从废弃物处理到生物质制造业:基于热裂解的生物质科技与工程

 新近发展的生物质热裂解炭化工程技术在安全处置废弃物的同时,可实现生物质分离、分质和分值化资源综合利用,在低碳、环保、循环处理生物质废弃物上具有突出的比较优势,成为新型绿色工程技术。通过发展和完善适于不同类型废弃物的热裂解炭化工程技术系统,一个以生物质基的新能源、新肥料和新材料为关键产品的新兴生物质产业呼之欲出。基于天然有机质的结构-功能关系、颗粒有机质的团聚体强化作用和生物质炭材料的生态系统工程师效应等3大原理,生物质产业提供了改良土壤、化肥替代和环境治理的新型农业资源,而服务于未来绿色农业发展。中国废弃物生物质产业可达到3亿t生物质炭材料规模,其发展需要新的生物质科技与工程学科的支撑,需要工程技术的研发创新和相关标准制定的推进。     

小型生物质热解气化发电系统研究

以玉米秸秆颗粒为生物质原料,以产气量为20m3／h的热解炉为气化装置,结合10kw的燃气内燃机发电系统及生物质焦油裂解装置,概述了生物质焦油的净化流程,分析了热解温度与生物质热解气成分的关系,得出生物质热解气发电的运行情况．简要总结了生物质炭的利用和小型生物质热解气化发电系统的特点．     

不同热解温度下杨树各组分生物质炭的理化特性分析与评价

【目的】通过对不同热解温度下杨树树叶、树枝、树皮生物质炭和秸秆生物质炭的理化特性及结构进行分析,筛选出更适用于林地土壤改良的农林废弃物种类和热解温度。【方法】以杨树不同组分树叶、树枝、树皮和秸秆等4种农林废弃物为原料,分别在300、500和700 ℃温度下制备生物质炭,测定其产率、pH、全碳、全氮含量、阳离子交换量(CEC)、比表面积和表面官能团等指标。【结果】随着热解温度的升高,4种原料生物质炭的产率逐渐降低,灰分含量和pH升高。同一热解温度下,树枝和树皮生物质炭的全碳含量高于树叶和秸秆生物质炭的,而全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)含量均低于树叶和秸秆生物质炭的。4种生物质炭水溶性盐基离子含量和交换性盐基离子含量均随着热解温度的升高而增加,树叶生物质炭的阳离子交换量总体高于其他3种原料的生物炭。树叶和树皮生物质炭的比表面积和总孔容积总体大于树枝和秸秆生物质炭,树皮和树叶生物质炭在700 ℃时比表面积分别高达597.02和121.01 m²/g。4种原料生物质炭的表面官能团种类基本相同,以芳香骨架为主,表面官能团数量均随着热解温度的升高而减少,芳香化程度增强。【结论】在不同热解温度和原料制备的生物质炭中,树叶和秸秆生物质炭的灰分、pH、N、K和盐基离子含量较高,比较适用于改良酸性土壤,增加土壤养分;而杨树树枝和树皮生物质炭含碳量较高,则适用于土壤固碳,提高土壤有机质含量。其中,500 ℃热解的杨树树叶生物质炭综合性能最好,氮、磷、钾养分耗失最少,阳离子交换能力较强,比表面积大,更适用于土壤改良。     

玉米秸秆生物质炭对废水中苯酚的吸附性能

以农业废弃物玉米秸秆为原料制备生物质炭,研究其对废水中苯酚的吸附性能.结果 表明:玉米秸秆生物质炭吸附苯酚的平衡时间为180 min,随着溶液pH的升高吸附量降低,吸附剂最佳投加量为10 g/L;在最佳吸附条件下,苯酚的吸附去除率达到98.85％,吸附量高达44.25 mg/g;温度对苯酚吸附的影响不明显;玉米秸秆生物质炭对苯酚的吸附可以用准二级动力学方程拟合,吸附平衡符合Langmuir等温方程;玉米秸秆生物质炭吸附苯酚的过程是吸热、自发过程,温度升高有利于吸附.     

不同热解温度下生物质废弃物制备的生物质炭组成及结构特征

以玉米秸秆、 树枝和树叶3种生物质废弃物为原料, 分别采用差热/热重分析(TG/DTG)、 红外光谱(FT IR)、 Boehm滴定及X射线衍射（XRD）方法考察热解温度为350,550,750 ℃时制备的生物质炭结构及组成特征. 结果表明： 玉米秸秆原料的热稳定性最低, 热解过程中质量损失最大, 其次是树枝和树叶; 玉米秸秆原料的XRD谱弥散程度最大, 构成炭的微晶层数相对较少; 不同原料在相同温度制备的生物质炭, 其单位质量含有的表面官能团种类和总量相近, 但pH值差别较大, 其中玉米秸秆制成的生物质炭pH最大; 随着温度的升高, 相同原料制备生物质炭的芳香化程度增加, 表面官能团总量减少, pH值升高, 纤维素和半纤维素特征峰消失, 结构趋于石墨微晶.     

