农业固体废物资源化制备生物质炭研究进展

废弃物资源化与再生工程课程论文ResourceUtilizationofResidueandItsRecycleEngineering姓名：崔孝强学号：11314051专业：环境修复与资源再生农业固体废物资源化制备生物质炭研究进展XiaoQiang-Cui1(1MinistryofEducationKeyLaboratoryofEnvironmentalRemediationandEcologicalHealth,CollegeofEnvironmentalandResourceSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)AbstractVastsourcesandhugeamountofbio-wastesfromagricultureandanimalhusbandryproductionandmunicipaldisposalurgeoptimaltreatmentforbiomassandnutrientrecycling.Developingefficientandlowenergyconsumingbiomasscarbonindustrywouldbeafinalsolutionofthesebio-wastesandforproducingcarbonizedproductstoreusetheminagricultureandtosatisfymunicipalenergydemandsinagricultureproductionandrurallife.Inthispaper，themainorganicwasteasfeedstockandthemainprocessforbio-charproductionwerereviewed.Thephysicochemicalpropertiesofbio-charsuchastheelementcontent，alkalinity，surfacecharacterizationandthemicroscopicporestructurewereintroduced.Also，thepotentialapplicationofbio-charinthefieldofagricultureandenvironmentwassummarized，suchastheutilizationofsoilconditionerforimprovingfertility，enhancingcarbonfixationandreducinggreenhousegasemission，andasaneffectiveadsorbentforremovingheavymetalsandorganicpollutantsfromwastewater,andthefutureresearchdirectionofbio-charwasforecastedfinally.KeywordsAgriculturalsolidwaste,Bio-wastreuse,Bio-char摘要：我国农田秸秆和生活垃圾等农业和农村有机废弃物面广量大,其资源化处理一直没有得到根本性解决，而生物质炭作为一种多功能性材料正逐步受到人们的广泛关注，因此开发高效低耗有机废弃物生物质碳工程转化产业化技术,以新型碳质产品就近回田回村实现农业循环,而服务于农业生产和农村生活,可能是农业和农村有机废弃物循环利用并促进农业固碳减排的最佳解决方案。本文综述了以农业固体废弃物为原料制备生物质炭，给出了制备生物质炭的主要工艺，并对生物质炭的主要物理化学性质如元素组成、碱度、表面特性和孔隙结构进行了介绍。然后对生物质炭在农业和环境领域中的应用做了相应介绍，例如用作土壤改良剂提高土壤肥力、增加碳固定、减少温室气体排放，作为一种高效吸附剂同时去处污水中重金属及有机污染物等，并对生物炭的前景做出了展望。