Recycling of agricultural organic wastesunmsg
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。本文中，首先介绍了农业有机废弃物的种类，继而介绍了生物炭的主要物理化学性质如元素组成、碱度、孔隙结构和化学性质，并综述了以农业有机废弃物为原料制备生物质炭，给出了制备生物炭的新型研究工艺。然后对生物炭在农业和环境领域中的应用做了相应介绍，例如用作生产有机肥料、生产能源、生产饲料等。最后对生物炭的前景做出了展望。 关键词：农业有机废弃物；生物炭；资源化
Abstract: Our farmland straw and garbage and other organic wastes in agriculture and rural wide range of large, its resources have not been processed.Have been fundamentally resolved, and biochar as a multifunctional material is gradually drawn wide attention, so the development of efficient low carbon or
ganic waste biomass conversion technology industry engineering to new product near carbonaceous back field back to the village to achieve the agricultural cycle, and to serve agricultural production and rural life, it could be agriculture and rural organic waste recycling and promote the best solutions agricultural carbon sequestration and emission reduction. In this paper, first introduced the kind of agricultural organic waste, which in turn introduces biochar main physical and chemical properties such as elemental composition, alkalinity, surface characteristics and pore structure, and reviewed agricultural organic wastes as raw material biomass charcoal , gives the main process for preparing biochar. Then biochar application in the field of agriculture and the environment made the corresponding presentation, such as a soil conditioner to improve soil fertility and increase carbon sequestration and reduce greenhouse gas emissions, at the same time as an efficient adsorbent in place of heavy metals and organic pollutants in sewage and the like. Finally, the prospect of biochar made outlook.
氢气炉
Keywords: agricultural organic waste; biochar; resources
引言
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[1]。
