的土地，生物發(fā)電廠的草木灰利用成為亟待解決的難題。

目前國內(nèi)外對(duì)草木灰的研究和利用多局限于化工、建筑等行業(yè)[15-17]，如替代部分水泥[18-19]、用于生產(chǎn)玻璃和硅晶材料等[20-22]、發(fā)揮其吸附[23-24]功能；在農(nóng)業(yè)方面則多用草木灰作為土壤改良劑[25-29]。梁星星等通過添加聚天冬氨酸（PASP）解決草木灰復(fù)合肥易碎的問題，效果較好[30]；也有學(xué)者研究利用草木灰來制作多元素肥料、開發(fā)潛在磷肥資源或?qū)⑵渑c肥料配合施用[31-47]，但制成的肥料往往濃度較低或者對(duì)草木灰的用量較少。本研究先從草木灰中提取鉀素，后又將提鉀后的草木灰制作成基質(zhì)，希望能為草木灰的利用方式提供新的參考。

1 從草木灰中提取鉀素的技術(shù)

我國是鉀素資源嚴(yán)重缺乏的國家，每年都要進(jìn)口大量的鉀肥，1996—2007年鉀肥進(jìn)口量年均增長率為7.6%，每年鉀肥缺口的絕對(duì)數(shù)量達(dá)600 萬t 以上[48-50]。作物吸收的鉀素80%以上積累在秸稈中，將原本分散于各地的秸稈集中起來用于發(fā)電的同時(shí)，也從農(nóng)田中帶出大量鉀素，若這些鉀素不能作肥料還田，必將增加農(nóng)田鉀素的虧缺。把生物質(zhì)發(fā)電廠廢棄物草木灰中以鉀素為主的植物營養(yǎng)元素提取出來作為農(nóng)肥使用，既可緩解我國鉀肥資源缺乏的局面，又有利于生物質(zhì)發(fā)電廠的正常運(yùn)行。

1.1 草木灰的成分

草木灰中可溶鹽的陽離子主要有K+、Na+、Ca2+、Mg2+，陰離子主要有 Cl-、SO42-、CO32-、SiO32-、OH-。測(cè)定發(fā)現(xiàn)，淮安當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)發(fā)電廠產(chǎn)生的草木灰中，可溶鹽主要以KCl 為主（表1），鹽溶液呈強(qiáng)堿性，pH 值≥10。溶液的堿性主要來自于草木灰中的Ca、Mg 氧化物，K、Na 的碳酸鹽也使溶液呈強(qiáng)堿性，但其含量不高。

表1 淮安市楚州區(qū)、宿遷市泗陽縣生物質(zhì)發(fā)電廠草木灰與農(nóng)家肥成分及含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1.2 從草木灰中提取鉀素的方法

草木灰一般含鉀6%～12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），且90%以上是水溶性的[51]。從草木灰中提取鉀素古已有之[52-56]，多采用加入2～3 倍質(zhì)量水分充分?jǐn)嚢韬筮^濾的方法。由于草木灰顆粒細(xì)微及其顆粒的多孔性，吸持水量大，要進(jìn)行有效浸泡和便于攪拌，加入水量必須達(dá)到灰重的3 倍以上，因此浸泡液的鉀素濃度低。以草木灰含鉀素10%計(jì)，3 倍量水浸泡，濾液中鉀素質(zhì)量百分濃度最多為3.3%。因濃度較低，后續(xù)對(duì)其進(jìn)行蒸發(fā)濃縮時(shí)耗能費(fèi)時(shí)較多，又因草木灰本身吸持水的能力強(qiáng)，自然狀態(tài)的持水量常達(dá)200%以上，經(jīng)離心脫水后持水量仍達(dá)75%以上，因此，浸泡過濾取鹽不僅濾液濃度低，且灰中殘存鹽分高。海南煙草公司蘇玉明提出的“草木灰提取三鉀鹽的技術(shù)”[57]采用濾液循環(huán)多次浸泡的方法以提高濾液的濃度，雖可克服濾液濃度過低的問題，但過程冗繁，不適于大規(guī)模生產(chǎn)使用。

