基于生物炭强化有机固废好氧堆肥资源化的研究进展

黄霞，何莹莹，张艺蝶，杨殿海，戴晓虎，谢丽

（长江水环境教育部重点实验室，同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

经济飞速发展和城镇化水平不断提高促使固体废弃物的产量逐年增加，加之垃圾分类政策的推行，有机废物的处理处置和资源化利用成为了亟待解决的环境问题。有机固废主要指市政污泥、餐厨垃圾、禽畜粪便、农林废弃物等富含有机质的固体废弃物。好氧堆肥是处理有机固废操作简单、经济有效的方法，微生物在好氧条件下将原料中的有机物转化为稳定的堆肥产品，从而实现废物的无害化和资源化。

然而，有机固废种类繁多、来源各异，不仅成分性质差异大，还可能含有重金属、抗生素等多种类型的污染物。在这些污染物的胁迫下，好氧堆肥体系中微生物的生理代谢与群落演替都会受到影响，从而影响堆肥进程。此外，有机废物好氧堆肥仍然存在一些亟待解决的问题，如温室气体（CO、CH和NO）排放及造成的碳、氮损失、难降解有机物降解缓慢、腐殖化进程受阻以及堆肥产品施用安全等。为缓解上述问题，基于功能材料强化的好氧堆肥作为一种有效策略成为国内外研究前沿和热点。

生物炭作为一种性能优良的添加剂被广泛应用于环境领域，2009—2019 年，有关生物炭的发文量总体逐年上升，年均增长率达273.7%。生物炭是由生物质材料在无氧或缺氧条件下热解产生的富碳物质，具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，其表面存在的大量官能团是生物炭对重金属等无机污染物以及有机污染物具有较高亲和力的结构基础。国内外针对生物炭对有机固废好氧堆肥的影响展开了广泛的研究。如图1所示，添加生物炭能够改善堆体的环境条件（堆积密度、通气量）从而加速有机物降解并促进腐殖质形成；另一方面，生物炭的添加通过影响堆肥体系中微生物群落结构从而进一步提高了堆肥效率和产品品质。此外，生物炭的吸附作用对于减缓堆肥气体释放从而强化碳氮元素的保留以及降低堆体中重金属、抗生素以及其他污染物的生态毒性也具有重要意义。为进一步提高好氧堆肥效率，生物炭耦合微生物菌剂、非生物添加剂以及生物炭改性等强化堆肥手段在有机废弃物堆肥中的应用也逐渐增多。

本文从生物炭的理化性质出发，总结了生物炭在不同种类有机废弃物好氧堆肥中的应用，阐明了生物炭促进好氧堆肥的机理、阐述了生物炭强化手段在有机固废好氧堆肥中的应用，期望为有机固废好氧堆肥工艺效率的进一步提升提供理论依据和实际支撑。

1 生物炭的制备与理化性质

1.1 制备

生物炭是生物质热解产生的炭材料，其原材料来源十分广泛，如图1 所示，可来源于作物秸秆、竹子、花生壳等常见的农林废弃物，这在一定程度上有利于实现有机固废的资源化利用。热解技术是制备生物炭常用的方法，根据对温度的控制，热解又可以分为快速热解和慢速热解。快速热解升温速率快、停留时间短，能促进有机质快速分解，产物中液态、气态占比较高，因此生物炭产量较低，是常用的生物油制备技术。慢速热解停留时间长，因而生物炭产量大且含有更高的含碳量。快速热解和慢速热解制成的生物炭所具备的理化性质也存在不同，如核桃壳在慢速热解条件下制备的生物炭产量、自由基和醌含量略高，但是羟基基团含量较少。

