利用生物炭吸附沼液观察其对小油菜种植的应用研究

宋楚雯， 汪诚文， 伍金伟

(清华大学 环境学院， 北京 100084)



利用生物炭吸附沼液观察其对小油菜种植的应用研究

宋楚雯， 汪诚文， 伍金伟

(清华大学 环境学院， 北京 100084)

对猪粪沼液的肥效分析显示，猪粪沼液中富含氮元素，其中氨氮浓度为3727 mg·L-1，总氮为4660 mg·L-1。文章主要利用秸秆所制成的生物炭对猪粪沼液进行吸附，观察其对沼液中氨氮及总氮吸附效果，研究使用对沼液吸附后的生物炭及直接浇灌沼液对小油菜生长及品质的影响。结果显示，利用吸附后的生物炭种植小油菜比直接使用沼液浇灌或直接使用生物炭的效果好，使用吸附后的生物炭的作物收成比直接浇灌沼液多10%。

生物炭；沼液；吸附；氮；种植

1 背景

沼液是由禽畜粪便、秸秆等有机物经过厌氧发酵所产生的残余液体，此种残余液体中含有丰富的氮[1-2]。随着沼气工程的发展，作为副产物的沼液也随之富余起来[3]，因此随手可得的沼液因为价格的低廉，被广泛用作种植作物的肥料[4]。沼液是一种有机肥料，不但降低了对环境的影响，更有研究表示，利用沼液灌溉可使种植的蔬果提高产率[5]。然而液态的沼液容易随着浇灌的水流失到附近水体中，导致水体环境富营养化[6]。此研究主要用生物炭吸附沼液中的氮作为肥料，与沼液及生物炭作对比，观察三种材质的肥料对小油菜生长的影响。

2 材料与方法

2.1 原料的选择与特性

2.1.1 沼液样品来源与特性分析

实验中所使用的沼液是来自北京市平谷区大华山镇李家峪村有一个大型养猪场，主要是由猪粪作为原料厌氧发酵生成的沼液。经过实验分析，沼液中含有丰富的氮、磷、钾以及其它矿物质(见表1)，表2为测试方法与仪器。

表1 沼液元素分析 (mg·L-1)

表2 沼液检测指标与方法 (mg·L-1)

2.1.2 生物炭的制备

实验使用生物炭是利用水稻秸秆经过低温缺氧条件热解炭化制成。首先，将所购买水稻秸秆置于105℃的环境下烘8 h，以降低秸秆中的含水量。烘干后的秸秆装进密封铁盒中，确保热解过程的缺氧的条件得以满足，将铁盒放入马弗炉中，热解条件为400℃，2 h。最后，把铁盒取出，室温冷却后将所制成生物炭破碎，待用。

2.2 吸附性能实验设计

用1 g生物炭装入三角锥瓶中，倒入100 mL稀释10倍的沼液置于磁力搅拌器上，搅拌速率为250 r·min-1，分别于0.5 h，1 h，3 h，6 h，10 h，12 h，18 h和24 h取出，用0.45μm的滤膜过滤，检测滤液氨氮及总氮浓度，拟合吸附动力学。类似的，在三角锥瓶中放入100 mL不同稀释倍数的沼液，反应24 h，将所得到数据拟合吸附等温线。

2.3 种植实验的设计

制备大量生物炭，并放入中型反应器中进行吸附反应，24 h后，用滤网使生物炭与沼液分离。经过吸附的生物炭于室内晾晒两天，备好种植所需生物炭。把三畦种植地划分成4区，每区1 m×2 m。其中，A区为空白(对照组)，不使用任何肥料；B区为直接使用沼液灌溉的区域，浇灌2 L，80 mg·L-1的沼液；C区为生物炭区，放入100 g未吸附生物炭；D区置放50 g已吸附生物炭作为肥源。每个区域可种植80株小油菜，每周记录每个区域至少30株小油菜的株高、叶片数，并于收成时记录每株小油菜的重量，并抽取每区3株送去检测植物含全氮率。

3 结果与讨论

3.1 生物炭-沼液吸附动力学

目前，通常以准一级吸附动力学及准二级吸附动力学模型拟合生物炭的吸附动力学。

准一级吸附动力学方程为：

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

准二级吸附动力学方程为：

式中，qe为吸附平衡吸附量，mg·g-1；qt为t时刻吸附量，mg·g-1；t为吸附时间，h；k1为准一级吸附速率常数，h-1；k2为准二级吸附速率常数，g·mg-1h-1。

表3分别列出了水稻秸秆所制备的生物炭对沼液中氨氮及总氮的吸附动力学参数，由表3中的数据可以分析出，准二级吸附动力学模型更好的描述了此项吸附实验，所以k2的吸附速率更为符合。其中，可以得出水稻秸秆生物炭的理论平衡吸附量介于113mg·g-1与190mg·g-1之间。

