茭白秸秆处置现状及其固态脱氮碳源材料制备循环利用思考

聂泽宇 王阿华 陈开宁

摘要：隨着以长三角地区为代表的城乡经济一体化建设进程的加速，大量的农业废弃茭白秸秆亟待处理，同时污水氮素（硝酸盐态氮）污染物的减排压力亦日益增大，以资源循环利用为纽带，同时解决城乡水体污染及农村地区典型环境问题的命题逐步受到人们的重视。当前，国内已开发多种针对茭白秸秆的环保型资源化利用处置模式，但仍难彻底满足茭白秸秆减量化的处置需求。在国内外已有研究基础上，思考探索将茭白秸秆农业废弃生物质制作成反硝化固态碳源以降低废水硝酸盐排放量的可能性，并提出了相应的研究设想，研究成果有望践行“以废治废”的城乡环境整治循环经济发展新理念，并促进城乡水生态环境的日益改善和经济可持续发展。

关键词：茭白秸秆;固态碳源材料;脱氮;以废治废;循环利用

当前，城乡河湖的水体氮素污染问题突出，除氨氮外，硝酸盐态氮的污染问题亦不容忽视，例如水体富营养化所导致的藻类滋生，以及地表饮用水源和城市地下水的污染问题均与硝酸盐态氮密不可分。城乡水体氮素的来源，不仅包括城市污水处理厂的尾水排放和降水输入，还包括农村地区及城乡结合部的农业排水汇入。以城市污水处理厂尾水排放为例，污水中氮素受厂内高度硝化作用后主要以硝酸盐态氮的形式排放，虽已达一级排放标准，但总氮浓度却远超地表Ⅴ类水标准。例如，巢湖流域某污水处理厂出水总氮（20.6 mg/L）中80.6%（16.6 mg/L）的氮是硝酸盐态氮[1]。而在广大的农村地区，除了农田耕作排放的大量氮素污染物外（硝酸盐态氮为特征污染物）[2-5]，农业废弃生物质的产生量巨大，产生源分布范围极广，其弃置与焚烧所导致的系列环境问题亦较为突出。以茭白为例，经济植物茭白本是净化低污染水体的较好湿地植物[6]，但在长三角地区管理措施未到位的区域，茭白成熟的季节也是当地河流污染、河道拥堵淤塞最严重的时候，造成这种状况的最大祸首，正是丰收后村民大量丢弃的茭白秸秆[7]，受茭白茎叶污染的河流往往存在色泽发黑发臭的现象，大量废弃茭白叶堆积于河道中会造成严重的有机物污染，导致河水发黑和水体富营养化，而采取焚烧的方式则会污染大气环境[8-10]。多种农业废弃生物质的焚烧和水浸泡试验结果表明，茭白秸秆腐烂后导致的浸泡液中氮含量、磷含量、有机物含量、色度和微生物学指标的增量，均大大超出同等质量的玉米芯、山核桃蒲、稻草和桑枝条，这些材料在闷烧和明火条件下均可产生大量的细颗粒物、氮氧化物和二氧化硫，其中茭白秸秆的二氧化硫排放能力最强[11]。通常长达2 m左右的茭白其食用部分仅长15～20 cm，其他均被丢弃，常有“一斤茭白一斤废叶”的说法。因此，伴随着大量优质茭白农产品的供给，数以万吨的农业废弃生物质茭白茎叶亟待处理，如何对茭白秸秆进行环保型资源化处置利用，这是以长三角地区为代表的各茭白主产区人们亟须解决的问题。

随着以长三角地区为代表的国内城乡经济建设一体化进程的加速，以资源循环利用为纽带的同时，解决城市水体污染及农村地区环境保护问题的命题受到人们的重视。本研究拟借鉴“以废治废”的循环经济环保发展理念，思考将农业废弃生物质（农作物秸秆等）的消纳与城乡污废水中硝酸盐态氮的削减进行有机统一，思考探索建立农业废弃生物质-废水脱氮的循环利用发展新模式，将农业废弃生物质（如茭白秸秆）制作成反硝化固态碳源以去除废水中的硝酸盐，从而降低城乡废水氮素排放总量并实现农业废弃生物质的消纳，实现城乡环境整治循环经济发展新模式，促进城乡水生态环境日益改善和经济可持续发展。