图1 生物炭促进好氧堆肥机理

1.2 理化性质

生物质经过高温热解炭化形成具有高比表面积、丰富孔隙度、高度芳香化和性质稳定的生物炭，原材料的种类和热解过程是影响这些理化性质的主要因素。利用花生壳、竹子、竹篙草和芦苇四种材料制备生物炭，芦苇生物炭的比表面积（376m/g）显著高于其他类型生物炭，而竹篙草生物炭虽然比表面积（141.4m/g）较低，但孔隙结构丰富，这使得它具有良好的吸附性能，在NO吸附试验中达到吸附平衡的时间不到其他组的一半。热解条件对生物炭性质的影响也十分关键。Brown等研究了松木热解制备生物炭过程中热解温度、升温速率、峰值温度、持续时间等因素对生物炭性质的影响，结果表明，峰值温度为750℃时，获得的生物炭比表面积最大，且与升温速率无明显关系，而在峰值温度为1000℃时，比表面积显著降低，且升温速率越慢比表面积越小。生物炭热解制备过程中会在表面形成多种多样的官能团，包括碳碳双键、碳氧双键、羟基、羧基、酰胺基、芳香烃等结构，这些结构对于增强生物炭的吸附性能具有非常重要的作用。此外，生物炭大多呈碱性，这与生物炭原料中无机组分以及生物炭表面的含氧官能团密切相关，因此生物炭对酸性土壤改良有积极意义。

2 生物炭在不同原料好氧堆肥过程中的作用与应用

2.1 加速农业废弃物堆肥中有机质的降解和腐殖化进程

我国是农业大国，在农业生产过程中产生了大量尾菜、秸秆等废弃物。《第二次全国污染源普查公报》指出，2017年，秸秆产生量为8.1亿吨，秸秆可收集资源量6.7 亿吨，可回收资源利用率为86.8%。作为生物质资源的一种，农业废弃物种类多、数量大，其资源化利用是减少资源浪费与环境污染的重要举措，也是推行农业循环经济的可持续发展战略重要的一环。

农业有机废弃物中含有大量难降解的木质素、纤维素类物质，尤其是木质素结构过于复杂，且通过化学键与纤维素、半纤维素连接并紧密结合，因此限制了纤维素、半纤维素等物质的降解，导致农业有机废物的资源化进程严重受阻。好氧堆肥是由不同类群功能微生物主导的生化反应过程，堆肥体系中存在大量细菌、真菌、放线菌和其他原虫类生物，农业有机废物可在这些微生物的共同作用下进行降解。常见的降解木质纤维素的微生物包括假单胞菌、放线菌、白腐真菌和褐腐菌等。农业废弃物的单一堆肥发酵过程缓慢且产品肥效低，加速木质纤维素类物质的转化是堆肥充分腐熟的关键。在牛粪和甘蔗秸秆堆肥中添加5%生物炭，纤维素、半纤维素的降解率分别提高3.2%、6.4%，同时，与之相关的放线菌、单胞菌属、红杆菌属丰度分别增加了31.0%、30.7%、8.9%。

腐殖化是堆肥的重要过程之一，腐殖质含量是评价堆肥质量的重要指标。堆肥中的腐殖质主要成分为富里酸（FA）和胡敏酸（HA），是堆肥产品进行资源化利用的重要成分，腐熟堆肥中HA含量较高而FA 含量偏低。研究报道了生物炭对堆肥腐殖化过程的积极影响：在农林废弃物和蘑菇渣堆肥中添加20%生物炭，延长了高温阶段的持续时间，增加了堆肥过程中的微生物数量、酶活性和养分含量，从而加速了有机废物的降解和腐殖化进程，与腐殖质的缩合和芳构化程度成反比的/值显著降低，腐熟时间由30 天缩短至24 天。生物炭添加促进腐殖化机理有两种途径：一是生物炭可作为腐殖质中可溶性有机物和芳香化合物的重要来源；二是堆肥前期形成的这两类物质在生物炭活性表面的吸附。

2.2 减少市政污泥堆肥中氮损失与重金属和多环芳烃的含量

城镇化水平的迅速提升加大了市政污泥的产量，根据2020 年城市建设统计年鉴中的数据，2020 年全国污水处理厂干污泥产量达到1162.7 万吨。好氧堆肥是处理市政污泥的主流技术之一，但是市政污泥成分复杂，不仅含有丰富的有机质和氮磷元素，还可能含有重金属和有机污染物等，因此，市政污泥的堆肥化处理面临巨大的挑战。