关键词：农业固体废弃物，资源化，生物碳20世纪90年代以来,随着经济和社会的高速发展，农村生活方式随之发生了巨大的改变,农业和农村废弃物处理压力日益增大,国家花费大量人力和物力开发废弃物处理技术,并出台了垃圾分类收集、焚烧处理政策和产业支持。而农业上,国家大力支持农田有机质提升计划,出台政策并提供财政支持有机肥生产,在城市和新农村发展中都把废弃物减废处理作为地方社会发展的规划大事。而且，农业和农村废弃物是农业温室气体排放的主要源，2009年哥本哈根联合国气候变化大会以来,我国政府十分关注和支持农业减排。因此,如何实现农业和农村废弃物处理的减废减排和资源化循环利用的统一,是我国农业和废弃物资源化研究和技术发展面临的战略挑战。生物质炭，是指由富含碳的生物质通过裂解或者不完全燃烧生成的一种生物质[1-4]。它是一种多功能材料，含有大量的碳和植物营养物质，可用做土壤改良剂提高土壤肥力，并可以进一步提高农作物产量。此外，生物质炭具有较大的比表面积且表面含有较多的含氧活性基团，可以吸附土壤或污水中的重金属及有机污染物等，因成本较低，被许多人认为是未来活性炭的替代品。特别是，生物质炭是经热解形成的，其制备原料对碳、氮具有较好的固定作用，施加于土壤中，可以减少CO2、N2O、CH4等温室气体的排放，减缓全球变暖[5,6]。正因为生物碳所具备的上述优点使它成为当今环境研究的热点，被认为是一种在农业和环境中有广阔应用前景的材料。本文即从农业和农村废弃物生物质碳化技术和产业发展角度探讨农业和农村废弃物处理的减废减排和循环利用的解决方案，综述了以农业固体废弃物为原料制备生物质炭及其制备生物质炭的主要工艺，并对生物质炭的主要物理化学性质如元素组成、碱度、表面特性和孔隙结构进行了介绍，然后对生物质炭在农业和环境领域中的应用做一定描述，并对未来生物质炭领域的研究方向进行了展望。1我国农业农村大量有机废弃物处理出路尚待根本解决1.1我国农业和农村生活产生大量废弃物生物质,资源化处理压力日益增大当前全国耕地上种植的各类农作物,年产秸秆总量约7亿t，其中水稻、小麦和玉米等大宗农作物秸秆总量在5亿t左右,以河南为例,秸秆总产量约7000万t/a,因为腾茬的需要,就地焚烧达3500万t/a,相当于1750万t/a标准煤[7]。同时,高速发展的畜牧业也产生日益加剧的养殖业畜禽废弃物排放,2003年已经达到鲜重35.25亿t[8]。据一些大城市郊区的调查,养殖业畜禽废弃物利用率一般不到20%,如北京市的畜禽粪便加工处理能力为22万t，处理率仅3%。另外,我国生活垃圾等有机废弃物排放量也十分惊人,据估计人均日产生活垃圾量约0.5kg,而城镇可达1kg。2008年全国城镇生活垃圾清运量约为2.0亿t，村庄生活垃圾清运量约为1.2亿t，总计达3.2亿t，大部分为餐厨生物质废弃物[9]。近年来仍以8%~10%的速度增长,而无害化处理率不到1/5(例如天津市十一五期间处理率为19.3%)。生活垃圾处理与产生量严重不匹配,成为环境保护的难题[10]。1.2废弃物生物质处理缺乏成熟技术,导致严重的环境问题秸秆燃烧成为政府控制大气质量最为棘手的问题。秸秆燃烧产生温室气体排放,严重影响空气质量,每年秋季种植以前的秸秆燃烧,使多个城市早晨发生阴霾天气,机场瘫痪屡屡发生;我国约有1/4的秸秆燃烧[7],大约产生50Tg的CO2,成为我国非能源利用中最重要的温室气体释放源。畜禽废弃物和生活垃圾堆放,需要占用大量土地。在本世纪初,我国垃圾堆放已经占用土地总计467万hm2,相当于当前太湖地区2~3个县市的总耕地面积。同时,禽畜废弃物堆放产生大量废水,污染水环境,是富营养化的重要污染源;这些垃圾释放出大量氨、硫化物等有害气体,严重影响人居环境质量。2制备生物质炭的原料理论上讲，所有富含碳的有机质均可用于制备生物质炭。但用淀粉等有机质生产生物质炭则成本较高，在全球资源匮乏的今天显然不符合资源最佳利用的原则，因此利用含碳量高的固体废弃物例如秸秆、稻草、林木采伐废枝、甘蔗渣、污水厂剩余污泥等作为原料制备生物质炭不仅避免了环境污染并可生成新的能源，是一种废物资源化的良好途径。