中国农业固体废弃物秸秆的资源化处置途径分析

马骁轩，蔡红珍，付鹏，刘爱菊*.山东理工大学资源与环境工程学院，山东 淄博 55049；.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 55049



中国农业固体废弃物秸秆的资源化处置途径分析

马骁轩1，蔡红珍2，付鹏2，刘爱菊1*
1.山东理工大学资源与环境工程学院，山东 淄博 255049；2.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049

摘要：对中国近年来以秸秆为代表的农村种植固废的污染和危害做了简要说明，提出了两大类资源化处理处置技术：生物质资源化利用和生物炭资源化利用，并对各种资源化技术进行了初步的分析和比较。由于农业秸秆具有一定的元素和结构组成，是一种优良的生物质材料，可以通过秸秆肥料化、饲料化、生物质塑料技术、生物质能燃料转化和作为化工原料及建材来实现生物质的利用。同时由于秸秆可以转化为生物质炭，生物质炭具有固定大气碳素、改善土壤结构、修复受污染土壤、固持营养元素及提高作物产量的作用，因此生物质炭资源化利用也是很好的秸秆处置途径。文章对秸秆的资源化处理途径进行了总结和分析，指出了目前存在的不足和将来可能发展的方向。

关键词：农业秸秆；资源化；生物炭

MA Xiaoxuan,CAI Hongzhen,FU Peng,LIU Aiju.Analysis of the Reutilization Methods for Agricultural Waste of Straw in Chinas [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):168-174.

农业污染，是指农村地区在农业生产和居民生活过程中产生的、未经合理处置的污染物通过地表径流、农田排水和地下渗漏进入水体，或吸附于土壤以及排入大气等而引起的水体、土壤、大气的污染过程，具有位置、途径、数量不确定，随机性大，发布范围广，防治难度大等特点。目前，中国农业污染问题日益突出，对水体、土壤、大气形成严重污染的同时，也对农产品安全、人体健康，乃至农村和农业可持续发展构成严重威胁。主要来源有两个方面，一方面是农村居民生产生活废物，包括农业生产过程中不合理使用而流失的农药、化肥、残留在农田中的农用薄膜和处置不当的农业畜禽粪便、恶臭气体以及不科学的水产养殖等产生的水体污染物。另一方面是农业种植固体废弃物，以秸秆为代表，每逢秋收季节，由于缺乏有效的经济利用价值与手段，大量农田秸秆被以简单的焚烧法进行减容处理，得到的少量灰分以草木灰的形式回田，可以补偿土壤中部分钾、钙等元素，而在秸秆焚烧过程中放出的烟雾已经构成现阶段农业生产最为重大的面源性污染源之一。本文以农业生产过程中产生的固体废弃物秸秆为研究对象，对其资源化利用技术进行初步分析和展望。作物秸秆是农作物生产过程中产生的一种生物资源。中国秸秆现在年产量突破8×108t，长期以来秸秆作为一类资源没有得到充分合理的利用，大量的秸秆被丢弃、焚烧，不仅造成了资源浪费，还污染了环境，引起了全社会的广泛关注。秸秆资源化利用技术总体来说可以分为两大类，生物质资源利用技术和生物炭资源利用技术。目前，前者已经在广大地区开展，并取得了良好的经济效益；而后者则契合目前主流的低碳经济，对降低温室气体排放，具有重大的战略意义，同时也可得到一系列具有较高环境意义和经济价值的产物。

1　秸秆的生物质利用

中国农业秸秆固废数量大，种类多，但其元素组成和结构组成具有一定的范围。元素碳、氢、氧、氮的总含量在75%以上（胡俊梅，2010），是一种优良的生物质材料。现阶段中国秸秆利用方式主要以秸秆肥料化、饲料化、生物质能燃料转化为主，还有一部分用作化工原料及建材。