近年来，世界各国每年会产生数量庞大的资源性农业废弃物。西欧在1998-2001年共产生7亿吨资源性农业废弃物。法国在1995-2006年每年的资源性农业废弃物增量约3.65亿吨。德国2000年资源性农业废弃物超过了1.75亿吨。中国近年来每年产生的农作物秸秆7亿吨，蔬菜废弃物1亿吨(孙振钧等,2004)，每年产生畜禽粪便约为17.3x108t，预计到2020年中国每年将会产生畜禽粪便42.44亿t。据专家预测，随着生产的发展和人口的进一步增加，农业废弃物会以年均5%~10%的速度递增。农业废弃物中大部分是在目前的技术、资金和劳动力等允许的条件下，能够在农业或农产品加工业的副产品中作为原材料被再生利用的资源性农业废弃物[2]。因此，农业废弃物是一座巨大的资源库。
1 农业有机废弃物及其分类
1.1 农业有机物废弃物概述vb连接sql数据库
农业废弃物(agricultural residue)是指人类在组织农业生产过程中所丢弃的有机类物质的总称[3]。农业机废弃物数量巨大且分布广泛，污染危害大，但同时又具有可资源化利用的特点，是一种宝贵的生物质资源。生物质能源化利用的主要方式有直接燃烧（包括通过省柴灶、节能炕、节能炉燃烧及直燃发电）、固体成型燃料技术、气化（包括生物质燃气、沼气）和液化（包括燃料乙醇和生物柴油）等，可为生活和工业提供清洁能源。农作物秸秆除可能源化利用外，还含有氮、磷、钾等丰富的矿物质养分，这些营养物质将有效提高土壤的养分含量，改善生产条件从而提高农产品的质量和产量。畜禽粪便除了可作为农作物有机肥以外，还可通过厌氧发酵产生沼气作为能源化利用[4]。
1.2 农业有机物废弃的分类
农业有机废弃物按其来源不同可分为下述几种类型:(1)植物性废弃物，主要是指农作物秸秆、林木枝条、杂草、落叶、果实外壳等，我国每年有10亿吨左右的种植业废弃物;(2)动物性废弃物，主要是指畜禽粪便，我国每年产生畜禽粪便 27 亿吨;(3)农副产品加工产生的废弃物，如果渣、土豆渣、屠宰污血等;(4)农村居民生活废弃物，包括人粪尿及生活垃圾[3]。
2.生物炭及其物理化学性质
2.1 生物炭概述
生物炭，又称生物质炭( biomass-derived black carbon 或biochar) ，是秸秆、木屑、动物粪便等生物质在完全或部分缺氧和相对低温( ＜700℃) 的条件下，热解炭化产生的一种含碳量丰富、性质稳定的物质[5]。目前我国每年产生大量的废弃生物质资源，如农业秸秆、林业生产和木材加工业废弃物、家禽家畜粪便、居民有机生活垃圾等。其中，以农业秸秆为例，每年大约生产秸秆约7 亿t，而其中高达50%的秸秆被露天焚烧或者遗弃，可见其资源化利用水平偏低，同时不当的处理方式，更容易引起二次环境污染。因此，利用废弃生物质资源制备生物炭以及其在土壤中的应用，不仅能够提高资源化利用程度，而且在很大程度上能够缓解温室效应所带来的压力[6]。
2.2 生物炭的理化性质
2.2.1 生物炭的元素组成
生物质炭中含有大量植物所需的营养元素，除C含量较高外，N、P、K、Ca和Mg的含量也较高[7]，C和N的含量由于燃烧和挥发的原因随温度的升高而降低，而K、Ca、Mg和P 的含量随温度的升高而增加[8]。
2.2.2 生物质炭的碱性
生物质炭含有一定量的碱性物质，一般呈碱性[7]。由于植物生长过程对养分的吸收使得植物体内含有
滤波插座一定量的Ca2+、Mg2+和K+等金属阳离子，为保持体内电荷平衡，植物在生长过程中会在体内积累一定量的碱基(有机阴离子)，在热解过程中，这些碱基被浓缩，使生物质炭呈碱性[9]。因此生物质炭可以用作酸性土壤的改良剂来中和土壤酸度，提高土壤的pH 值[10]。
大型设备包装箱2.2.3 生物质炭的孔隙结构
生物质炭的孔隙度决定了生物质炭表面积的大小。按生物质炭孔径的大小可将其孔隙分为小孔隙(<0.9 nm)、微孔隙(<2 nm)和大孔隙(>50 nm)[11]。大孔隙可以影响土壤的通气性和保水能力，同时也为微生物提供了生存和繁殖的场所；小孔隙可以影响生物质炭对分子的吸附和转移。用污水处理厂脱水污泥制备的生物质炭，在300～900℃温度范围内生物质炭的孔隙结构随制备温度升高而增强[12]。用玉米秸秆制备的生物质炭的孔隙度也随制备温度的升高而增加，在900℃时炭的微孔隙和小孔隙的数量达最大值，然后随制备温度的进一步升高而下降[13]。生物质炭的孔隙度对生物质炭保持养分离子的能力有很重要的作用[14]，生物
质炭对养分的保持能力是通过对水分的保持实现的。生物质炭的孔隙结构能减小水分的渗滤速度，增强土壤对溶液中移动性很强和容易淋失养分元素的吸附能力，如高pH条件下的N03-和低pH值条件下的盐基阳离子。低温条件下制备的生物质炭，由于低温热解过程中产生的易挥发性的有机物在生物质炭表面的重新凝聚堵塞了生物质炭的毛孔，降低了生物质炭的吸附能力[15]。生物质炭的孔隙结构可
以为菌根和细菌这些有益的微生物提供生存和繁殖的场所一引，微生物的基础呼吸作用、微生物生物量、微生物数量的增长和微生物的功能均随木炭施入水平(50、100和150 g·kg-1)的增加呈线性增加[16]。
