农业有机废弃物的再利用Recycling of agricultural organic wastes摘要：我国农田秸秆和生活垃圾等农业和农村有机废弃物面广量大, 其资源化处理一直没有得到根本性解决，而生物质炭作为一种多功能性材料正逐步受到人们的广泛关注，因此开发高效低耗有机废弃物生物质碳工程转化产业化技术, 以新型碳质产品就近回田回村实现农业循环,而服务于农业生产和农村生活, 可能是农业和农村有机废弃物循环利用并促进农业固碳减排的最佳解决方案。
本文中，首先介绍了农业有机废弃物的种类，继而介绍了生物炭的主要物理化学性质如元素组成、碱度、孔隙结构和化学性质，并综述了以农业有机废弃物为原料制备生物质炭，给出了制备生物炭的新型研究工艺。
然后对生物炭在农业和环境领域中的应用做了相应介绍，例如用作生产有机肥料、生产能源、生产饲料等。
最后对生物炭的前景做出了展望。
关键词：农业有机废弃物；生物炭；资源化Abstract: Our farmland straw and garbage and other organic wastes in agriculture and rural wide range of large, its resources have not been processed.Have been fundamentally resolved, and biochar as a multifunctional material is gradually drawn wide attention, so the development of efficient low carbon organic waste biomass conversion technology industry engineering to new product near carbonaceous back field back to the village to achieve the agricultural cycle, and to serve agricultural production and rural life, it could be agriculture and rural organic waste recycling and promote the best solutions agricultural carbon sequestration and emission reduction. In this paper, first introduced the kind of agricultural organic waste, which in turn introduces biochar main physical and chemical properties such as elemental composition, alkalinity, surface characteristics and pore structure, and reviewed agricultural organic wastes as raw material biomass charcoal , gives the main process for preparing biochar. Then biochar application in the field of agriculture and the environment made the corresponding presentation, such as a soil conditioner to improve soil fertility and increase carbon sequestration and reduce greenhouse gas emissions, at the same time as an efficient adsorbent in place of heavy metals and organic pollutants in sewage and the like. Finally, the prospect of biochar made outlook.Keywords: agricultural organic waste; biochar; resources引言20世纪90年代以来, 随着经济和社会的高速发展，农村生活方式随之发生了巨大的改变, 农业和农村废弃物处理压力日益增大, 国家花费大量人力和物力开发废弃物处理技术, 并出台了垃圾分类收集、焚烧处理政策和产业支持。
而农业上, 国家大力支持农田有机质提升计划, 出台政策并提供财政支持有机肥生产, 在城市和新农村发展中都把废弃物减废处理作为地方社会发展的规划大事。
而且，农业和农村废弃物是农业温室气体排放的主要源，2009年哥本哈根联合国气候变化大会以来, 我国政府十分关注和支持农业减排。
因此, 如何实现农业和农村废弃物处理的减废减排和资源化循环利用的统一, 是我国农业和废弃物资源化研究和技术发展面临的战略挑战[1]。
近年来,世界各国每年会产生数量庞大的资源性农业废弃物。
西欧在1998-2001年共产生7亿吨资源性农业废弃物。