1.1秸秆肥料化技术

秸秆肥料化是最传统的秸秆回收利用的手段之一，可以通过直接还田、焚烧还田、堆沤还田和过腹还田等方法加以利用（刘金鹏等，2011）。直接还田是在机械化收获作物的同时粉碎秸秆还田，秸秆经翻埋后腐烂，其中的养分保留在土壤中可以有效增加土壤有机质；但秸秆中的病虫卵可能引发病虫害。焚烧还田则是将秸秆焚烧后得到草木灰，将其作为一种辅助钾肥施加到田地中来提高土壤的养分；但秸秆焚烧会导致严重的大气污染，已经成为目前雾霾的一大来源，因此国家已经明确禁止露天焚烧秸秆。过腹还田是指秸秆经过牲畜消化后，以牲畜粪便的形式施入土壤中，可以大幅提高土壤有机质、腐殖质，同时改变土壤的理化性质，改良土壤。堆沤还田是将秸秆作为畜牧养殖场的铺料，经过清理后堆沤还田。秸秆堆肥技术是目前所采用的一类新型的秸秆回用技术，在一定的堆肥场地下，通过接种特定的降解微生物，在厌氧、好氧的不同条件下将秸秆有机质进行降解处理，产生农田肥料。然而，堆肥过程中氮素损失较大，磷、钾等元素含量也不高，从经济效益来看也不如化肥。可以考虑采用其他生物技术，如蚯蚓消化，对秸秆堆肥技术进行改进（Edwards et al.，1997）。也可以根据堆肥产物的元素组成，有针对性的后加氮磷钾等元素，对堆肥产物的肥力进行调节，在将秸秆资源化的同时提高其有效利用性。

1.2秸秆饲料化技术

作为一种替代性食物来源，秸秆作为饲料可以部分代替玉米等高价值农作物作为饲料的补充。在作为饲料应用前需要进行一定的预处理，如青贮、氨化、微生物发酵等化学、生化处理方法以及粉碎、切割、膨化和热喷等物理处理方法。通过以上方法处理，可以有效提高秸秆饲料的粗蛋白含量，降低木质素和粗纤维含量。但是有些方法也存在一些不足之处，如化学法氮素流失较大，物理法能耗大且无法有效提高营养价值。相比之下生化法，尤其是厌氧青蓄发酵法，可以将部分纤维素的降解产物转化为蛋白质类，在提高秸秆饲料营养价值的同时提高可消化率（张红莲等，2004），使最终产物的部分指标达到精饲料的标准。

1.3生物质塑料技术

秸秆作为一种生物质材料，可以用来合成可降解塑料，具有天然的环境亲和力。国外经过对生物降解高分子材料广泛的研究，已得到聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己内酰胺（PCL）等生物塑料；还可以在此基础上开发可降解生物质复合材料，通过共混、挤出、热压、注塑等工艺将天然纤维材料与EVA、PVA等可降解材料复合，进一步强化了生物质材料的性能，降低了生物质材料的生产成本（郭文静等，2008）。作为一种可以有效缓解白色污染压力的新型塑料，必将在未来得到更广泛的推广和利用。

1.4生物质能转化技术

生物质能转化技术包括直燃发电、生物质气化、生物质热解和生物质燃料等途径。

1.4.1直燃发电技术

秸秆直燃发电、供热技术，可以实现热电联供。秸秆直燃发电的技术难点在于秸秆体积能量密度低，需要固化成型后才能作为有效的燃料进行燃烧；同时也对直燃机组的稳定性和燃烧效率提出了较高的要求。中国近年来对秸秆固化成型技术有了较大的突破，但是对发电设备如直燃机组等还需要依赖国外技术。

1.4.2生物质气化技术

生物质气化技术可以采用固定床和流化床工艺形式，输出产品为电力及燃气。生物质气化发电分为小型、中型、大型气化发电系统。小型气化发电系统主要采用固定床工艺，中型气化发电系统一般采用流化床工艺，大型气化系统工艺尚未成熟，应用较少。气化技术中存在焦油堵塞问题，导致气化站运行困难（万晓红，2006）。

1.5生物质快速热解技术

生物质快速热解技术是在高温下，将生物质隔绝空气或在少量空气中加热很短的时间，然后迅速冷却，得到炭、热解油和混合可燃气。目前的研究方向是降低成本，提高热解油的纯度（董治国等，2004）。

