番茄秸秆与猪场沼液联合水热炭化对生物炭性质的影响

摘要：利用生物质联合水热炭化用于制备功能性生物炭产品也逐渐成为研究热点。为开发富营养元素的生物炭产品，以番茄秸秆作为原料，分别利用纯水（T1）和沼液（T2）作为液相介质进行水热炭化，分析不同炭化条件对生物炭理化性质和氮素释放量的变化规律。结果表明：番茄秸秆水热法制备生物炭的产率为30.09%～32.24%;番茄秸秆与沼液联合炭化处理（T2）制备生物炭的挥发分、固定碳、全氮和全磷含量分别比以水为液相介质的炭化处理（T1）高1.80%、13.00%、5.51%和14.77%，但有机碳和灰分含量分别降低0.80%、17.02%。两种生物炭的氮素释放量均表现随时间延长呈现增加的趋势，以水为液相介质的炭化处理（T1）制备生物炭前5h氮素释放量增速比番茄秸秆与沼液联合炭化处理（T2）的高18.4%。

关键词：番茄秸秆；沼液；水热炭化；生物炭；氮释放

中图分类号：S641.2文献标志码：A文章编号：0253-2301（2024）09-0008-04

DOI：10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.09.002

Effects of Co-hydrothermal Carbonization of Tomato Straw and Pig Slurry on the Properties of Biochar

DONG Rui-mei¹，DING Ya-lan¹，YE Jing²，LIN Yi²，WANG Yi-xiang²*

（1.Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;2.Institute ofResources，Environmentand Soil Fertilizer，Fujian Academy of Agricultural Sciences/Fujian Key Laboratory of Agroecological Processes inRed Soil Mountains，Fuzhou，Fujian 350003，China）

Abstract：The use of biomass combined with the hydrothermal carbonization for the preparation of functional biochar products has gradually become a research hotspot.In order to develop the biochar products rich in nutrients，the tomato straw was used as the raw material，and the pure water（T¹）and biogas slurry（T2）were used as the liquid medium for hydrothermal carbonization.The change rules of the physicochemical properties and nitrogen release amount of biocharunder different carbonization conditions were analyzed.The results showed that the yield of biochar prepared by the hydrothermal method of tomato straw was 30.09%-32.24%.The contents of volatile matter，fixedcarbon，total nitrogen and total phosphorus of biochar prepared by the combined carbonization treatment with tomato straw and biogas slurry（T2）were 1.80%，13.00%，5.51%and 14.77%higher than those in the carbonization treatmentwith water as the liquid medium（T1），but the contents of organic carbon and ash decreased by 0.80%and 17.02%，respectively.The nitrogen release amount of the two types of biochars showed an increasing trend with time.Theincrease rate of nitrogen releaseamount in the first 5 hours of biochar prepared by the carbonization treatment with water as the liquid medium（T1）was 18.4%higher than that by the combined carbonization treatment with tomato straw and biogas slurry（T2）.

Keywords：Tomatostraw;Biogasslurry;Hydrothermalcarbonization;Biochar;Nitrogen release

中国作为农业大国，其产生的农业固体废弃物量位居世界前列，这些废弃物种类很多，如农作物秸秆、蔬菜及瓜果的副产品、藤蔓、畜禽粪便等，如果处理不当，这些废弃物易成为环境污染的源头，因此亟需引起高度重视并探索有效的解决方案¹-2]。特别值得注意的是，像番茄藤蔓等蔬菜废弃物，其不能像其他农作物秸秆一样直接还田，其资源化利用路径的探索成为推动农业绿色可持续发展、解决产业瓶颈的关键议题。根据相关资料统计，我国每年产生的畜禽粪污量超过40亿t，未得到充分利用的农作物秸秆近2亿t，副产物利用率不到40%3]。在我国，农业废弃物的资源化利用技术仍有待提升，目前采用的处理手段，如堆沤制作有机肥、秸秆的直接还田以及过腹还田等，不仅资源转化效率较低，而且若处理不当，还可能引发新的环境污染问题4。

近年来，基于水热炭化资源化利用生物质的技术引起了广泛关注。水热炭化是作为一种有效地利用农业废弃物的方法，是将生物质原料与水等液相物质在一定温度和压力下，将生物质转化为水热炭等系列产物的热化学转化技术。该技术省去了高含水废弃物处理的干燥环节，具有操作简单、转化效率高等特点。水热炭化制备的生物炭具有稳定性高、吸附能力强、芳香化程度高、价格低廉、孔隙结构好等优点5-6，在农业生产、生态环境保护、能源开发等方面有着广阔的应用前景7。生物质水热炭化原料属性、热解工艺等直接影响制备的生物炭的性质I⁸-9]，已有研究表明热解温度和升温速率对生物炭性质有着显著的影响[10]。近年来，利用生物质联合水热炭化用于制备功能性水热炭产品也逐渐成为研究热点。本研究利用番茄秸秆与沼液联合水热炭化，研究其对生物炭性质、养分释放的影响，以期为番茄秸秆、沼液等资源化利用和新型环境修复材料开发提供科学依据。