分級(jí)淋洗過濾從草木灰中提取鉀素的技術(shù)途徑是以水為溶劑，利用鉀素易溶于水的特點(diǎn)，將草木灰中的鉀素溶解分離出來[58]。其目標(biāo)一是要盡可能地把草木灰中鉀素提取完全，二是盡量提高浸提液中溶質(zhì)的濃度，以降低后續(xù)濃縮結(jié)晶的成本。由表2 可知，分級(jí)淋洗過濾法可以更高效、更簡(jiǎn)便地提取可溶鉀素，在得到高濃度鉀素溶液的同時(shí)，節(jié)約了資源且降低了提取與加工的成本，使從草木灰中提取鉀素具備了工業(yè)化生產(chǎn)的可能?；谠摲ㄔO(shè)計(jì)的“反向洗濾法提取草木灰中鉀鹽的裝置”“雙池疊加法提取草木灰中鉀鹽的裝置”和“多池周轉(zhuǎn)法提取草木灰鉀鹽裝置”，能適應(yīng)不同規(guī)模從灰渣中提取鉀素的需要。

表2 2種提鉀素方法的比較（以草木灰含鹽10%算）

1.3 草木灰提取鉀素的效益分析

以可提取鉀肥來說，僅江蘇現(xiàn)有的22個(gè)生物質(zhì)發(fā)電廠，每年產(chǎn)生的草木灰中可提取鉀肥總量達(dá)近4 萬t，這相當(dāng)于我國目前鉀肥產(chǎn)量的近2%。如圖1、圖2 所示，從草木灰中提取到高濃度淋洗液后，可經(jīng)蒸發(fā)濃縮獲得鉀肥，用該方法生產(chǎn)鉀肥的綜合成本比在青海、新疆鉀肥主產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)成本要低得多。按每個(gè)生物質(zhì)發(fā)電廠年使用秸稈20 萬t、年處理草木灰20 000 t、草木灰平均含鹽折氯化鉀7%計(jì)，可獲得鉀肥1 400 t，鉀肥按2 500 元/t 計(jì)，鉀肥銷售收入350 萬元（以進(jìn)口鉀肥價(jià)格約2 200 元/t、國產(chǎn)鉀肥價(jià)格約1 900 元/t 計(jì)，我們生產(chǎn)出的鉀肥因?yàn)椴患?，含有鈣鎂等物質(zhì)，所以價(jià)格可以降低為1 500 元 /t 左右）。

圖1 從草木灰中提取到的高濃度淋洗液

圖2 高濃度淋洗液經(jīng)蒸發(fā)濃縮后獲得的鉀肥

2 用草木灰制作育苗基質(zhì)的技術(shù)

經(jīng)提取鉀素后的草木灰，含鹽量和pH 值都已降低，但除增加了含水量之外，其物理性狀并未發(fā)生任何變化，若不能有效利用，仍然是有待處理的固體垃圾，因此需研究開發(fā)提取鉀素后的草木灰的出路。草木灰的組成以多孔二氧化硅為主，并殘存少部分未燃盡的炭顆粒，容重低、持水量高、無菌、無蟲、無草，未燃盡的木炭更具有凈化根際環(huán)境、促進(jìn)根系生長和增加代換容量的作用，是適合制作育苗基質(zhì)有利的一面，但仍然具有顆粒細(xì)、澆水后透氣性差、養(yǎng)分組成不全面、保肥能力不強(qiáng)等不利于幼苗生長的多方面缺陷。針對(duì)其特點(diǎn)，揚(yáng)其長而避其短，用以制作育苗基質(zhì)，可徹底解決生物質(zhì)發(fā)電廠草木灰處理難題。

2.1 用草木灰制作水稻育苗基質(zhì)的技術(shù)