1 长三角地区茭白秸秆处置现状

江南名菜茭白（Zizania latifolia Turcz.）属多年生宿根性沼泽草本植物，原产我国，是重要的水生蔬菜之一，栽种历史悠久，主要分布于我国长江中下游流域一些水资源较为丰富的地区，如江苏苏州（如吴江茭）、无锡（如广益茭、刘潭茭）等地，江苏里下河地区的扬州和南通等地，浙江宁波余姚市（全市总面积约 2 666.67 hm2，其中河姆渡镇被命名为“中国茭白之乡”，种植面积达2 133.33 hm2，年产茭白超5万t，产值达1.33亿元）[8，10]，上海青浦区（上海久负盛名的茭白生产基地，年种植面积超过 2 000 hm2，总产量高达7万t/年）等地区，可以说茭白生产已成为以长三角地区为代表的效益农业中水生蔬菜种植的亮点。

废弃茭白叶资源的合理利用，不仅可变废为宝，节约生产成本，推进当地特色优势农业的产业发展，增加农民收入，还可以有效控制农业面源污染，解决秸秆的焚烧问题。茭白秸秆的环保型资源化应用途径，主要包括制取燃料、制作食用菌栽培基质、生产秸秆有机肥、编制工艺品、制作动物饲料。

1.1 制取燃料

废弃茭白秸秆可充当燃料[9-10]。在茭白丰收的季节，使用土灶的农户常将晒干的茭白叶作为燃料。余姚市某公司利用茭白草，在常温环境下通过挤压成型的方式，制作成便于运输储藏的生物颗粒燃料，畅销日本，作为火力发电或日常生活燃料，起到有效利用当地废弃茭白叶的效果[8]。该方法可以充分利用资源，节约能源，但排放的二氧化碳易导致“温室效应”，此外废弃茭白秸秆还可用于制取沼气[12]。

1.2 制作食用菌栽培基质

禾本科植物鞘叶中的纤维素和营养物质较为丰富，使得茭白叶可作为草腐菌（如大球盖菇等）栽培的合适原料[9-10，12-15]。浙江省丽水市景宁县某公司利用茭白叶茎栽培黑木耳获得成功，构建了茭白叶茎-食用菌-土壤的生态循环链综合利用模式[16]。黑木耳属于木腐菌，可利用木材中的纤维素类物质、含氮蛋白质、无机盐和维生素等正常生长，茭白叶经过试验验证可作为黑木耳和平菇等菌菇类的栽培基质，若按茭白秸秆产生量 135 t/hm2 计量，黑木耳的生产量可达2.25万袋/hm2，每1 hm2茭白田秸秆可节省30 m3的木材使用量，加之菌渣和菌糠作为有机肥的农田回用还可创造潜在的巨大生态循环效益[16]。

[5]Hua G，Salo M W，Schmit C G，et al. Nitrate and phosphate removal from agricultural subsurface drainage using laboratory woodchip bioreactors and recycled steel byproduct filters[J]. Water Research，2016，102：180-189.

[6]王 哲，谢 杰，刘爱武，等. 经济植物湿地处理洱海流域低污染河水的性能[J]. 环境科学研究，2016，29（8）：1230-1235.

[7]符长焕. 茭白草堆肥过程中温度及营养成分的变化[J]. 浙江农业科学，2009（1）：187-189.

[8]艾 方，朱 明. 宁波市农村生态环境质量持续改善[EB/OL]. （2009-12-21）[2019-07-03]. http：//news.163.com/09/1221/09/5R229N1B0001124J.html.