1.6生物燃料

以秸秆为材料，开发生物质燃料主要有沼气、乙醇、氢气和生物柴油几种转化途径。

沼气是通过厌氧发酵菌群在厌氧条件下对秸秆、动物粪便等有机质进行发酵得到的。中国上世纪70年代开始推广沼气发酵技术，经过几十年的发展，中国的沼气发酵技术已经相当成熟。目前中国已有超过1300万个户在用沼气池，并建设了很多大型沼气发酵工程。

液体酒精燃料技术是利用生物技术通过发酵手段等把生物质转化为乙醇的过程。以前主要通过粮食作物来生产酒精，为了节省粮食，目前以秸秆纤维素为原料制取燃料乙醇的技术也已经获得突破（周勇，2005）。

氢气是目前最理想的燃料，可以实现碳的零排放，因此受到了广泛的关注。过去氢气的主要制取方法是热化学处理，处理成本过高无法实现产业化。近年来，利用光合菌、藻类和发酵细菌的生物制氢技术得到较快发展，提供了生物质制氢的新思路（Kim et al.，2006）。

生物柴油是利用可再生的动物和植物油脂为原料与甲醇或乙醇等醇类物质进行酯交换反应制得。目前，生物柴油的生产方法主要有直接混合法、酯交换技术、超临界流体法、高温热裂解法和微乳液法（赵强等，2009）。生物柴油具有极好的发展前景，可以大大缓解石油的耗竭。

1.7秸秆建材及化工

1.7.1秸秆建材技术

可以利用秸秆中的纤维素和木质素制作建筑板材，其核心技术在于秸秆热压成型技术。中国已经掌握了热压板材生产中的关键技术并大幅降低了制造成本，生产出的秸秆板材具有质轻、强度高、剖面密度均匀、保温性能好等特点，经特殊处理后还可阻燃、防火、防虫。秸秆板材的使用可以替代部分高资源浪费型的传统建材红砖，保护中国的土壤资源，具有较好的市场前景。

1.7.2秸秆的化工应用

秸秆类生物质经水解、萃取等工艺处理后，可得到各种基本有机化工原料和新型材料，如糠醛。稻壳类因为富含硅元素，可以用来生产白炭黑、碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷；秸秆、稻壳经炭化后生产钢铁冶金行业金属液面的新型保温材料，而棉秆皮、棉铃壳等含有木质素酚羟基，可以改性合成聚合阳离子交换树脂吸收重金属等。秸秆纤维素也是传统湿法造纸工艺的主要原料之一。

1.8小结

随着社会的发展，可再生能源的利用成为人们解决能源问题的主要途径之一。因此，生物质能的利用也受到广泛的重视，并在世界范围内被推广应用。而生物质产业可以利用可再生或循环的有机物质包括农作物、树木和其它植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物以及利用边际性土地和水面种植能源植物为原料通过工业性加工转化进行生物质产品、生物燃料和生物能源生产，做到物尽其材，材尽其用，是缓解煤炭、石油、天然气日益枯竭造成的危机，保护环境和实现可持续发展的重要途径。

2　秸秆生物炭资源利用技术

生物质炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质（Antal et al.，2003）。主要成分为纤维素、羰基、酸及酸的衍生物、呋喃、吡喃以及脱水糖、苯酚、烷属烃及烯属烃类的衍生物等成分复杂有机碳的混合物（张阿凤等，2009）。从远古时代起，南美洲亚马逊河流域的土著居民就知道利用生物碳改善并保持土壤肥力。生物质炭在改善土壤性质、增加作物产量、提高土壤碳汇和控制农业温室气体排放方面扮演着重要角色（Chan et al.，2008a；Woolf et al.，2010），特别是近几年来生物质炭在农业温室气体排放方面的应用研究更是成为众多学者关注的焦点。同时，因其富含碳素、孔隙结构发达、比表面积大和离子交换量高等独特的物理化学性质，生物炭在固定大气碳素（Laird，2008）、修复受污染土壤（Uchimiya et al.，2010）、固持营养元素（Deluca et al.，2009）及提高作物产量（Van Zwieten et al.，2010）等方面的应用日益得到重视，被认为是未来的一种新型的环境和农业功能材料。