1材料与方法

1.1供试材料

供试番茄秸秆和养猪场沼液取自福建省惠安县某农场。番茄秸秆置于通风处晾干后粉碎，物料尺寸小于5 mm，其有机碳含量32.35%，全氮含量1.8%;养猪场沼液中全氮含量0.47 mg g-¹。

1.2试验设计

试验共设置2个处理，即水热炭化的介质分为水和猪场沼液，秸秆用量100 g，固液比为1：6，反应釜设定反应温度为280℃、停留时间为480 min，分别制备得生物炭材料T1和T2。在执行水热炭化试验时，先将反应容器密封，并接入220 v的稳定电压。以2℃·min¹的升温速度加热，同时引入自来水作为冷却介质以维持仪器温度。当温度升至280℃时，开始记录水热炭化的保持时间。试验结束时，反应釜自动降温，待温度降至30℃以下，停止冷却水的供应。当反应釜内压力降至0，打开排气阀回收煤焦油，然后取下反应釜盖，取出水热处理后的生物炭。通过定性滤纸过滤并使用去离子水洗涤3次后，将生物炭置于鼓风干燥箱中，在60～65℃的温度下烘干至质量稳定。最后，利用电子天平准确称量所得生物炭的质量。

1.3测定指标与方法

样品中全氮含量采用凯氏定氮法测定，pH采用pH计测定，全磷采用钒钼黄比色法测定，EC利用电导率仪测定，总有机碳采用重铬酸钾滴定法测定。固定碳含量指有效碳素的百分含量，以100%减去灰分及挥发分含量进行计算。固定碳就是生物炭去除灰分和挥发分后的残留碳素[1。

氮素释放量参照国家标准GB/T23348-2009《缓释肥料》的方法测定。称取过1 mm孔径筛的生物炭约2g（称准至0.01 g）放入网袋中，放入密闭的玻璃瓶进行浸提，加入40 mL的去离子水，待温度恒定为（100±1）℃时开始计时，分别在1、3、5、7、10、24 h进行取样。取样时，将密闭的玻璃瓶中的浸提液全部移入50 mL容量瓶中，冷却至室温后定容至刻度，测定总氮的释放量。

1.4数据分析与处理

利用SPSS 27.0对试验数据进行处理间的差异显著性分析，使用EXCEL进行数据分析与作图。

2结果与分析

2.1不同炭化处理对生物炭产率和化学性质的影响

由表1可知，番茄秸秆水热法制备生物炭的产率为30.09%～32.24%，其中T1处理较T2处理提高7.1%。T1与T2处理相比，生物炭pH提高，电导率EC值也提高；灰分含量、有机碳和碳氮比值T1高于T2处理，分别高27.02%、0.80%和8.07%;固定碳和全氮含量T2均高于T1处理，分别高13.00%、5.51%。全磷含量T2显著高于T1处理，高14.77%。挥发分作为纤维素、半纤维素的主要热解产物，在高温炭化下，会释放出大量的气态产物如CO、CO₂、H₂和CH₄等。T2处理生物炭中挥发分含量比T1处理高1.80%，但两者间的差异不显著。

2.2不同炭化处理对生物炭氮素释放量的影响

由图1可知，在释放初期阶段，随着培养时间的延长，2种生物炭氮素释放速率均表现先增大后减小的趋势，T1处理第1 h到第3 h，生物炭的氮素释放速率显著增加；第3 h到第5h氮素释放速率显著下降，且在第3h时生物炭的氮素释放速率最大，为38.49 mg-kg-¹。T2处理生物炭的氮素养分释放速率第1h到第3h时较高，从第3h到第5 h显著下降。T2处理生物炭氮素释放率最大值在第3h，为42.75 mg-kg-¹。

2.3不同炭化处理对生物炭氮素累积释放量的影响

由图2可知，随培养时间的延长，T1、T2处理生物炭的氮素累积释放量均表现为增加的趋势，在前7h氮素释放量分别占整个培养期间总释放量的83.87%和82.26%。到试验结束时，T2处理生物炭的氮素累积释放量比T1处理增加19.83%，且两者间的差异达显著性水平（P<0.05）。

3讨论与结论

生物质水热炭化原料不同，其产物特性也存在显著差异。以往研究表明，联合水热炭化的特点在于所制备的生物炭材料具有高能量和更丰度的表面官能团¹2-13。Lang等¹4-15研究发现，与单猪粪水热炭相比，猪粪/木屑和猪粪/玉米秸秆联合水热炭的碳含量、热值以及能量产率均提高。本研究结果表明，与单番茄秸秆炭化材料相比，番茄秸秆与沼液联合炭化下制备的生物炭材料具有较低灰分含量和较高的固定碳、全氮和全磷含量。与单番茄秸秆炭化材料相比，番茄秸秆与沼液联合炭化下制备的生物炭氮素累积释放量提高了19.83%，这与该生物炭材料含氮量较高相关。从氮素累积释放量的增加速率来看，单番茄秸秆生物炭的氮素释放量增速前期（前5h）加快，比番茄秸秆与沼液联合炭化的生物炭高18.4%，后期氮素释放量增速较低，说明2种生物炭吸附固定氮的形态和能力可能存在一定差异。

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（责任编辑：柯文辉）