牛粪生物炭的研究进展与展望

吴来荣 刘永德

摘要：指出了中国养牛业尤其是奶牛业发展迅猛，高度规模化养殖过程中产生了大量牛粪，这些牛粪若不能得到妥善的处理将严重影响养殖场及其周边地区的空气、水体以及土壤等生态环境。如果将这些牛粪在厌氧条件下热解得生物炭，可避免生物质燃烧，从而减少二氧化碳的释放。基于此，总结了牛粪生物炭的研究现状，并在此基础上了展望了其发展前景。

关键词：牛粪;生物炭;研究现状：发展前景

中图分类号：X705

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）14-0243-02

1 引言

牛粪是一种可再生生物质原料，牛粪中各组分的含量不同于其它秸秆类生物质。近几年，国内学者采用热化学的方法处理牛粪并将其制成生物炭，研究表明热化学方法处理牛粪是一条具有环境和经济双重效益的有效途径。国外学者也对牛粪生物炭的制备条件以及应用进行了大量研究。

2牛粪生物炭的性质

牛粪生物炭是牛粪在无氧或者缺氧的条件下，经过高温热解（一般温度<700℃）炭化产生的一种具有高度芳香化的难熔性物质。牛粪生物炭主要由C、H、O、N、P元素组成，还含有少量的Mn、Zn、Cu等微量元素;生物炭的含炭量一般达到70%以上，并且具有高度芳香化结构，含有大量的官能团结构（羟基、羧基、羰基等），这些性质使生物炭具有良好的吸附性能和稳定性。

3牛粪生物炭的研究进展

3.1 牛粪生物炭对水中氨氮的吸附特性

马峰峰等以牛粪生物炭为吸附剂，研究了pH值、粒径、投加量、温度和共存阳离子等因素对牛粪生物炭吸附氨氮的影响及吸附特性。结果表明：共存阳离子Na⁺、Ca²⁺的存在对牛粪生物炭吸附氨氮有抑制作用，在Na⁺、Ca²⁺浓度相同条件下对氨氮吸附影响大小顺序为Na⁺>Ca²⁺;牛粪生物炭吸附氨氮的最佳初始pH值应在5～8范围;通过对动力学数据进行分析，发现准二级动力学方程（R²=0. 9673）比准一级动力学方程（R²=0. 7659）和Elovich方程（R²=0. 7249）能更好地拟合动力学数据，颗粒内扩散方程拟合结果发现牛粪生物炭对氨氮的吸附包括表面吸附和颗粒内扩散两个过程.吸附等温线拟合发现Freundlich方程（R²=0. 9762）能很好地描述氨氮在牛粪生物炭上的吸附行为.吉布斯自由能变化（△G）、焓变（△H）和熵变（△S）的计算结果表明，牛粪生物炭对氨氮的吸附是自发的吸热过程.

3.2 牛粪生物炭对重金属的吸附特性

王丹丹等为了考察以牛粪为原料制备的生物炭对水溶液中Cd²⁺的吸附效果，进行了吸附影响因素、吸附等温线和动力学研究。结果表明，当热解温度为700℃、投加量为20 g/l，、溶液初始pH值为5、水溶液Cd²⁺初始浓度为10 mg/L、吸附平衡时间为60 min和溶液温度为25℃时，对Cd²⁺的吸附效果最佳，Cd²⁺去除率町达99%以上。提高溶液温度有利于吸附。降低生物炭热解温度和投加量对吸附效果影响不人。Langmuir方程能更好地拟合生物炭对Cd²⁺的吸附等温过程，吸附过程符合准二级动力学方程。牛粪生物炭是性能优良、价格经济的水溶液中Cd²⁺的吸附剂。

3.3牛粪生物炭在土壤修复中的应用

王丹丹等为了探讨以牛粪为原材料制备的生物炭对重金属镉污染土壤的钝化修复作用，采用人工模拟重金属镉污染上壤进行盆栽试验，研究分别添加在低温300℃和高温700℃条件下制备的牛粪生物炭，对重金属镉污染土壤pH值、镉含量、镉形态及供试作物中镉含量的影响。结果显示：高温700℃制备的生物炭效果好于低温300℃，与对照值（CK）相比，当两种牛粪生物炭添加量为10 g/kg时处理效果最佳，土壤pH值、镉含量依次升高0.2和0.1、42. 2%和21. 84%，供试作物中镉含量降低了71. 59%和51. 22%，酸可提取态镉降低了21. 69%和22. 89%，残渣态镉含量升高了51. 59%和77. 71%;牛粪生物炭添加量为2.5g/kg时，Fe- Mn氧化结合态镉、有机结合态镉含量降幅最大，分别为21.88%和14. 06%、31. 82%和12. 12%。牛粪生物炭对重金属镉污染土壤具有良好的钝化修复效果。

3.4牛粪生物炭在堆肥中的应用

谢振心等为研究生物炭对玉米秸秆堆肥中酶活性的影响，试验选用3%蔗渣生物质炭（B）、3%小麦秸秆炭（W）、10%滤泥（L）、10%牛粪（N）及它们的不同组合为调理剂进行玉米秸秆堆肥处理。分别在堆后20 d、60 d和110 d测定堆肥中的脲酶、中性磷酸酶和转化酶活性。在堆肥前期，BLN处理中性磷酸酶活性较B处理提高了40. 72%～44. 29%，WLN处理较W处理提高了7.7 6%～17.15%;堆肥结束时，BL、BN和BLN脲酶活性较B处理分别降低67. 23%、51. 81%和47. 94%，WL、WN和WL＼r较W处理降低7.14%～48. 21%。与B相比，BL、BN和BI，N转化酶活性提高34. 18%、100. 38%和47. 43%;與W相比，WL、WN和WLN转化酶活性提高了8.89% ～22. 35%。因此，添加B和W可使堆肥脲酶活性增加，添加BLN和WLN使得堆肥中性磷酸酶和转化酶活性均升高，表明生物炭是提高堆肥酶活性的适宜调理剂。

4牛粪生物炭的前景展望

总结前人的研究结果可以发现，关于牛粪生物炭的研究热点主要集中于用作吸附剂去除水中的无机污染物，不管是对氨氮还是重金属，均有较好的去除效果;将牛粪生物炭添加到土壤中，能有效钝化其中的重金属镉，起到良好的修复效果;亦或者将其应用于堆肥中，能显著提高堆肥中酶的活性。因此，牛粪生物炭在环境污染修复中具有良好的应用前景。