对农业种植秸秆来说，秸秆生物炭的回田可以起到固定碳素，改善土壤功能形态和肥力，控制重金属等污染物的效果。

2.1碳的固定和温室气体的减排

Lehmann（2007）的研究表明，生物碳的转化途径可以阻断不经过此途径的占全球含碳量20%的碳通量流入大气。因此通过生物碳转化途径处理固废，可以大大减轻温室气体的排放压力，实现不向大气进行污染逆向转移的固废处置新思路。研究推测黑碳物质可在自然环境中稳定上百年，碳元素半衰期甚至可达102～ 107年（Andrew，2010）。因此，转化为生物炭的生物质所持有的碳元素就被锁定在了土壤中不再参与全球碳循环，从而大大降低了温室气体二氧化碳的排放。

有人根据2001─2010年中国粮食的总产量，估算了每年中国秸秆焚烧所产生的CO2、CO以及碳总排放量，结果发现，中国粮食作物秸秆因焚烧年排放CO、CO2和总碳量分别为1.15×107、1.57×108和4.77×107t。中国粮食作物秸秆全部转化为生物炭后年平均可固碳0.96×108t，如果把每年焚烧秸秆的量全部转化为生物炭可减少近一半因焚烧秸秆排放碳的量（李飞跃等，2013）。可见，生物炭固碳技术是一种非常有前景的碳汇技术。

与此同时，生物碳的加入可以抑制土壤中的反硝化过程，从而减少相比CO2温室效应更强的N2O的排放（Lehmann et al.，2006）。水稻种植田间试验表明，与直接还田相比，秸秆炭化后还田可显著降低稻田CH4和N2O的累积排放量，降幅分别为64.2%～78.5%和16.3%～18.4%。与不添加生物炭相比，无论种植水稻与否，添加秸秆炭和垃圾炭均显著降低了稻田N2O的累积排放量；与秸秆直接还田相比，秸秆炭化后还田对水稻增产的效果更佳（刘玉学等，2013）。

2.2对土壤功能形态和肥力的改良

秸秆制成生物碳还田后，可以改良土壤的功能，提高土壤的肥力，尤其是对氮、磷营养元素淋溶损失的降低和生物有效性的提升具有积极意义。

为了探讨冬小麦-夏玉米轮作制度下，生物质炭与化肥配施对土壤耕层全氮与碱解氮质量分数的影响，在华北经过高产农田3年的定位试验后结果表明，施用生物质炭明显增加了土壤耕层全氮的质量分数，对增加耕层土壤全氮量有积极意义（郭伟等，2011）。

淋洗作用是土壤氮肥损失途径之一，也是环境水体氮素污染的重要途径。研发降低土壤氮素淋失的技术途径不仅有助于提高氮肥利用率和降低化肥的施用量，而且有助于防治水体污染和改善生态环境。对中国两种重要土壤类型黒钙土和紫色土氮素淋失的影响的研究表明，50和100 t·hm-2的玉米秸秆生物炭施用量降低黑钙土氮素淋失分别为29%和74%，减少紫色土氮素淋失分别达41%和78%。但10 t·hm-2的生物炭施用量却增加黒钙土和紫色土氮素淋失量分别达到22%和2%。这表明较低的生物炭施用量会促进氮素的淋失。生物炭对有机氮淋失的抑制作用大于硝态氮。100 t·hm-2的生物炭施用量对有机氮和硝态氮淋失的降低率分别为88%和62%左右，因土壤类型不同而有所差异。上述研究结果为寻求防治土壤氮素淋失的技术方法提供了理论依据（周志红等，2011）。

