園林綠化廢棄物生物質(zhì)炭化與應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展

　　摘要：園林綠化廢棄物的高效、經(jīng)濟(jì)、資源化循環(huán)利用是現(xiàn)代城市發(fā)展的重要內(nèi)容之一。生物質(zhì)炭化是有機(jī)廢棄物低溫?zé)崃呀廪D(zhuǎn)化成生物炭的過(guò)程。在大力倡導(dǎo)發(fā)展低碳園林的今天，園林綠化廢棄物生物質(zhì)炭化技術(shù)是適應(yīng)我國(guó)新時(shí)期低碳、循環(huán)和可持續(xù)城市園林綠化發(fā)展需求最有效的技術(shù)手段之一。介紹了以園林綠化廢棄物為原料制備的生物炭性質(zhì)特征、主要制備工藝以及國(guó)內(nèi)外園林綠化廢棄物炭化與資源化循環(huán)利用技術(shù)的研究與實(shí)踐，建議加快園林綠化廢棄物就地炭化處理及其在園林綠化養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，為我國(guó)節(jié)約型、低碳園林和低碳城市的規(guī)劃建設(shè)提供實(shí)施依據(jù)。

　　園林綠化由于在改善城市環(huán)境質(zhì)量、緩解城市熱島效應(yīng)，維持城市生態(tài)平衡方面的特殊作用而受到人們的重視。2012年3月全國(guó)綠化委員會(huì)辦公室發(fā)布的《2011年中國(guó)國(guó)土綠化狀況公報(bào)》顯示，截至2011年底，全國(guó)城市建成區(qū)綠化覆蓋面積161.2萬(wàn)hm2，綠化覆蓋率、綠地率已分別達(dá)到38.62%和34.47%[1]。

　　隨之而來(lái)的園林綠化廢棄物如枯枝落葉、樹(shù)枝、草坪修剪物、雜草和殘花等量越來(lái)越大，園林綠化廢棄物已成為繼城市生活垃圾后又一大城市廢棄物。傳統(tǒng)的園林綠化廢棄物的處置方法包括填埋、焚燒和生產(chǎn)沼氣等，但對(duì)于營(yíng)養(yǎng)成分較高的園林綠化廢棄物這一類特殊物質(zhì)而言，這些簡(jiǎn)單處理方法意味著可供植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素的大量浪費(fèi)，且處理效率低，處理成本高，還可能造成二次污染。

　　近年來(lái)，作為低碳城市建設(shè)的重要內(nèi)容，低碳園林開(kāi)始受到城市管理者和規(guī)劃人員的重視，但目前低碳園林僅處于概念層面，缺乏具體的實(shí)施途徑[5]。生物炭(Biochar)的發(fā)現(xiàn)為園林廢棄物的可持續(xù)綜合利用、建設(shè)低碳園林提供了新的技術(shù)途徑。Nature等國(guó)際頂級(jí)刊物連續(xù)發(fā)表文章，指出生物炭在固碳減排、土壤改良和環(huán)境污染治理中的潛在應(yīng)用前景。從Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)際上所有發(fā)表的與生物炭相關(guān)的SCI論文中，2010和2011年發(fā)表的論文占77.58%，可見(jiàn)，生物炭研究已經(jīng)成為當(dāng)前最具吸引力的研究方向之一，并呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。

　　生物炭在改善土壤肥力并提高作物產(chǎn)量，以及降低環(huán)境中重金屬和有機(jī)污染方面有巨大的潛力。它和與其性質(zhì)相似的活性炭相比，成本較低，易被大眾接受；與其他增產(chǎn)增肥措施相比，具有效果好、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。將園林植物廢棄物炭化，不僅有利于實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化綜合利用，而且，對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候與環(huán)境變化、固碳減排、保障能源安全和糧食安全都具有重要意義和廣闊的發(fā)展前景。本文對(duì)以園林綠化廢棄物為原料制備的生物炭性質(zhì)特征、主要制備工藝及其炭化與資源化循環(huán)利用技術(shù)的研究與實(shí)踐進(jìn)行了綜述，以期為我國(guó)節(jié)約型、低碳園林和低碳城市的規(guī)劃建設(shè)提供實(shí)施依據(jù)。

　　1生物炭的性質(zhì)特征

　　早在19世紀(jì)，生活在亞馬遜河流域的人們就發(fā)現(xiàn)了一種特殊的“黑土壤(Terra Preta)”，并開(kāi)始在農(nóng)業(yè)上使用，當(dāng)?shù)厝藢⑵浞Q為“印第安人黑土”。這種土壤含有豐富的生物炭及其他有機(jī)物質(zhì)，具有很強(qiáng)的恢復(fù)土壤生產(chǎn)力的能力。亞馬遜黑土的發(fā)現(xiàn)，揭開(kāi)了人們對(duì)生物質(zhì)炭研究的序幕。