水稻機(jī)插秧技術(shù)已在江蘇省國有農(nóng)墾系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋，育苗時(shí)需配制大量育秧營養(yǎng)土，存在用土量大、取土難、對(duì)土壤耕層破壞嚴(yán)重、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。利用基質(zhì)育水稻秧苗，是在機(jī)插秧發(fā)展到較大規(guī)模時(shí)生產(chǎn)上所必然提出的需求。研究用草木灰制作水稻機(jī)插育苗基質(zhì)的技術(shù)，可以為生物質(zhì)發(fā)電廠草木灰利用尋找出更為廣闊的出路。

目前，已有學(xué)者對(duì)水稻機(jī)插秧育苗基質(zhì)作了相關(guān)的研究，如：江蘇省大中農(nóng)場(chǎng)蘇建權(quán)等用粉碎過2 mm 孔徑篩的稻殼經(jīng)發(fā)酵制成的水稻育苗基質(zhì)[59]，黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院水稻研究所劉華招等用膨軟稻殼制成的水稻育苗基質(zhì)等[60]。這些基質(zhì)多為以稻殼、牛糞[61]、秸稈[62]等通過生物發(fā)酵后配制而成的有機(jī)基質(zhì)[63-64]，如發(fā)酵不好會(huì)影響其安全性，而草木灰基質(zhì)為無機(jī)基質(zhì)[65-70]，性狀穩(wěn)定，無需發(fā)酵，育苗安全性較高，與其他基質(zhì)和營養(yǎng)土相比，育苗效果相近（圖3）。用草木灰制作水稻育苗基質(zhì)，也可為水稻機(jī)插育苗基質(zhì)的制作原料尋找到一項(xiàng)穩(wěn)定可靠來源。水稻因更偏好銨態(tài)氮肥，所以可用單一普通硫酸銨作為氮源；水稻機(jī)插秧秧盤底孔直徑小，且密貼于土面，育苗基質(zhì)對(duì)草木灰結(jié)構(gòu)要求不高，因此直接使用無結(jié)構(gòu)的粉末狀草木灰裝盤，也極少隨水流失；水稻根系對(duì)通氣孔隙的要求不高，所以制作水稻育苗基質(zhì)時(shí)不必加膠；水稻適宜偏酸環(huán)境生長。根據(jù)這些特點(diǎn)，用提鉀后的草木灰制作的育苗基質(zhì)，其原料可溶鹽量的電導(dǎo)率應(yīng)小于2 mS/cm（體積比為1︰5 的水提取液），pH 值6.5～7.0，銨態(tài)氮量0.1%左右。

圖3 草木灰水稻基質(zhì)和營養(yǎng)土所育水稻秧苗的比較

2.2 用草木灰制作蔬菜育苗基質(zhì)的技術(shù)

我國目前常用的蔬菜育苗基質(zhì)多是有機(jī)基質(zhì)或混合基質(zhì)[71-88]，如巖棉、細(xì)蛭石、草炭、鋸木屑等。以草木灰為主體材料制作出無機(jī)育苗基質(zhì)鮮有報(bào)道。國內(nèi)引進(jìn)的工廠化育苗設(shè)施大都采用草炭、蛭石（體積比為2︰1）配制的復(fù)合基質(zhì)，草炭雖是優(yōu)良基質(zhì)，但其資源分布不均勻，質(zhì)量差異大，受產(chǎn)地所限，長途運(yùn)輸會(huì)增加育苗成本，且草炭為不可再生的自然資源，淮安市及鄰近地區(qū)也無可開采的草炭資源，因此，當(dāng)?shù)夭宿r(nóng)使用的育苗基質(zhì)（表3）大多為食用菌殘余物、腐熟秸稈、酒糟等，其原料來源復(fù)雜，組成常不穩(wěn)定，應(yīng)用效果參差不齊。