2.2.4 生物质炭的化学性质
生物质炭是一种含碳的聚合物，分析表明生物质炭表面含有丰富的-COOH、-COH和-OH 等含氧官能团[17]。这些含氧官能团使得生物质炭表面呈现出亲水、疏水和对酸碱的缓冲能力，这些性质决定了生物质炭在土壤中的功用。生物质炭表面丰富的含氧官能团所产生的表面负电荷使得生物质炭具有较高的CEC(阳离子交换量)。向土壤中施人生物质炭可以提高土壤的CEC。研究表明生物质炭的CEC与氧原子和碳原子的比值(o／c)相关性较好，O／C 比值越高，CEC值越大。高的O／C比值与快速热解制备的炭表面存在有羟基、羧基和羰基的现象相一致。生物质炭表面某些官能团会发生氧化，导致表面含氧官能团的数量增加，因此随着生物质炭在土壤中存在时间的增加，其CEC增加[18]。
mrxj3.有机废弃物制备生物炭
3.1 生物炭生产方法
最初，人们将杂草、秸秆、枯枝落叶等堆积起来并用薄层泥土覆盖，在上风头处点火薰烟，将生物质
加温裂解制成生物炭。随着时代的发展，制炭技术和设备也有了极大的发展。高温分解法是目前广泛应用的生物炭生产方法，即将生物质原料置于裂解炉中，使其在400 ～500℃缺氧的环境下燃烧发生裂解反应，剩余产物就是生物炭。根据升温速率及反应时间可将其分为慢速热裂解、中速热裂解、快速热裂解及闪速热裂解[19]。在热解过程前经过高温水蒸汽及高压作用处理生产生物炭的方法被称为湿法热裂解。随着科技的进步，除了传统的热裂解技术外，微波、激光、等离子技术等也被应用与生物炭的生产。湿法热裂解属于慢速热裂解的一种，生物炭产率较高。微波热裂解是用微波对生物质进行加热裂解，属于内加热方式，使物料内外均衡加热，缩短加热时间; 对物料没有限制，具有较强的灵活性和适应性；加热过程清洁卫生，无污染并且生物炭的产率较高[20]。微波热裂解法目前仍处于初步阶段，但由于其具有的独特优势，越来越受到世界范围内研究人员的重视，具有广阔的前景。除此之外，激光和等离子裂解技术也被应用在生物炭的生产中，但其设备昂贵、反应条件苛刻没有得到广泛的应用。中速热裂解、快速热裂解法、闪速热裂解法及气化热裂解法
的炭的产率在30%以下，产率较低，并且其产物中生物油和气体所占含量较高；慢速热裂解、湿法热裂解和微波热裂解炭的产率均在30%以上，其中湿法热裂解和微波热裂解炭的产率可突破50%，生产出的生物炭仍具有较高的品质。根据加热方式可将生物炭的生产设备分为内燃式、外热式两种。内燃式是将原料点燃，在封闭的空间内进行燃烧，具有节能、成本低、工艺简单等优点，但其炭化时间长且不易控制反应温度。
3.2 一种新型有机废弃物制备生物炭的工艺
3.2.1 专利概况介绍
申请（专利）号：CN201410172057.X
申请日期：2014年4月25日
公开(公告)日：2014年7月30日
公开(公告)号：CN103951149A
申请（专利权）人：广东省生态环境与土壤研究所
发明（设计）人：王定美，周顺桂，余震，王跃强，岳艳利
主申请人地址：510650 广东省广州市天源路808号
专利代理机构：广州嘉权专利商标事务所有限公司44205
代理人：郑莹
3.2.2 工艺实施步骤
（1）有机废物经过输送机输送至混合锥斗中，与温度为400‑600℃的高温生物炭进行充分混合，有机废物被加热、灭菌，所产生的水汽及粉尘经第一引风机引导，进入旋风除尘器中被处理，然后排出[21]；
（2）在混合锥斗中经过充分混合的有机废物和高温生物炭进入混合干燥机，在微波发生器发射的微波作用以及温度为200-300℃低温烟气的加热下，进一步干化、灭菌，经过干化、灭菌后的物料进入进料仓中待炭化，干化、灭菌过程中产生的水汽及粉尘，经第一引风机引导，进入旋风除尘器中被处理，然后排出[21]；
（3）经过干化、灭菌后的物料，从进料仓中进入炭化机内发生炭化，制备出400‑600℃的高温生物炭，副产物混合气则经过第一止回阀进入燃烧器中被点燃，作为炭化的能源；燃烧器燃烧产生温度为500-700℃的高温烟气则经过第二止回阀，进入空气预热器，预热由鼓风机抽进的室温空气；高温烟气转变为温度为200-300℃的低温烟气，并经第二引风机引导至步骤（2）中的混合干燥机中；室温空气的温度则上升至300-400℃，之后进入燃烧器中参与燃烧[21]；
（4）上一步骤步制备的高温生物炭通过螺旋输料管道送进分料阀分料，一部分高温生物炭则通过第二输料管道送入步骤（1）中所述的混合锥斗中，剩余的高温生物炭经过第一输料
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