　　到目前為止，生物炭還沒(méi)有十分確切的定義，但從廣義上可以認(rèn)為其是黑炭的一種，通常是指生物低溫?zé)峤馓炕蟮墓腆w產(chǎn)物，其核心是生物廢棄物在低溫(＜700℃)和無(wú)氧或微氧條件下，熱解轉(zhuǎn)化后形成的一種有機(jī)碳含量高、吸附能力強(qiáng)、多孔性和多用途的功能化環(huán)保材料。Lehmann等(2009)將生物炭特指為改良土壤性狀而人為施入的炭化有機(jī)物[6]。

　　生物炭制備原料來(lái)源廣泛，就園林綠化廢棄物而言，用樹(shù)葉、樹(shù)枝和草坪剪落物制備生物炭均有研究報(bào)道[4]。對(duì)生物炭化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，它們主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，除了含有C、H、O、N等元素外，還含有P、S、K、Ca、Mg等植物營(yíng)養(yǎng)元素，其中C的含量最高，能達(dá)到38%~76%。生物炭可溶性極低，具有高度羧酸酯化和芳香化結(jié)構(gòu)，擁有較大的孔隙度和比表面積。這些基本性質(zhì)使其具備了吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力強(qiáng)的特性，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)、工業(yè)、能源、環(huán)境等領(lǐng)域。研究表明，生物炭的元素組成及其含量與所用的生物質(zhì)種類和裂解溫度有關(guān)，其中，草本植物中礦物質(zhì)含量大于木本植物。表1列出了幾種園林植物生物炭中主要元素和礦物質(zhì)含量。

　　2生物炭的制備方法和制備技術(shù)

　　生物炭制備方式主要分為集中、分散和流通式3種：1)集中式是指某一地區(qū)的所有生物質(zhì)廢料都被送到中央處理廠進(jìn)行集中處理，目前美國(guó)和加拿大的公司普遍采用這種方式；2)分散式是指每個(gè)農(nóng)戶或小型農(nóng)戶聯(lián)合體擁有屬于自己的技術(shù)含量相對(duì)較低的高溫分解爐；3)流通式是指一輛裝有高溫分解設(shè)備的合成氣動(dòng)力車走鄉(xiāng)串戶，將制好的生物炭給農(nóng)戶使用，在我國(guó)這種方法可能更為可行。

　　生物炭的產(chǎn)生是基于熱裂解技術(shù)形成的，所謂生物質(zhì)熱裂解(又稱熱解或裂解)是指在隔絕空氣或通入少量空氣的條件下，利用熱能切斷物質(zhì)大分子中的化學(xué)鍵，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿游镔|(zhì)的過(guò)程，熱解過(guò)程經(jīng)常采用限氧升溫炭化法。根據(jù)反應(yīng)條件，熱裂解可以分為快速、中速和慢速裂解3種，反應(yīng)所需要的能量由4種不同的途徑提供：1)由反應(yīng)自身放熱提供；2)通過(guò)直接燃燒反應(yīng)副產(chǎn)物或基質(zhì)提供；3)燃?xì)馊紵訜岱磻?yīng)器間接提供；4)由其他含熱物質(zhì)間接提供[6]。目前國(guó)內(nèi)外生物炭的制備技術(shù)主要包括批式(Batch process)和連續(xù)式(Continuousprocesses)2種。批式制備是一種傳統(tǒng)的制炭方法，一般將土覆蓋在點(diǎn)燃的生物質(zhì)上，使之長(zhǎng)時(shí)間無(wú)焰燃燒。或者以“窯”的形式將生物炭加溫，在缺氧環(huán)境條件下燃燒。

　　這些方式設(shè)備一般比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，并且成本低，但產(chǎn)率不高，且無(wú)熱量回收并會(huì)產(chǎn)生新的污染。隨著生物炭應(yīng)用與需求的不斷擴(kuò)大，用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)生物炭已不切實(shí)際?，F(xiàn)代制備生物炭常用連續(xù)制備，具有產(chǎn)率更高、原料更靈活、副產(chǎn)物的能量可回收用于反應(yīng)本身、操作更簡(jiǎn)單、產(chǎn)物更清潔、可連續(xù)生產(chǎn)等特點(diǎn)，是未來(lái)生物炭生產(chǎn)的主流方式。2種方式的主要對(duì)比特點(diǎn)見(jiàn)表2。