表3 市售基質(zhì)和草木灰蔬菜基質(zhì)主要性狀比較

草木灰質(zhì)地輕，分散性強(qiáng)，持水量高，毛管孔隙發(fā)達(dá)而通氣孔隙率低。在適當(dāng)含水條件下，草木灰可以正常裝入育苗穴盤，但澆水時(shí)，穴盤中的草木灰不耐水流沖擊，澆水的水滴稍大，草木灰便會(huì)從穴盤中被水流沖走，而且一旦澆水量過多，穴盤中的草木灰又極易隨下滲水流從穴盤底孔流失，這種性狀使其不可能直接用作蔬菜育苗基質(zhì)。要用提鉀后的草木灰制作蔬菜育苗基質(zhì)，首先必須改變草木灰的物理性狀，使其具有一定結(jié)構(gòu)。針對(duì)草木灰的特點(diǎn)和不同作物對(duì)育苗基質(zhì)的要求，采用脫鹽、調(diào)酸、配肥和加膠改善結(jié)構(gòu)等措施，可用草木灰制作出適合不同蔬菜品種的育苗基質(zhì)。

圖4 是草木灰基質(zhì)所育西瓜苗的效果。使用草木灰基質(zhì)在小白菜、辣椒、西瓜、南瓜、番茄、棉花、甘藍(lán)等作物上進(jìn)行育苗試驗(yàn)的結(jié)果表明，其育苗效果與市售育苗基質(zhì)相近[89-95]，某些方面性狀還優(yōu)于商品育苗基質(zhì)，如種子出苗率較高、發(fā)病株率較低。

圖4 草木灰基質(zhì)和市售基質(zhì)所育西瓜苗對(duì)比

2.3 草木灰制作育苗基質(zhì)的效益分析

按每個(gè)生物質(zhì)發(fā)電廠年使用秸稈20 萬t、年處理草木灰20 000 t、并先提取鉀素后制作基質(zhì)來計(jì)算，提鉀后的草木灰可配制育苗基質(zhì)約7 萬m3，如果將其全部用于機(jī)插秧育秧，可供4.67 萬hm2水稻育秧之需。如果按基質(zhì)120 元/m3計(jì)，產(chǎn)值約850 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 討論

草木灰是一項(xiàng)值得開發(fā)的資源，研究開發(fā)其有效利用途徑是發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電事業(yè)必需面對(duì)的課題。草木灰提取鉀素，在技術(shù)上，難度不大；生產(chǎn)上，投入不會(huì)過多；產(chǎn)品銷售上，市場(chǎng)廣闊；經(jīng)濟(jì)效益上，應(yīng)該有所收益。隨著機(jī)插秧面積的迅速推廣和設(shè)施蔬菜種植規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)育苗基質(zhì)的需求也日益增加，草木灰提鉀并制作成水稻和蔬菜育苗基質(zhì)，可徹底解決生物質(zhì)發(fā)電廠草木灰難以處理的現(xiàn)狀，使生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)得以完善并有利于其推廣，同時(shí)利于水稻機(jī)插秧技術(shù)和蔬菜種苗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前項(xiàng)目組只進(jìn)行了中等規(guī)模裝置的應(yīng)用試驗(yàn)，大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的配套機(jī)械的選用，尚無經(jīng)驗(yàn)，也缺乏這方面的知識(shí)，有待與相關(guān)發(fā)電廠配合研究與完善。

提鉀后的草木灰制作育苗基質(zhì)的最大障礙是必需中和其堿性。造成草木灰呈強(qiáng)堿性反應(yīng)的主要物質(zhì)是鈣鎂氧化物。鈣鎂氧化物的溶解度低，在提鉀過程中溶出量有限，絕大部分留存于草木灰中。在已進(jìn)行的育苗基質(zhì)調(diào)配時(shí)，采用以硫酸亞鐵為主的調(diào)酸劑，這在楚州區(qū)的生物質(zhì)發(fā)電廠應(yīng)用是可行的，因?yàn)楫?dāng)?shù)赜锌闪畠r(jià)獲得的廢棄資源可供利用。當(dāng)此項(xiàng)資源供不應(yīng)求時(shí)，如何中和草木灰的堿性物質(zhì)，仍值得研究完善。

將草木灰水稻基質(zhì)應(yīng)用于漂浮育秧[96]，也取得了良好效果。本團(tuán)隊(duì)仍在對(duì)草木灰水稻育苗基質(zhì)的配方進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，草木灰的其他利用途徑仍有待發(fā)掘。