微波裂解温度对菌糠生物炭特性的影响

为了探讨菌糠微波裂解产生的生物质炭作为土壤改良剂的可行性,试验分析不同裂解温度下生物质炭的理化特性,以期探究菌糠生物质炭的理化特征,以及微波裂解温度对它的影响变化规律.结果表明,微波裂解温度对菌糠裂解产物生物质炭的性质具有显著影响,较低裂解生物炭元素组成含量较高,但裂解不完全;而随着裂解温度升高,生物质炭表现出较高的pH值10.43、持水量7.886 m L·g~(-1)和比表面积189.38 m~2·g~(-1).研究对于菌糠生物质炭在土壤改良、固碳减排等方面的应用具有一定的借鉴意义.     

生物质炭改良风沙土对磷的吸附解吸影响

为探究科尔沁沙地土壤改良方法、提升风沙土的土壤质量,以科尔沁沙地南缘辽宁省彰武县境内的风沙土为试验对象进行了田间试验.在试验田内施加3种不同生物质炭,每种炭设置5种不同浓度,均匀地混合至风沙土中.经过燕麦草12周自然生长周期后,采集土壤样品进行室内实验.室内吸附解吸实验主要采用外加磷源法,将磷溶液设置为8种不同浓度.研究风沙土混合不同种生物质炭后对磷素的吸附效果及土壤质量改善效果.研究结果表明,当风沙土中添加1kg/㎡的秸秆炭时,土壤对磷素的吸附解吸效果最好.且将田间需磷肥量降低约10%.说明生物质炭可以改善风沙土土壤质量,且生物质炭类型的不同对改良风沙土效果明显优于生物质炭的添加量.     

试论全生物质农业

 农业发展历史表明,几千年来的农业是以生物质的作物果实和畜禽肉蛋奶为生产对象的,而占生物量60%的作物秸秆和畜禽粪便只是“农业废弃物”。现代生物质转化技术则可以将这些“农业废弃物”以及所有可利用的生物质转化为种类繁多的生物质能源和生物基产品并再获大幅增值。这是对农业新资源的开发和资源的循环利用,是在污染物的无害化和资源化利用中保护环境,并生产种类繁多的绿色产品。因此,农业在从事种植和养殖的同时,应将“非粮生物质”纳入农业生产系统,由“半生物质农业”或“部分生物质农业”发展到“全生物质农业”或“全生物质利用农业”。     

不同生物炭进入土壤后对304不锈钢腐蚀的影响

生物炭在土壤应用过程,不可避免地会对与土壤之间接触的机械设备部分产生腐蚀作用。为探究生物炭应用于农业生产中对机械设备以及金属工具损耗的影响,采用分别在700、400和100℃温度下裂解制备的小麦秸秆生物炭(WB)、水稻秸秆生物炭(RB)和松木生物炭(PB)的生物炭对304不锈钢板材进行腐蚀处理,并测量其极化曲线和电化学阻抗谱和腐蚀表现。结果表明:与空白组(CK)对比,相较于304不锈钢的腐蚀速率,在施入WB的土壤中,腐蚀速率会随着WB裂解温度的增大而增大;而加入RB的土壤会加剧不锈钢的腐蚀,其中在加入400℃RB的土壤中腐蚀速率达到最大;这是因为WB和RB的加入会提升土壤中的Cl~-含量至足以达到点蚀效应的程度加速了不锈钢板材的腐蚀。与此同时,发现100℃制备的PB生物炭可以抑制不锈钢的腐蚀。总而言之,不同生物质和制备温度的生物炭在土壤实际应用中表现出不同的腐蚀和抗腐蚀特性,因此深入研究这些方面将为其农业应用具有深远影响。     

烟类生物质材料对土壤氮磷钾有效性的影响

为废弃的烟杆、烟叶寻求资源化利用途径,为生物炭配合生物质农用提供科学依据,探究了烟杆生物炭配施烟叶生物质的混合材料对土壤氮磷钾养分有效性的影响。在室内恒温条件下开展培养试验,共设4个处理,包括不施生物质材料照(CK)、100%烟杆生物炭(T1)、70%烟杆生物炭+30%烟叶生物质(T2)、30%烟杆生物炭+70%烟叶生物质(T3)。结果表明:添加烟杆生物炭和烟叶生物质混合材料能够显著提高土壤铵态氮和硝态氮含量,T3处理对土壤铵态氮提升幅度最大,增幅为141.09%～161.21%;T2处理对土壤硝态氮提升幅度最大,增幅为207.52%～239.45%;培养期内,CK处理土壤有效磷、缓效钾和速效钾含量均显著低于T1,T2,T3处理,T1处理均显著高于T2,T3处理,培养结束后T1处理相较于对照土壤有效磷、缓效钾、速效钾增幅分别为257.76%～283.67%,209.30%～216.67%,450.00%～472.00%。添加烟杆生物炭和烟叶生物质混合材料可显著提高土壤有效氮磷钾素含量,不同配比效果不同,需根据生产实际选择适宜配比。     