研究表明，在污泥堆肥过程中添加生物炭在减少含氮气体排放和钝化重金属等方面具有重要意义。Awasthi等在污泥和麦秆混合堆肥中添加8%～18%生物炭，显著减少了NH（58.0%～65.2%）、CH（92.3%～95.3%）和NO（95.1%～97.3%）的排放。在污泥和木屑堆肥中添加生物炭减少了62%～69%的氮损失，在污泥和秸秆混合堆肥中投加5%生物炭降低了22.4%的NH-N，而NO-N 增加了310.6%。生物炭对堆肥过程中气体排放的控制主要归因于其吸附作用和对硝化过程的强化。

生物炭具有高效的吸附能力，因此可以吸附水、土壤和污泥中的有机污染物和重金属，从而降低其生物可利用性。Oleszczuk 等报道了生物炭添加使得污泥中多环芳烃（PAHs）的生物可利用性降低了5.2%～57.7%，这与生物炭的芳香族部分有关。向污泥中添加生物炭并应用于土壤，会加速总PAHs 含量的减少从而降低土壤毒性。Liu等在污泥和秸秆堆体中添加生物炭降低了堆肥中Pb、As、Cu、Cr 和Ni 等重金属的生物有效性，且不同添加量对重金属钝化效果不同，1%生物炭投加能降低56.3%的As 含量和32.1%的Cr 含量，3%生物炭投加降低了51.9%的Pb 含量和59.5%的Cu含量。在污泥和玉米芯混合堆体中添加生物炭发现，污泥中Cu、Zn、Pb、Ni和Cr的可交换态含量降低而残渣态含量增加。

污泥中持久性有机污染物的存在是其处理处置面临的问题之一，好氧堆肥是目前处理污泥的主要技术手段，目前对于生物炭在污泥堆肥过程中对有机污染物的影响研究较少。微生物可通过降解作用、胞内积累以及胞外络合等途径实现有机污染物的降解，腐殖质的吸附作用、氢键作用、疏水作用等也对于稳定有机污染物有重要作用。生物炭对堆肥过程中微生物代谢与腐殖化进程有积极影响，因此未来开展生物炭对于污泥堆肥过程中的有机污染物的影响研究十分必要。

2.3 降低畜禽粪便堆肥中温室气体排放与重金属、抗生素的生态毒性

畜牧养殖业向集约化、规模化的发展模式转变过程中，畜禽粪便产量逐年增加，含有抗生素和重金属的饲料的大肆使用对粪便的资源化利用造成了严重不利影响。好氧堆肥是处理畜禽粪便的常用手段，但其对于抗生素及重金属的去除效果仍不理想，在堆肥产品中的残留将增加其应用的风险。此外，随着“双碳目标”的倡导，在畜禽粪便这类富含氮素的有机废物堆肥过程中，CH和NO 等温室气体排放也是不容忽视的问题之一。

生物炭作为一种畜禽粪便好氧堆肥添加剂受到了广泛关注。Chowdhury 等在鸡粪与稻草堆肥中添加生物炭发现，总温室气体排放减少27%～32%。投加玉米秸秆生物炭提高了鸡粪堆肥过程的温度和NO-N 浓度，但是降低了pH、NH-N 和有机质含量，并减少了24.8%NH的排放和26.1%CH的排放。在猪粪堆肥中添加5%～10%生物炭也发现有机碳的含量和NH+的浓度分别降低了37.5%～62.0%和4.0%～20.9%。

目前，已有研究通过添加生物炭削减堆肥过程中抗生素及抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）的潜在风险。在鸡粪和蘑菇渣混合堆肥中添加5%生物炭降低了98.7%的ARGs 丰度，相比对照组去除率增加6.1%。堆肥原料中抗生素及ARGs的存在加剧了堆肥产品土地利用的生态风险，生物炭作为一种能高效吸附去除抗生素及ARGs 的材料在环境领域有广阔的应用前景，而在堆肥这一复杂的生化过程中，生物炭对抗生素及ARGs的作用机制研究仍十分缺乏。