对灰漠土生物炭改良研究的结果表明，施用由棉花秸秆热解制成的生物炭可促进小麦生长，两茬小麦的地上部干物质重均显著高于对照。施用生物炭可显著提高土壤总有机碳和植物对氮素的吸收量以及土壤氮素残留量，降低土壤整体氮素的损失。且生物炭热解温度越高，施用量越大，提高作用越明显（马莉等，2012）。而对灰漠土中磷的生物有效性的研究表明，施用秸秆和生物炭可以提高土壤Ca2-P含量，尤其是施用生物炭可显著增加土壤Ca2-P和Al-P含量，但是Ca8-P和Fe-P含量有所减低。结果表明施用生物炭有助于提高灰漠土壤无机磷的有效性（苏倩等，2012）。生物黑炭对灰漠土种植玉米的产量也有着重大的影响。施入20 和40 t·hm-2的生物黑炭，能显著提高土壤有机质含量，与基础土壤相比，提高了22.77%和49.80%，明显高于秸秆还田羊粪和腐殖酸有机肥等对土壤有机质的提升效果。施用生物黑炭提高了玉米单穗重、千粒重产量以及生物量，降低了玉米的根冠比，促进玉米根系生长，而追施氮肥对玉米产量的影响差异不显著。因此，施用生物黑炭能够大幅度提高土壤有机质含量，对灰漠土土壤质量和作物产量以及农艺性状的提高具有重要作用（唐光木等，2011）。

在中国土壤种类和面积中占据很大比重的酸性红壤，存在着有机质含量低，酸度大、盐基高度不饱和且有害铝离子含量高等不利于作物生长的特点；因此作为中国主要商品粮生产基地的红壤区，生物炭的施入对其具有更大的改良意义。在秸秆热解为生物炭的过程中，所含的钾钙钠等碱金属和碱土金属离子以氧化物或碳酸盐的形式保留在灰粉中，具有一定的碱性，可以中和酸性土壤；同时补充土壤盐基离子，提高盐基饱和度（CEC）；而钙离子可以有效拮抗铝离子对植物根系的毒害作用。对小麦秸秆生物质炭对水稻产量及晚稻氮素利用率的影响的研究结果表明，施用生物质炭可提高酸性或弱酸性土壤pH值，降低土壤容重显著提高水稻氮肥利用率；在40 t·hm-2施用水平下，长沙和进贤试验点水稻氮肥吸收利用率分别提高20.33%和17.58%，进贤试验点氮肥农学效率提高39.81%。因此在酸性土壤中施用生物质炭可提高氮肥利用率，保持水稻产量稳定或有一定的增产效果（曲晶晶等，2012）。

相关研究表明，生物质炭对土壤理化性质的改善效果取决于生物质炭的施用量以及土壤本身的肥力水平。当生物质炭用量较低时（＜10 g·kg-1），其对土壤物理性质的影响不明显。但当生物质炭用量达到50 g·kg-1甚至200 g·kg-1时，其对肥力水平较低的土壤的水稳定性、团聚体数量、容重和饱和持水量均产生明显影响，对土壤物理性质改善作用较为明显；生物质炭在肥力水平较低的土壤上的改良效果明显高于肥力水平高的土壤，且效果随其用量的增加而增强；而在肥力水平较高的土壤中施用高量生物质炭（超过200 g·kg-1）则导致土壤微生物生物量下降（黄超等，2011）。

近年来的大量研究认为生物质炭作为土壤改良剂，具有很高的稳定特性并难于分解，可有效提高土壤肥力，服务于生态系统。生物质炭对土壤物理性质改善可以归纳为提高土壤孔隙度（Steiner et al.，2007；Yanai et al.，2007）和表面面积，降低土壤的拉伸强度进而提高根部熔深（Chan et al.，2008b），降低土壤容重，在重力排水平衡上可以保持更多的水分，从而表现出更大的水截留潜力和表面积。

由此可见，作物秸秆无氧高温热解制备的生物炭施用于土壤可以大幅度提升土壤碳库，并因其结构性质有利于农田土壤固持养分，提高氮磷养分利用率，改善微生物生境，从而达到提高土壤质量而促进作物增产的双赢效果。

2.3对有害污染物的控制

生物炭进入土壤后，由于其内部所富含的微孔结构以及本身具有的强芳香性和配位性，对环境中常见的有毒物质如重金属具有较强的吸附作用；而对于早已引起广泛关注的环境疏水性持久性有机污染物，生物炭可以显示出很强的吸附滞留能力，大大降低其生物有效性。因此生物炭对污染土壤的治理和修复具有重要的意义。