法国在1995-2006年每年的资源性农业废弃物增量约3.65亿吨。
德国2000年资源性农业废弃物超过了1.75亿吨。
中国近年来每年产生的农作物秸秆7亿吨,蔬菜废弃物1亿吨(孙振钧等,2004),每年产生畜禽粪便约为17.3x108t,预计到2020年中国每年将会产生畜禽粪便42.44亿t。
据专家预测,随着生产的发展和人口的进一步增加,农业废弃物会以年均5%~10%的速度递增。
农业废弃物中大部分是在目前的技术、资金和劳动力等允许的条件下,能够在农业或农产品加工业的副产品中作为原材料被再生利用的资源性农业废弃物[2]。
因此,农业废弃物是一座巨大的资源库。
1 农业有机废弃物及其分类1.1 农业有机物废弃物概述农业废弃物(agricultural residue)是指人类在组织农业生产过程中所丢弃的有机类物质的总称[3]。
农业机废弃物数量巨大且分布广泛，污染危害大，但同时又具有可资源化利用的特点，是一种宝贵的生物质资源。
生物质能源化利用的主要方式有直接燃烧（包括通过省柴灶、节能炕、节能炉燃烧及直燃发电）、固体成型燃料技术、气化（包括生物质燃气、沼气）和液化（包括燃料乙醇和生物柴油）等，可为生活和工业提供清洁能源。
农作物秸秆除可能源化利用外，还含有氮、磷、钾等丰富的矿物质养分，这些营养物质将有效提高土壤的养分含量，改善生产条件从而提高农产品的质量和产量。
畜禽粪便除了可作为农作物有机肥以外，还可通过厌氧发酵产生沼气作为能源化利用[4]。
1.2 农业有机物废弃的分类农业有机废弃物按其来源不同可分为下述几种类型:(1)植物性废弃物,主要是指农作物秸秆、林木枝条、杂草、落叶、果实外壳等,我国每年有10亿吨左右的种植业废弃物;(2)动物性废弃物,主要是指畜禽粪便,我国每年产生畜禽粪便 27 亿吨;(3)农副产品加工产生的废弃物,如果渣、土豆渣、屠宰污血等;(4)农村居民生活废弃物,包括人粪尿及生活垃圾[3]。
2.生物炭及其物理化学性质2.1 生物炭概述生物炭，又称生物质炭( biomass-derived black carbon 或biochar) ，是秸秆、木屑、动物粪便等生物质在完全或部分缺氧和相对低温( ＜700℃) 的条件下，热解炭化产生的一种含碳量丰富、性质稳定的物质[5]。
目前我国每年产生大量的废弃生物质资源，如农业秸秆、林业生产和木材加工业废弃物、家禽家畜粪便、居民有机生活垃圾等。
其中，以农业秸秆为例，每年大约生产秸秆约7 亿t，而其中高达50%的秸秆被露天焚烧或者遗弃，可见其资源化利用水平偏低，同时不当的处理方式，更容易引起二次环境污染。
因此，利用废弃生物质资源制备生物炭以及其在土壤中的应用，不仅能够提高资源化利用程度，而且在很大程度上能够缓解温室效应所带来的压力[6]。
2.2 生物炭的理化性质2.2.1 生物炭的元素组成生物质炭中含有大量植物所需的营养元素，除C含量较高外，N、P、K、Ca和Mg的含量也较高[7]，C和N的含量由于燃烧和挥发的原因随温度的升高而降低，而K、Ca、Mg和P 的含量随温度的升高而增加[8]。
2.2.2 生物质炭的碱性生物质炭含有一定量的碱性物质，一般呈碱性[7]。
由于植物生长过程对养分的吸收使得植物体内含有一定量的Ca2+、Mg2+和K+等金属阳离子，为保持体内电荷平衡，植物在生长过程中会在体内积累一定量的碱基(有机阴离子)，在热解过程中，这些碱基被浓缩，使生物质炭呈碱性[9]。
因此生物质炭可以用作酸性土壤的改良剂来中和土壤酸度，提高土壤的pH 值[10]。
2.2.3 生物质炭的孔隙结构生物质炭的孔隙度决定了生物质炭表面积的大小。
按生物质炭孔径的大小可将其孔隙分为小孔隙(<0.9 nm)、微孔隙(<2 nm)和大孔隙(>50 nm)[11]。
大孔隙可以影响土壤的通气性和保水能力，同时也为微生物提供了生存和繁殖的场所；小孔隙可以影响生物质炭对分子的吸附和转移。
用污水处理厂脱水污泥制备的生物质炭，在300～900℃温度范围内生物质炭的孔隙结构随制备温度升高而增强[12]。
用玉米秸秆制备的生物质炭的孔隙度也随制备温度的升高而增加，在900℃时炭的微孔隙和小孔隙的数量达最大值，然后随制备温度的进一步升高而下降[13]。
生物质炭的孔隙度对生物质炭保持养分离子的能力有很重要的作用[14]，生物质炭对养分的保持能力是通过对水分的保持实现的。
生物质炭的孔隙结构能减小水分的渗滤速度，增强土壤对溶液中移动性很强和容易淋失养分元素的吸附能力，如高pH条件下的N03-和低pH值条件下的盐基阳离子。
低温条件下制备的生物质炭，由于低温热解过程中产生的易挥发性的有机物在生物质炭表面的重新凝聚堵塞了生物质炭的毛孔，降低了生物质炭的吸附能力[15]。
生物质炭的孔隙结构可以为菌根和细菌这些有益的微生物提供生存和繁殖的场所一引，微生物的基础呼吸作用、微生物生物量、微生物数量的增长和微生物的功能均随木炭施入水平(50、100和150 g·kg-1)的增加呈线性增加[16]。
2.2.4 生物质炭的化学性质生物质炭是一种含碳的聚合物，分析表明生物质炭表面含有丰富的-COOH、-COH和-OH 等含氧官能团[17]。
这些含氧官能团使得生物质炭表面呈现出亲水、疏水和对酸碱的缓冲能力，这些性质决定了生物质炭在土壤中的功用。