2.4 抑制餐厨垃圾堆肥酸化问题

餐厨垃圾中含有丰富的脂肪和淀粉等易生物降解的有机物，在堆肥初期微生物的代谢活动下易转化为小分子有机酸，其大量积累导致堆体环境酸化，抑制了微生物活性从而抑制堆肥发酵进程，同时堆肥过程中伴随含氮气体和温室气体排放，造成堆肥效率低下、堆肥产品质量差等问题。

在餐厨垃圾堆肥中投加添加剂是克服酸化抑制的有效方法，Chaher 等在餐厨垃圾堆肥过程中观察到，堆肥初期的pH 由5.9 下降至5.0，而添加生物炭的堆肥初始pH为中性，并且没有出现pH下降的趋势。这与生物炭的碱性和缓冲能力密切相关。此外，他们还观察到添加生物炭对于促进硝化进程进而提高堆肥过程氮保留具有重要作用。在餐厨垃圾堆肥中添加15%生物炭可以缩短达到高温期的时间，并增加14.4%～15.3%的有机物降解，NH-N 和NO-N 浓度分别增加37.8%～45.6% 和50%～62%。在餐厨垃圾与污泥共堆肥过程中添加5%甘蔗渣生物炭对堆肥过程促进效果最佳，NH-N含量是对照组的2.3 倍，添加甘蔗渣生物炭的堆体中，芽孢杆菌纲（）和梭菌纲（）成为优势菌群。

3 生物炭促进好氧堆肥过程的机理

3.1 改善微生物活动促进有机物降解与腐殖化

好氧堆肥是群落结构迅速演替的多个微生物群体共同作用的动态过程，因此强化微生物代谢活动是提升好氧堆肥效率的关键。生物炭孔隙结构丰富、比表面积较大，有利于堆体中氧气的传输和分布，改善堆体理化参数，从而为微生物的好氧代谢提供了良好的环境条件。在鸡粪和稻草堆肥中添加10%生物炭，提高了堆体的持氧能力，O体积分数大于5%的持续时间约为80%，并降低了131.4%的NO 的排放。碱性的生物炭能在一定程度上调节堆体原始pH，但是堆体pH变化总体与有机酸产生和降解以及含氮物质转化等过程有关，生物炭对堆肥过程中pH 的影响还没有明确的结论。生物炭还可以调节原料C/N以保证堆肥微生物充分的营养供应，堆肥初始C/N 在25∶1 左右较为适宜。生物炭对通风、pH、营养等条件的改善促进了堆肥微生物的动态演变，将玉米秸秆和小麦秸秆制备的生物炭添加至猪粪和秸秆堆肥体系中，发现放线菌门的丰度增加了9.0%～62.2%，促进了原料中木质纤维素类物质的降解；另外，与碳氮循环有关的变形菌门的丰度在堆肥后期也增加了1.0%～7.2%。此外，生物炭丰富的多孔结构和较大的比表面积为微生物提供了适宜的栖息场所，且其表面能够吸附堆肥过程中产生的水溶性碳和大量营养物质，能够作为底物为微生物生长代谢提供营养。研究发现生物炭能够从邻近堆肥中吸收水溶性碳和酚类物质，并提高了堆肥微生物的碳代谢能力。

生物炭对微生物群落活动的改善促进了堆体中有机物的矿化作用和腐殖化进程，微生物活动进一步促进有机物的分解代谢产热，引发堆体温度的快速上升，促成适宜的水热条件进一步刺激微生物活动。在中试规模的猪粪与麦秸堆肥试验中发现，随着生物炭投加量从0 增加到5%、15%，堆肥的峰值温度从54.3℃增加到56.7℃、66.3℃。较高的温度与嗜热期的延长会加速微生物对堆肥底物的利用，从而缩短堆肥周期，降低成本。微生物持续新陈代谢产热引发的温度上升还能杀死有毒有害病原菌，加速了堆肥稳定化和无害化进程。在5℃的低温环境下进行猪粪堆肥，发现生物炭添加使得堆肥温度＞55℃的时间持续了5 天，而不添加生物炭的堆肥最高温度只有38.4℃，远不能满足无害化标准；生物炭添加组发芽指数为84.7%，比对照组提高了约36%。