近年来，国内开展了很多关于生物炭对土壤中重金属离子吸附滞留的研究。

对可变电荷土壤吸附Pb2+的研究表明，添加花生秸秆炭和稻草炭使土壤pH提高了1.04～3.00个单位，且土壤pH增加幅度随生物质炭制备温度的升高而增加。等温吸附实验的结果表明，添加生物质炭增加了Pb2+在可变电荷土壤表面的吸附量，从而降低土壤溶液中的有害离子含量（蒋田雨等，2013）。

而对由小麦秸秆、玉米秸秆和花生壳经350～500 ℃热裂解制成的生物质炭吸附Pb2+和Cd2+的研究表明，生物质炭对Cd2+和Pb2+的吸附约10 min即达平衡；玉米秸秆炭的最大吸附量远大于小麦秸秆炭和花生壳炭；在生物黑炭投加量为150 mg （6 g·L-1）时，3种生物黑炭对溶液Cd2+的去除率均在90%以上，玉米秸秆炭对溶液Pb2+的去除率达90.30%，而小麦秸秆炭和花生壳炭的去除率仅为52%和47%，玉米秸秆炭有望成为处理重金属污染废水的新型吸附材料（刘莹莹等，2012）。

利用秸秆生物炭对某电镀厂污染场地进行的稳定化研究表明，秸秆生物炭能够改变污染土壤中重金属的形态分布，对污染土壤有明显的稳定化作用。其中对铬的作用效果最明显，对铜和镍的稳定化效果受添加量的影响，对锌则无明显稳定化作用。当生物炭添加量为50 g·kg-1时，4种重金属残渣态总量较对照（1745 mg·kg-1）明显增加，为1805.95 mg·kg-1，添加量也较为合理（甘文君等，2012）。

水稻秸秆生物炭对Pb2+的吸附特性研究表明，随着热解温度的升高，生物炭表面含氧官能团的数目下降，芳香化程度升高，微孔结构逐渐发育，比表面积逐渐增大。4种不同温度制备的生物炭对Pb2+的吸附反应过程满足准二级动力学方程，随着溶液初始pH值的升高，生物炭的吸附量增加；在300～600 ℃范围内，低温条件下制备的生物炭对重金属离子有更强的吸附能力（安增莉等，2011）。

也有研究表明，以农业废弃物水稻秸秆为原料，采用限氧裂解法在350、500和700 ℃下制备的秸秆生物炭对Pb2+的吸附行为符合准一级动力学方程，等温吸附曲线符合Langmuir方程，最大吸附量分别为65.3、85.7和76.3 mg·g-1，是原秸秆生物质的5～6倍，活性炭的2～3倍；生物炭单位面积上的有效吸附点位比活性炭高约10倍。但经酸化去除表面矿物成分后，350和700 ℃制备的样品对Pb2+的吸附能力急剧下降，其最大吸附量、吸附亲和力与活性炭相近。表明生物炭中的有机碳组分和无机矿物组分对其吸附Pb2+均有重要贡献，其中无机矿物组分的吸附量及亲和力均大于有机碳组分（陈再明等，2012）。

为考察秸秆生物质炭在重金属污染红壤修复中的作用，有人开展了用一次平衡法确定由花生秸秆、大豆秸秆、稻草秸秆和油菜秸秆制备的4种生物质炭对采自江西和广西的2种红壤吸附Cu2+的影响及其机制的研究。结果表明，添加由农作物秸秆制备的生物质炭提高了红壤对Cu2+的吸附量，生物质炭对Cu2+吸附的促进作用随生物质炭添加量的增加而增加，低pH值条件下促进作用更明显。生物质炭表面带负电荷，可以同时增加红壤对Cu2+的静电吸附量和专性吸附量，但以增加专性吸附为主。因此，添加秸秆生物质炭可以有效降低Cu2+在酸性红壤中的活动性和生物有效性（佟雪娇等，2011）。