　　3園林綠化管理中生物炭的應(yīng)用

　　應(yīng)用生物炭的最初目的是為了將空氣中更多的碳轉(zhuǎn)入地下，從而降低空氣中二氧化碳的濃度，達(dá)到溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，減緩地球變暖，但在試驗(yàn)的同時(shí)發(fā)現(xiàn)生物炭在改良土壤、促進(jìn)植物生長(zhǎng)方面具有明顯的促進(jìn)作用[9]。研究表明，生物炭能夠提高土壤有機(jī)碳含量，改善土壤保水、保肥性能，減少養(yǎng)分損失，是良好的土壤改良劑。在促進(jìn)植物生長(zhǎng)方面，土壤添加生物炭后，CEC會(huì)增加，植物生長(zhǎng)所需的K、Mg、Ca、Mo、B和Mn等主要陽(yáng)離子和P的可給態(tài)會(huì)顯著增加，同時(shí)，生物炭自身也會(huì)帶入一些可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分及微量元素。

　　日本神奈川縣相模湖町的私有林地栽植杉松時(shí)，每株穴內(nèi)放置1kg炭粉，以后逐年與對(duì)照地作樹(shù)木生長(zhǎng)量的對(duì)比，最初幾年沒(méi)有明顯區(qū)別，漸漸長(zhǎng)勢(shì)差距明顯，至第8年施炭杉松平均樹(shù)高8m，較對(duì)照樹(shù)整整高出2m。為草坪施加炭粉，可早發(fā)2~3周，草綠色濃，扎根深，綠色期延長(zhǎng)大約1個(gè)月左右。在高爾夫球場(chǎng)加生物炭墊層，除具有上述作用以外，可以對(duì)所投入的殺蟲(chóng)劑、殺菌劑起到緩釋及防止雨后形成徑流污染等作用。花木在移栽過(guò)程中，使用生物炭與有機(jī)肥的充分混合做底肥或在配制營(yíng)養(yǎng)土?xí)r摻入5%~20%的生物碳，能夠增加有機(jī)肥的可吸收性，促進(jìn)愈傷組織的生長(zhǎng)，提高花木移栽的成活率。育苗移栽發(fā)根多、生長(zhǎng)快、成活率高。對(duì)容易產(chǎn)生傷流的花木，如葡萄、無(wú)花果等，在修剪或換盆后，可用新鮮生物炭涂抹在傷口處，控制傷流，促進(jìn)傷口愈合[10]。

　　除此之外，生物炭施用還會(huì)引起土壤容重降低，孔隙度增加，生物炭的多孔結(jié)構(gòu)、持水能力以及留存的礦物元素使其成為土壤微生物的良好棲息環(huán)境，為土壤有益微生物特別是菌根真菌提供保護(hù)。在日本，生物炭基肥料經(jīng)常用于園林植物苗圃來(lái)達(dá)到改良土壤，保護(hù)接種菌根真菌的目的。Ogawa(2010)報(bào)道，采用溝施(30cm)方法，將樹(shù)皮生物炭施于黑松(Pinusthunbergii)幼林土壤中，發(fā)現(xiàn)3個(gè)月后，新根從生物炭中長(zhǎng)出，通過(guò)配施少量磷肥，9個(gè)月以后，大量蘑菇長(zhǎng)出，1年以后，松樹(shù)根以及生物炭中的紅菌根真菌(Rhizopogonrubescens)數(shù)量顯著增加，發(fā)芽數(shù)量和針葉顏色得到顯著改善。目前，在國(guó)外專業(yè)綠化中已經(jīng)廣泛采用生物炭對(duì)名勝古跡、公園等的古樹(shù)名木進(jìn)行復(fù)壯[11]。

　　4生物炭對(duì)污染環(huán)境的治理作用

　　許多研究表明，生物炭是一種低成本的高效吸附劑，非常適合于污染環(huán)境的治理。在污染土壤治理中，丁文川等(2011)將不同溫度下熱解的松木條生物炭用于修復(fù)重金屬Pb和Cd污染土壤，結(jié)果表明，生物炭加入具有鈍化土壤重金屬，降低其生物有效性的作用[12]。生物炭可有效抑制園林綠化廢棄物堆腐過(guò)程中惡臭氣體的釋放，同時(shí)也可改善微生物的生長(zhǎng)代謝環(huán)境，提高園林綠化廢棄物堆腐產(chǎn)品的腐熟質(zhì)量[13]。