3.2 减少温室气体和臭气的排放

好氧堆肥过程中碳素、氮素物质的强烈分解加剧了堆体CO、CH、NO 等温室气体以及NH、HS等臭气的排放。生物炭因具有良好的物理及化学吸附性和稳定的多孔结构，且来源广泛、成本低廉等特点，被作为添加剂广泛用于控制堆肥过程中气体的排放。表1所示为生物炭对好氧堆肥过程中气体排放的影响。

表1 生物炭对好氧堆肥过程中气体排放的影响

堆肥过程中另一种温室气体NO的产生主要与硝化和反硝化过程有关，好氧条件下，NO是硝化作用的副产物，当堆体存在厌氧区时，硝氮的反硝化作用是产生NO 的主要途径。生物炭减少NO排放的主要机理有：吸附NH减少其硝化作用生成NO，并吸附NO减少其反硝化作用生成NO，这种吸附作用源于生物炭表面的含氧官能团与NH、NO等离子之间的氢键和静电作用；减少亚硝酸盐还原酶基因/表达，抑制反硝化作用；提高NO 还原酶基因的表达，促进NO 向N的转化；促进反硝化过程电子传递作用等。在猪粪和麦秸堆肥中添加10%生物炭和10%豆渣，增加了氨氧化细菌（AOB） 中氨氧化酶基因（）的丰度而降低了亚硝酸盐还原酶基因（）的丰度，从而使NH和NO排放峰值分别降低了32.9%和46.6%。

生物炭对NH减排的主要机制是对有机氮、铵态氮或其前体物质以及释放的NH的吸附作用：一方面是生物炭巨大的比表面积和发达的孔隙结构的物理吸附；另一方面归因于其含有丰富的羧基和酚羟基等酸性官能团的化学吸附。酸性官能团能通过离子键与铵态氮紧密结合，并促使铵态氮向其他氮素形式转变；堆肥过程中生物炭表面酸性官能团数量还会因生物氧化逐渐增加，进一步强化对铵态氮的吸附。在家禽粪便堆肥中添加20%（干重）松木生物炭发现有NH排放。另外，生物炭对环境条件的改善能加快好氧微生物对NH的代谢作用，并促使NH向NO、NO或其他有机氮素转变，从而降低NH排放。

3.3 降低堆体中污染物的生态毒性

生物炭优良的理化特性使得其在削减堆肥体系中污染物毒性方面具有重要作用。生物炭可降低堆体中重金属的可利用性，一方面，生物炭直接与重金属发生反应，包括沉淀作用、络合反应、离子交换、静电吸附和物理吸附等；另一方面，生物炭的添加改变了堆体的理化性质，导致重金属的形态转化，从而影响重金属等污染物的生物有效性和迁移性。在鸡粪与稻壳堆肥中添加10%生物炭，碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态铜的含量减少了90.3%，有机结合态和残渣态铜的含量增加了72.4%，这表明生物炭促进了堆肥过程中重金属向生物可利用性降低的形态转化。生物炭具有一定的氧化还原能力，生物炭表面的含氧官能团使得生物炭既可以作为一个电子供体，也可以作为电子受体，这一性质对于变价重金属元素的有效性有着重要的影响。Xu 等利用花生壳生物炭去除水溶液中的Cr(Ⅵ)，研究发现，生物炭可作为电子供体将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，还原的贡献占总去除量的87%，此外，生物炭表面吸附了Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，其中，Cr(Ⅲ)的比例占到了83.5%。X射线光电子能谱分析结果表明，生物炭除Cr(Ⅵ)后—C—O和—C==O等官能团被氧化为—COOH。另外，还有研究推测生物炭可通过促进微生物活动加速腐殖质的形成，利用腐殖质对重金属的固定作用降低其有效性。据报道，在添加生物炭与沸石的堆肥过程中，黄腐酸络合铜和黄腐酸络合锌由于黄腐酸的降解分别减少了39.5%和62%，并转化为腐殖酸络合铜和腐殖酸络合锌，从而进一步提高重金属的固定化。