[9]王保存. 岳西县茭白秸秆综合利用探讨[J]. 现代农业科技，2018（9）：217-219.

[10]张忠兴. 浅论茭白废弃物的综合利用发展[C]//第九届长三角科技论坛——农业机械化分论坛论文集. 常州：江苏省农业机械学会，上海市农业机械学会，浙江省农业机械学会，2012：180-182.

[11]袁卫东，陆 娜，宋吉玲，等. 农作物废弃物焚烧和水体腐化过程对环境的影响[J]. 浙江农业学报，2018，30（6）：1022-1028.

[12]李振平. 景宁县农作物秸秆综合利用现状与建议[J]. 农业开发与装备，2017（9）：86.

[13]谢金元，胡 丹. 利用茭白叶栽培食用菌试验[J]. 食药用菌，2011，19（4）：28-29.

[14]杭州市余杭区农业局. 关于印发《余杭区茭白秸秆综合利用实施指导意见》的通知：余农发（2015）162号[EB/OL]. （2015-09-06）[2019-07-03]. http：//www.yuhang.gov.cn/xxgk/zcfg/bmwj/201509/t20150906_1014899.html.

[15]邓曹仁，陈建明. 浙江省茭白叶综合利用技术成功案例分析[J]. 长江蔬菜，2017（18）：191-193.

[16]王 敏. 浙江景宁茭白叶茎重新利用身价倍增[J]. 蔬菜，2009（2）：39.

[17]徐四新，诸海焘，余廷园，等. 微生物菌剂对茭白秸秆堆肥过程的影响[J]. 上海农业学报，2018，34（1）：37-40.

[18]程义华. 景宁推广秸秆堆腐还田技术促茭白产业更好发展[EB/OL]. （2018-06-21）[2019-07-03]. http：//www.huabeicm.com/show-15-3002-1.html.

[19]穆 贞，胡雪峰，程 畅，等. 茭白叶发酵肥施用对土壤肥力和番茄生长的影响[J]. 土壤通报，2016，47（5）：1203-1210.

[20]张为民. 茭白叶里的“钱途”[J]. 光彩，2009（7）：48-49.

[21]蒋柏荣，黄利權，陆红星，等. 青贮茭白叶饲喂湖羊增重效果试验[J]. 上海畜牧兽医通讯，2013（5）：45.

[22]金赞芳，李文腾，潘志彦，等. 地下水硝酸盐去除方法[J]. 水处理技术，2006，32（8）：34-37.

[23]Greenan C M，Moorman T B，Parkin T B，et al. Denitrification in wood chip bioreactors at different water flows[J]. Journal of Environmental Quality，2009，38（4）：1664-1671.

[24]Greenan C M，Moorman T B，Kaspar T C，et al. Comparing carbon substrates for denitrification of subsurface drainage water[J]. Journal of Environmental Quality，2006，35（3）：824-829.

[25]Saliling W J B，Westerman P W，Losordo T M. Wood chips and wheat straw as alternative biofilter media for denitrification reactors treating aquaculture and other wastewaters with high nitrate concentrations[J]. Aquacultural Engineering，2007，37（3）：222-233.

[26]Sukias J P S，Tanner C C，Park J B K，et al. Quantifying treatment system resilience to shock loadings in constructed wetlands and denitrification bioreactors[J]. Water Research，2018，139：450-461.

[27]Chang J，Lu Y，Chen J，et al. Simultaneous removals of nitrate and sulfate and the adverse effects of gravel-based biofilters with flower straws added as exogenous carbon source[J]. Ecological Engineering，2016，95：189-197.

[28]Soupir M L，Hoover N L，Moorman T B，et al. Impact of temperature and hydraulic retention time on pathogen and nutrient removal in woodchip bioreactors[J]. Ecological Engineering，2018，112：153-157.

[29]Nordstrm A，Herbert R B. Determination of major biogeochemical processes in a denitrifying woodchip bioreactor for treating mine drainage[J]. Ecological Engineering，2018，110：54-66.