　　Chen等(2009)發(fā)現(xiàn)松樹(shù)枝生成的生物質(zhì)炭可以有效去除污染水體中的萘、硝基苯以及間二硝基苯等環(huán)境污染物[14]。Shang等(2012)發(fā)現(xiàn)香樟樹(shù)枝制成的生物炭可以有效去除惡臭氣體中的硫化氫[15]。Azargohar等(2011)用白木制備的生物炭對(duì)H2S惡臭氣體的脫除進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這種生物炭對(duì)H2S的脫除效果比普通的純活性炭好[16]。邢英等(2011)采用桉樹(shù)廢木屑為原料，過(guò)2mm篩，于500℃下炭化1h后，以生物炭作為吸附劑，通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，研究了生物炭對(duì)水體中銨氮的吸附特性，最大吸附量為1.24mg/kg[17]?？傊?，生物炭的低成本、多孔性、環(huán)境高穩(wěn)定性和巨大的比表面積以及富含的活性基團(tuán)等使得生物炭對(duì)環(huán)境污染物具有強(qiáng)烈吸附作用。實(shí)際上，生物炭是活性炭的前驅(qū)體，而活性炭已被證實(shí)是一種優(yōu)良的載體材料，相比而言，生物炭未經(jīng)活化過(guò)程，避免了對(duì)環(huán)境二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，其制備成本也大大降低[12]。

　　5結(jié)語(yǔ)與展望

　　利用園林綠化廢棄物生產(chǎn)生物炭，具有負(fù)碳減排、改良土壤和環(huán)境治理等優(yōu)點(diǎn)，是適應(yīng)我國(guó)新時(shí)期低碳、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展需求的技術(shù)手段。如果還一直沿用填埋、堆放、焚燒等傳統(tǒng)處理方式，必然給城市環(huán)衛(wèi)部門帶來(lái)很大的處理壓力，并會(huì)造成環(huán)境污染(事實(shí)上由于城市垃圾填埋場(chǎng)稀缺，目前很多填埋場(chǎng)已拒絕接收綠化廢棄物)。至于堆肥處理，由于要增加場(chǎng)地、人工、設(shè)備等方面的成本，加之，政策、資金和技術(shù)等方面原因，園林廢棄物的統(tǒng)一收集、處理和土地利用在我國(guó)全面實(shí)施還有一定的難度，因而極大制約基層部門將綠化廢棄物堆肥處理的積極性。

　　相比而言，生物炭擁有低成本、多功能性等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注，特別是一些小型化、低成本、可分散炭化爐和簡(jiǎn)單實(shí)用的炭制備工藝的研究開(kāi)發(fā)，徹底解決了大規(guī)模集中化處理中難于克服的原料儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題，使數(shù)量龐大、分散、不易儲(chǔ)運(yùn)的園林綠化廢棄物就地炭化、加工成為可能，為園林綠化廢棄物就地循環(huán)利用提供了行之有效的新途徑。

　　目前國(guó)外有數(shù)百個(gè)大專院校、公司和企業(yè)開(kāi)展生物質(zhì)熱裂解轉(zhuǎn)化生物炭的研究、小試及中試，有些單位具有中試車間、示范廠。個(gè)別單位擁有生物炭移動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備，如美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)，加拿大西安大略大學(xué)等。除此之外，全球有關(guān)生物炭的國(guó)際組織、地區(qū)組織、協(xié)會(huì)及學(xué)會(huì)、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)網(wǎng)站已逾千家，這為生物炭的知識(shí)傳播和研究交流提供了很好的平臺(tái)，推動(dòng)了全球生物炭的研究、生產(chǎn)與推廣。

　　近年來(lái)，在我國(guó)已有不少研究機(jī)構(gòu)對(duì)園林綠化廢棄物炭化與資源化利用技術(shù)進(jìn)行了一些研究，但就總體情況看，仍處于起步階段。鑒于園林綠化廢棄物種類與含水量、綠化土壤類型、生物質(zhì)熱解溫度、生物炭化學(xué)成分及其施用量等因素都可能影響生物炭的土壤環(huán)境生態(tài)效應(yīng)，對(duì)這些因素進(jìn)行系統(tǒng)研究，有利于全面評(píng)價(jià)用園林綠化廢棄物制備的生物炭對(duì)綠化土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響與作用，為應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

　　因此，建議園林綠化主管部門和政府應(yīng)盡快立項(xiàng)支持園林綠化廢棄物生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)研究，特別是加快園林綠化廢棄物就地炭化處理及其在園林綠化養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并作為低碳事業(yè)予以引導(dǎo)和扶持，為全面落實(shí)建設(shè)部《關(guān)于建設(shè)節(jié)約型城市園林綠化的意見(jiàn)》，促進(jìn)我國(guó)園林綠化可持續(xù)發(fā)展和城市建設(shè)，參與固碳減排核心技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)提供支撐。

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