据报道我国每年秸秆产量约7亿吨，农林废弃物约3.5亿吨，并有大量的城市垃圾难以处理，若将它们用于生产生物质炭无疑是一种变废为宝的方法。植物类废弃物主要有秸秆、稻草、米壳、树枝，这些废弃物通常含有丰富的碳。目前，植物类废弃物主要的处理方法为燃烧，既污染了环境又浪费了能源，因此，可以用其生产生物质炭，并作进一步利用。例如，Yuan等[5]分别采用菜籽秸秆、大豆秸秆、玉米秸秆和花生秸秆在低氧环境下裂解得到了一系列的生物质炭，发现不同的原料基质制成的生物质炭的产率和性质差别较大，因此认为原料是影响生物质炭产率和性质的最重要的因素。轻工业同样会产生大量的固体废弃物，其中不乏含较多碳的物质。例如，制糖产业中，目前主要原料是甘蔗和甜菜，在制糖后会有大量的甘蔗渣和甜菜渣产生，这些废弃物含有大量的碳，是制备生物质炭的理想材料。Inyang等11]用甘蔗渣置于热解炉中，在低氧环境下裂解得到生物质炭，实验中其将基质甘蔗渣消化后再裂解生产生物质炭DBC（digestedbagassebiochar），并与新鲜甘蔗渣制成的生物质炭BC（bagassebiochar）相比，发现二者产率接近，但DBC的性能更好，具体表现在其拥有更高的pH值、更大的比表面积和阴、阳离子交换能力以及更多的表面电荷[7]。这些性质均是衡量生物质炭性能的重要指标，所以，对原材料进行消化处理后制备的生物质炭会有更好的应用效果。Yao等[9]以甜菜渣为原料也得到了相似的结果。另外，通过对原材料进行一定的预处理，可以使制得的生物质炭呈现出某些特殊的性质。自19世纪活性污泥法处理污水诞生以来，因其成本低，效果好，已成为最普遍的城市污水处理方法。但是，在此过程中，剩余污泥是不可避免的副产物，每年产生大量的污泥难以处置。目前，污泥的主要处理方法是填埋和焚烧，填埋占用大片土地资源并有可能会污染地下水，焚烧则会产生空气污染并造成能源浪费。而污泥中含有大量的C以及N、P等营养物质，是制备生物质炭的优质原料。Hossain等[12]以剩余污泥为原料裂解制成生物质炭，产率最高可达72.3%，并且其营养物质含量很高，适合于施入土壤中促进植物的生长。因此，用剩余污泥制备生物质炭的前景非常可观。另外，我国的湖泊水体富营养化非常严重，如2007年太湖的蓝藻爆发给我国造成了不可估量的损失，藻类污染已成为人们不得不认真面对的严峻问题。藻类分为大分子藻类和微藻类，大分子藻类常见于湖泊中，而微藻个体极小，悬浮生长于水中。藻类主要由碳水化合物、蛋白质和脂类构成，微藻类脂类含量较高，适合于生产生物燃料，而大分子藻类脂类含量较低，且繁殖速度非常快，可用来制备生物质炭。Bird等[13]用分别来自淡水和海水的8种藻类裂解制得了一系列生物质炭，与用家禽粪便等有机废物制成的生物质炭类似，其中P、K、Ca、Mg等营养物质的含量非常丰富，适宜用做土壤改良剂提高土壤肥力。综上可以看出，目前的研究均以富含碳的物质，如秸秆、稻草、树枝、草、藻类等植物类废弃物，粪便、剩余污泥等有机质废弃物，以及甘蔗渣、甜菜渣等工业废弃物为基质，在低氧环境下低温裂解后得到生物质炭。以上富含碳的物质基本都是废弃物，很大程度上避免了能源浪费，在当今能源危机的背景下变得非常有意义。3生物质炭的制备方法生物质材料通过热化学过程转变成生物燃料或其它生物产物要经过3个阶段：裂解过程、碳化过程和气化过程。生物质炭是通过将生物质在缺氧环境下，于300～700℃下裂解得到。裂解条件不同，得到的产物产率和性质均有较大差异。基于不同的裂解条件，裂解可分成3种基本形式：慢速裂解、中速裂解以及快速裂解，反应所需的能量有4种不同的途径提供：①由反应自身放热提供；②通过直接燃烧反应副产物或基质提供；③燃气燃烧加热反应器间接提供；④由其它含热物质间接提供。生物质炭的制备方式通常可分为批式制备和连续制备。生物质炭传统的制备方式是批式制备，