[30]Christianson L E，Lepine C，Sharrer K L，et al. Denitrifying bioreactor clogging potential during wastewater treatment[J]. Water Research，2016，105：147-156.

[31]Ghane E，Feyereisen G W，Rosen C J. Non-linear hydraulic properties of woodchips necessary to design denitrification beds[J]. Journal of Hydrology，2016，542：463-473.

[32]Damaraju S，Singh U K，Sreekanth D，et al. Denitrification in biofilm configured horizontal flow woodchip bioreactor：effect of hydraulic retention time and biomass growth[J]. Ecohydrology & Hydrobiology，2015，15（1）：39-48.

[33]Christianson L，Helmers M，Bhandari A，et al. Internal hydraulics of an agricultural drainage denitrification bioreactor[J]. Ecological Engineering，2013，52：298-307.

[34]Christianson L E，Lepine C，Sibrell P L，et al. Denitrifying woodchip bioreactor and phosphorus filter pairing to minimize pollution swapping[J]. Water Research，2017，121：129-139.

[35]Christianson L E，Bhandari A，Helmers M J. A practice-oriented review of woodchip bioreactors for subsurface agricultural drainage[J]. Applied Engineering in Agriculture，2012，28（6）：861-874.

[36]文 輝，陈云峰，高良敏. 不同碳源材料用于污水厂尾水生物反硝化碳源的效果研究[J]. 环境科学学报，2011，31（3）：499-504.

[37]马蕴琦. 竹丝填料反应器用于污水厂尾水生物脱氮的试验研究[D]. 扬州：扬州大学，2014：43-44.

[38]姚川颖. 外加碳源强化人工湿地脱氮研究[D]. 沈阳：东北大学，2014：64-65.

[39]Blowes D W，Robertson W D，Ptacek C J，et al. Removal of agricultural nitrate from tile-drainage effluent water using in-line bioreactors[J]. Journal of Contaminant Hydrology，1994，15（3）：207-221.

[40]Driel P W V，Robertson W D，Merkley L C. Denitrification of agricultural drainage using wood-based reactors[J]. Transactions of the ASABE，2006，49（2）：565-573.

[41]Robertson W D，Merkley L C. In-stream bioreactor for agricultural nitrate treatment[J]. Journal of Environmental Quality，2009，38（1）：230-237.

[42]Gottschall N，Edwards M，Craiovan E，et al. Amending woodchip bioreactors with water treatment plant residuals to treat nitrogen，phosphorus，and veterinary antibiotic compounds in tile drainage[J]. Ecological Engineering，2016，95：852-864.

[43]Long L M，Schipper L A，Bruesewitz D A. Long-term nitrate removal in a denitrification wall[J]. Agriculture，Ecosystems & Environment，2011，140（3/4）：514-520.

[44]Warneke S，Schipper L A，Bruesewitz D A，et al. Rates，controls and potential adverse effects of nitrate removal in a denitrification bed[J]. Ecological Engineering，2011，37（3）：511-522.

[45]Warneke S，Schipper L A，Matiasek M G，et al. Nitrate removal，communities of denitrifiers and adverse effects in different carbon substrates for use in denitrification beds[J]. Water Research，2011，45（17）：5463-5475.

[46]孙 蕾. 添加植物碳源对多级复合垂直流人工湿地氮、磷去除能力的影响[D]. 南昌：南昌大学，2012：62.

[47]Schipper L A，Vojvodi c′-Vukovi c′ M. Five years of nitrate removal，denitrification and carbon dynamics in a denitrification wall[J]. Water Research，2001，35（14）：3473-3477.

[48]Christianson L，Bhandari A，Helmers M. Emerging technology：denitrification bioreactors for nitrate reduction in agricultural waters[J]. Journal of Soil and Water Conservation，2009，64（5）：139A-141A. 溫 琦，赵文博，张幽静，等. 植物干旱胁迫响应的研究进展[J]. 江苏农业科学，2020，48（12）：11-15.