生物炭稳定有机污染物的机制有静电相互作用、疏水作用、氢键作用、吸附作用、分配作用和π-π电子供受体作用，因此，生物炭作为堆肥添加剂可降低堆体中的农药、多氯联苯、PAHs 等有机污染物的迁移性和生物可利用性。有研究认为，有机污染物含量的降低与生物炭的极性有关，极性较低的生物炭能更有效地降低污泥中自由溶解的多环芳烃含量。另一方面，抗生素与ARGs 在环境中的蓄积与传播对生态系统和人类健康也造成巨大威胁，研究表明，生物炭对抗生素的吸附影响着抗生素在环境中发挥的生物学效应，其主要的吸附机制是π-π 电子作用下的表面络合和阳离子交换机制。生物炭添加还能有效降低堆肥过程中ARGs 的丰度，在猪粪堆肥中添加5%生物炭降低了磺胺甲嘧啶（SMZ）、环丙沙星（CIP）和土霉素（OTC）的含量，并降低了1 和(W)ARGs 的丰度。微生物是ARGs 的载体，生物炭对微生物群落结构的改变也会造成土壤中ARGs 的变化，因此，分析、量化生物炭与微生物之间的相互作用有助于加深对堆肥过程中抗生素的微生物降解机理的认识。

4 生物炭耦合强化手段在有机固废堆肥中的应用

4.1 生物炭-菌剂强化

外源添加微生物菌剂被认为能改善微生物群落结构和提高微生物多样性，减少堆肥中碳、氮元素以气体形式散失，促进碳、氮向稳定形式转化，从而促进堆肥腐熟，提高堆肥效率。生物炭对于改善堆肥过程具有积极作用，将两者耦合添加有望进一步提高堆肥效率。

基于微生物调控的生物炭菌剂强化已成为有机固废好氧堆肥领域的研究热点和趋势。在猪粪堆肥中添加生物炭和0.3%的高温好氧微生物菌剂，结果表明，菌剂的加入相比单独添加生物炭减少了26% CH、8% NO 和6% NH排放。Duan 等在猪粪堆肥中添加了不同类型生物炭并接种微生物菌剂，研究结果表明，小麦秸秆生物炭耦合菌剂对于温室气体排放和氨排放控制作用最为明显，并且对于延长堆肥高温期从而加速堆体腐熟具有重要意义。有关微生物耦合生物炭添加影响堆肥过程的具体机制目前少有研究报道。解析微生物在堆肥碳氮转化、有机物降解与腐殖化等方面的代谢途径，探讨生物炭在其中的作用机理，对于更有目的性地选择外源微生物与生物炭种类、减少气体排放从而提高养分保存效果具有重要意义。

4.2 生物炭-其他添加剂强化

成本低、来源广、普适性好的无机添加剂也被广泛应用于好氧堆肥中。一些酸性化学添加剂，如过磷酸钙、明矾、硫酸铜、氯化镁、竹醋液、磷酸和硫酸等能够调节堆肥体系pH，从而减少铵态氮的转化，还能与氨气和铵态氮结合使其稳定。矿物添加剂如沸石、膨润土、生物炭、蛭石和麦饭石等具有多孔性或富含腐殖质以及高比表面积，能够吸附产生的NH和NO 从而减少氮素损失。矿物添加剂还能够增加堆肥物料的孔隙率，促进空气的扩散，减少CH的排放。Awasthi等在污泥堆肥中添加生物炭和石灰，有效降低了NH、CH的排放，还降低了重金属的生物有效性（34.8%Cu、56.7%Zn、88%Pb 和86.7%Ni），这对于改善堆肥质量、提高其施用安全性具有重要意义。在猪粪堆肥过程中添加生物炭和沸石分别降低了63.4%、78.1%的NH、NO 排放，相比单独投加生物炭减少了27.5%的NH、13.2%NO排放，此外还观察到了104.51%的腐殖酸增率和40%的富里酸降解率，这表明生物炭耦合沸石强化手段对于堆肥腐殖化进程具有促进作用。