3.2 生物炭-沼液吸附等温线

日前，常用以模拟吸附等温线的模型为Freundlich等温线以及Langmiur等温线。

表3 水稻秸秆生物炭吸附沼液中氨氮及总氮动力学参数

Langmiur等温线：

式中，q为平衡吸附量，mg·g-1；c为吸附平衡时溶液中目标物的浓度，mg·L-1；qe为饱和吸附量，mg·g-1；b为表征吸附剂与吸附质之间亲和力的一个参数，L·mg-1；b越大，吸附亲和力越大。

Freundlich等温线：

q=kcn

从表4中的参数可以得知，生物炭对沼液中氨氮以及总氮吸附等温线与Langmiur模型更为符合，说明吸附质在吸附剂表面层一层分布。

表4 水稻秸秆生物炭对沼液中的氨氮及总氮吸附动力学参数

3.3 种植实验结果分析

图1和图2 分别展示了小油菜每周株高及叶片数的差别，可以得知，不论是直接浇灌沼液(B区)、使用未吸附(C区)或已吸附生物炭(D区)都比空白(A区)的有明显的效果。从株高而言，使用D区作物得到更足够的养分成长，比B区及C区作物平均高出5 cm，平均高度可达33 cm。B区及C区作物在株高方面差异不明显。叶片数方面，D区也作物明显更优于其他区域的植物。

进一步分析，B区直接浇灌沼液，液态肥容易随着水流失，而C区直接放置未吸附的生物炭可以很好的锁定土壤中的营养物质，减少流失。而D区所使用的已吸附生物炭更是让沼液从液态肥转换成固态肥，达到了缓释的作用。

图1 小油菜每周平均株高

图2 小油菜每周叶片数

图3和图4所展示的是收成时每区作物平均含氮率及平均收成重量。D区植物含氮率比另3区高，很好的说明了生物炭有着很好的固氮效果，并缓慢的释放出来，有效降低了营养流失对环境的影响。然而在收成重量方面，D区作物只是略高于其他3组的作物。

图3 收成时每区小油菜植物含氮率

图4 收成时每区小油菜平均重量

4 结论

经过低温热解的秸秆可制成与活性炭性质相似的生物炭。生物炭对沼液中的氮有吸附效果，经过吸附可使液态的沼液转换成固态肥料，减小液态肥流失对环境造成的影响。实验结果表明，使用吸附沼液后的生物炭作为肥料比直接使用沼液的效果好。

[1] 丁少华，王志荣，黄 武，等. 规模养殖场沼气工程沼液的肥效试验[J]. 中国沼气，2010，28(2): 43-44.

[2] 李裕荣，刘永霞，赵泽英，等.畜禽粪便厌氧发酵的产气特点及其发酵物养分的变化动态[J].西南农业学报，2012，6: 2305-2310.

[3] 郜玉环，张昌爱，董建军. 沼渣沼液的肥用研究进展[J].山东农业科学，2011，6: 71-75.

[4] 王红玉，徐奕琳，周士力，等.不同浓度沼液对日光温室漂浮式栽培空心菜(Ipomoea aquatica)生长和品质的影响[J].沈阳农业大学学报，2013，44(05): 650-655.

[5] 张昌爱，张玉凤，林海涛，等. 基于营养成分含量的沼液定价方法[J]. 中国沼气，2013,30(06): 43-46.

[6] Suthar S.Potential of domestic biogas digester slurry in vermitechnology[J]. Bioresource Technology，2010，101(14): 5419-5425.

The Adsorption of Nutrients in Biogas Slurry by Biochar and Its Application to Small Rape Planting

SONG Chu-wen, WANG Cheng-wen, WU Jin-wei

(School of Environment, Tsinghua University, Beijing 10084,China)

The analysis showed that the biogas slurry of pig manure was rich in nitrogen, in which the ammonia concentration was 3727 mg·L-1, total nitrogen was 4660 mg·L-1. In this paper, biochar made from straw was used for adsorbing nutrients as ammonia nitrogen and total nitrogen etc from biogas slurry, and the adsorbed biochar was used for small rape planting. The result showed that the small rape planted in the adsorbed biochar grew better than that planted with biogas slurry direct irrigation, and also better than that planted in non-adsorbed biochar. The rape yield growing in adsorbed biochar was 10% higher than that with direct irrigation of biogas slurry.

biochar；biogas slurry；adsorb；nitrogen；planting

2015-03-29

宋楚雯(1989- )，女，马来西亚人，硕士，主要从事沼气方面研究工作，E-mail: soongchuwen@gmail.com 通信作者： 汪诚文,E-mail:wangcw@tsinghua.com

S216.4

A

1000-1166(2016)01-0077-04