以棉花秸秆制备的生物炭对溶液中镉的吸附性能的研究表明，生物炭对Cd2+的吸附可以用Freundlich等温线较好地拟合，在不同温度下其饱和吸附量分别为9.738 mg·g-1（288.15 K）、10.14 mg·g-1（298.15 K）、10.40 mg·g-1（308.15 K）和10.71 mg·g-1（318.15 K），热力学参数表明生物炭吸附Cd2+的过程是自发的吸热过程，吸附动力学过程符合二级动力学模型，在40 min即可达到平衡；pH对生物炭吸附Cd2+的影响较大，在pH 2～8范围时，生物炭对Cd2+的吸附量随pH的增加先上升后下降；生物炭对Cd2+的吸附量随着溶液离子强度的增大呈降低趋势（郭文娟等，2013）。

玉米秸秆生物炭对Cd（Ⅱ）的吸附机理研究表明，在350和700 ℃热解温度下分别制备的两种生物炭BC350、BC700具有较大的的差异，BC700芳构化程度更高，疏水性更强，比表面积更大，孔结构发育更加完全。对吸附过程的研究表明Two-site Langmuir吸附等温模型比One-site Langmuir吸附等温模型能更好描述Cd(Ⅱ)在生物炭表面的吸附。BC700对Cd（Ⅱ）的吸附容量大于BC350，解吸率远小于BC350，吸附效果更好；离子交换和阳离子-π作用两种吸附机理同时存在并共同作用，前者分别占BC350和BC700总吸附容量的13.7%和1.1%，后者分别占86.3%和98.9%，阳离子-π作用成为最主要的吸附作用。生物炭表面的含氧官能团和共轭芳香结构分别提供不同机理的吸附位点。由于具有更多的离子交换位点，BC350对Cd（Ⅱ）吸附受pH影响较BC700更大（李力等，2012）。

对生物炭对有机污染物作用的研究也有很多。有人将稻草、稻壳、大豆和花生秸秆低温热解制备生物质炭，用平衡吸附实验和淋溶实验研究其对阳离子染料亚甲基蓝的吸附及对水体中亚甲基蓝的去除效果。结果表明，4种生物质炭吸附亚甲基蓝能力为稻草炭＞大豆秸秆炭＞花生秸秆炭＞稻壳炭，这一顺序与生物质炭表面负电荷数量和生物质炭比表面的大小顺序基本一致。生物质炭可以用作高效吸附剂去除染料废水中的亚甲基蓝（徐仁扣等，2012）。

有人通过室内培养实验，设定对照和添加1%小麦秸秆生物质炭，研究生物质炭对土壤中氯苯类物质老化残留和生物有效性的影响，并通过丁醇、HPCD和Tenax这3种化学提取方法以及蚯蚓富集实验评价土壤中氯苯类物质生物有效性的变化。结果表明添加生物质炭能够促进氯苯的消减，且显著降低土壤中氯苯的生物有效性，随着老化时间延长，降低效果更为显著。添加生物质炭可显著降低蚯蚓对氯苯的生物富集系数，这说明生物质炭能降低土壤中有机污染物的生物有效性（宋洋等，2012）。但高污染残留存在潜在的环境风险，在长时间尺度内可能会形成新的次级污染源。

对水稻秸秆生物炭的结构特征及其对有机污染物的吸附性能的研究表明，水稻秸秆生物炭含有丰富的有机碳组分和无机矿物组分，随着裂解温度升高，生物炭中有机组分的含碳量逐渐升高、极性减弱、芳香性增强，而无机矿物组分的相对含量则不断增加；当裂解温度从300 ℃升至400 ℃时，比表面积突然增大，微孔结构被打开，主要由于水稻秸秆中纤维素组分大量分解产气所致。水稻秸秆生物炭吸附有机污染物的主要介质为有机组分，等温吸附曲线符合Freundlich方程，随炭化温度升高，等温吸附曲线由线性变为非线性，吸附机制从分配作用变为分配作用+表面吸附作用再到完全的表面吸附作用，吸附容量变大（陈再明等，2013）。生物质炭在热解过程中发生的变化及其对疏水性有机污染物吸附特性的影响，跟我们先前所做的干酪根热模拟成熟演化过程及其对持久性有机物吸附解吸特性的影响的结论几乎完全一致（Zhang et al.，2014）。这体现了生物质在地质热演化作用下和热解作用下发生演化过程的一致性。