外源添加剂能够从各个方面不同程度地改善堆肥进程，而各种调理剂与堆体基质的作用机理不甚相同，针对不同有机固废原料的差异化性质，选择合适的添加剂种类、投加量对于精细化控制堆肥进程是有意义的，未来还需深入研究。

4.3 生物炭改性强化

为进一步改善生物炭的性质，提高生物炭吸附性能，很多研究对生物炭进行改性处理。目前，生物炭改性的方法主要有酸碱改性、氧化剂改性、金属盐及金属氧化物改性等。酸碱改性生物炭可增加比表面积并引入羧基、内酯基、酚基和羰基等活性含氧官能团。氧化改性使生物炭表面发生氧化反应来改善其孔隙结构、提高含氧官能团含量从而增强表面极性。在粪便与秸秆堆肥中分别添加经HO、HNO和两者混合改性的生物炭，发现促进NH-N 向NO-N 的氨氧化细菌（AOB）丰度明显增加，从而降低了45.7%～61.7%的NH排放。金属盐或金属氧化物的改性可以改善生物炭的磁性、吸附、催化性能。经FeCl改性的生物炭对猪粪堆肥中Cu、Zn、Pb 等重金属的钝化效果明显增强，分别增加了20.3%、18.1%、31.8%。

生物炭改性方法众多，但根据特定原料生物炭以及其环境应用选择合适的改性手段以及改性条件是关键。目前，改性生物炭的研究多集中于重金属、有机物等污染物吸附，仅少量研究探讨改性生物炭在堆肥过程中进行添加的效果和影响。此外，生物炭改性带来的成本增加这一问题也值得考虑，目前大部分基于生物炭改性的研究多是在实验室规模，其规模化与商业化应用仍需要从经济效益的可行性方面来综合评估。

5 结语和展望

生物炭作为有机废物堆肥添加剂具有巨大表面积、丰富的孔隙率和高的阳离子交换能力，能够促进有机物降解与腐殖质形成、强化微生物群落活性、减少臭气和温室气体排放、降低重金属和抗生素以及其他污染的生物有效性，这对于促进堆肥过程、改善堆肥产品质量从而实现有机固废资源化利用具有重要意义。

尽管生物炭在好氧堆肥中的应用广泛，但在一些方面的研究仍存在如下不足。

（1）关于生物炭对有机固废堆肥过程中物质循环转化、微生物动态演变以及腐殖化进程等方面的相关关系研究十分必要。通过分析生物炭对微生物群落结构演替、关系网络与代谢途径的影响，结合堆肥进程参数、关键酶活性、微生物群落特点与功能基因表达等宏观数据，从微观角度进一步探明生物炭强化好氧堆肥的机制。

（2）尽管生物炭在堆肥和土壤改良与修复等方面表现出巨大的优势，但一个值得关注的问题是生物炭可能存在的内源污染。生物炭制备过程中可能产生PAHs 和持久性自由基（EPFRs）以及重金属相对含量升高，这些无疑会加剧其环境应用的风险。因此，未来需要进一步研究生物炭热解制备过程和应用中存在的内源污染问题，探索能有效规避产生的环境风险的手段，这对于生物炭的安全应用十分关键。

（3）生物炭作为添加剂研究好氧堆肥有机物降解、微生物变化以及气体排放等方面研究众多，但将其定量化、模型化的文献鲜有报道，将生物炭作为变量因素，使用数学模型从理论上构建堆肥过程与参数变化的数量关系，对于解析好氧堆肥反应机理并指导实践中的工艺参数优化从而促进堆肥进程具有重要意义。此外，从微观角度探索好氧堆肥反应机制与过程变化机理是前沿的方向，对好氧堆肥颗粒微观结构的表征和量化有助于完善颗粒尺度好氧堆肥模型，相关的分析研究和针对性的量化表征手段还需要进一步探索。