针对环境中抗生素污染日益严重的问题，有人通过室内分析试验研究玉米秸秆生物质炭对外源金霉素的吸附与解吸特性，结果表明玉米秸秆生物质炭对金霉素的吸持动力学过程包括快速反应和慢速平衡两个阶段，适合用拟二级动力学方程进行拟合，反应进行12 h时基本达到吸持平衡；玉米秸秆生物质炭对金霉素有很大的吸持容量和吸持强度，能够强烈吸持溶液中的金霉素且解吸率较低，因此玉米秸秆生物质炭对外源金霉素有很好的去除效果。

2.4总结与前瞻

综上所述，农业种植秸秆的生物炭处置资源化途径对碳的固定和温室气体的减排、土壤功能形态和肥力的改良、有害污染物的控制均具有重要的意义。然而，目前生物质炭研究在国内外仍处于起步阶段，制备生物炭所采取的材质以及研究的手段、应用的场合也各不相同，因此研究结果缺乏可比性。不同材料、温度等条件制备的生物质炭性质差异很大（何绪生等，2011）。同时且生物质炭在制备过程中会产生少量有毒有机物质，因此施用于作物之前要进行有毒有害物暴露风险评估。也有学者提出必须开展生物质炭标准研究和全国多点联网研究（谢祖彬等，2012）。另外，很多研究仅仅在短时间尺度内发现生物质炭对土壤改良有一定的效果，但其长期效应仍需进一步研究。而且限于实际条件，大多数研究仅限于室内模拟和小规模田间试验，在秸秆生物炭大规模推广应用之前还需考虑其大批量制备及制备成本问题（袁金华等，2011）。生物质炭对土壤与植物的效应研究上，目前多集中于宏观现象研究，微观上作用机理仍不甚明了，这也是今后研究的重要方向。如果在改良土壤和植物的作用机理上有所突破，就可以有的放矢的指导生物质炭的生产以及确定合理的农田施用量（Knowles et al.，2011），以期收到生物炭资源利用的最佳效果。

3　结论

中国能源资源紧张、“三农”问题突出，利用好中国丰富的秸秆生物质资源，对于推动农业产业结构调整、解决能源短缺问题有极大的帮助，对农民、农业和农村问题的解决具有积极的意义。目前，国际生物质资源开发的主要方向是能源和生物质材料的开发。我们应立足于中国的具体国情，选择最适当的资源化利用方式，合理规划，合理布局，充分利用起中国丰富的秸秆资源，从而实现可持续发展。

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Analysis of the Reutilization Methods for Agricultural Waste of Straw in China

MA Xiaoxuan1,CAI Hongzhen2,FU Peng2,LIU Aiju1*
1.School of Resource and Environment,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China; 2.School of Agricultural Engineering and Food Science,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China

Abstract:This article gives a brief introduction for the pollution and harm of agricultural wastes such as straws in China these years,puts forward two kinds of recovery measures:biomass recycling and biochar recycling，and makes elementary analysis and contrast.Because agricultural straws have a certain formation of element and structure,so they are a kind of fine biomass material.Straw biomass can be used by ways of fertilizer,fodder,plastic,fuel,chemical industrial material and building materials.On the other hand,straws can be transformed to biochar which can be used to capture carbon from the air,improve soil structure,restore polluted soils,keep nutrient element in the soil and increase farm harvest finally,so biochar is also a good way to handle straws.In this article a summary and analysis of both measures for the reutilization methods of straws are made,and the shortcomings nowadays and the potential improvement in the future for both measures are also put forward.

Key words:agricultural straws; reutilization; biochar

收稿日期：2015-09-23

作者简介：马骁轩（1981年生），副教授，博士，主要研究方向为环境污染物的环境行为和污染治理。Email:casmxxcas@126.com*通信作者：刘爱菊

基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2014BL034）；山东省自然科学基金项目（ZR2015DM010）

中图分类号：X24

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）01-0168-07

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.025

引用格式：马骁轩,蔡红珍,付鹏,刘爱菊.中国农业固体废弃物秸秆的资源化处置途径分析[J].生态环境学报,2016,25(1):168-174.