中国农作物秸秆资源量及其“五料化”利用现状

 农作物秸秆是十分宝贵的生物资源,资源丰富,秸秆"用则利,弃则害"。秸秆的高效综合利用能有效解决秸秆利用率低、转化率低、经济效益低、环境污染严重这"三低一重"的问题,对中国现代农业的可持续发展起重要的作用。本文分析了中国农作物秸秆资源数量及分布,介绍了秸秆资源综合利用技术的最新进展,包括肥料化、燃料化、饲料化、原料化和基料化（"五料化"）这些重点领域的应用。集约、循环、高效、充分利用秸秆资源是保护生态环境、节约可再生资源的需要,也是促进中国农业和农村社会经济实现可持续发展的必然要求。     

生物炭对土壤微生物特性影响的研究进展

生物炭是在低氧条件下生物质经过热裂解得到的含碳丰富的产品,可提高土壤酸碱度,具有保水保肥及改善土壤微生物特性等功能。综述了生物炭对土壤微生物生物量、微生物群落结构及土壤酶活性的影响,多数研究表明:生物炭的碱性性质及多孔性质提供了适宜微生物生长的微环境,从而增加了土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮等的含量; 生物炭含有的营养物质及多孔性质,促进了土壤中细菌及某些功能菌的生长,但同时生物炭中含有的重金属及多环芳烃等有毒物质对细菌生长存在抑制作用; 相比于土壤细菌,生物炭碳氮比(C/N)高、含大量难降解碳化合物,则有利于土壤真菌生长,并且生物炭具有的较大孔隙度,为真菌菌丝提供了附着位点; 生物炭对微生物的促进作用间接提高了土壤中脱氢酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶等土壤酶活性。因此,未来应进一步探索生物炭与土壤微生物之间的相互作用机理,深入了解生物炭的土壤改良作用,深化对土壤微生物多样性的认识。     

木醋液的制备及其应用研究进展

木醋液是以木材或稻壳、椰壳、秸秆等生物质为原料经热解得到的一种酸性混合物。它来源广泛、成本低、无污染,现已主要作为土壤改良剂、植物生长调节剂、食品保鲜剂、饮料添加剂、饲料添加剂、环保型融雪剂、杀菌剂、抗菌消炎剂等,广泛应用在农林生产、环境保护、食品加工、畜牧业生产和医疗卫生等领域。阐述了静置法、蒸馏法等几种木醋液的制备方法,重点介绍了木醋液在农林业、畜牧业、环境、食品、医疗卫生等方面的应用研究进展,为木醋液的进一步开发和利用提供参考。     

作物秸杆还田对土壤养分含量的影响

农业生产中大量使用化肥等造成利用率降低、环境污染严重。农作物秸秆中含有大量氮、磷、钾及其他微量元素。秸秆还田可以提高土壤有机质、改善土壤结构、增加土壤肥力，但不同作物品种不同产量水平条件下秸秆还田对土壤肥力产生的作用有所不同。通过两年试验得出棉花、小麦、玉米不同产量水平条件下的经济系数、秸杆还田量、秸杆养分还田量及秸杆还田后土壤养分含量的变化情况，为精准施肥、培肥地力提供理论依据。     

沼液与生物炭联合施用对杨树人工林土壤甲螨密度的影响

沼液作为一种有机肥，富含多种营养元素及氨基酸、腐殖酸、吲哚乙酸等物质，能有效提高土壤肥力，减少化肥投入。生物炭是生物质经高温裂解产生的化学性质稳定的高度芳香化富碳固体物质，能缓释沼液的养分。采用沼液与生物炭混施杨树人工林，探讨土壤动物优势类群甲螨（oribatida）个体密度的响应，为进一步深入了解土壤动物及其生态过程，以及人工林的科学经营提供参考。     

重金属镉胁迫下秸秆还田对水稻光合特性的影响

通过模拟重金属污染并在土壤中施用油菜、小麦秸秆,研究不同秸秆处理对水稻在重金属胁迫下的生长及光合特性影响。结果表明:油菜和小麦秸秆处理均显著提高了水稻的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率;小麦秸秆处理显著提高了水稻的生物量;油菜秸秆处理对地上部和地下部的淀粉及可溶性总糖含量均无显著影响,但小麦秸秆处理显著提高了地上部的淀粉和可溶性总糖含量,降低了地下部的可溶性总糖含量。因此,秸秆施用有利于提高水稻对重金属的抗性,不同秸秆效果不同。     

油菜秸秆腐解进程及碳氮释放规律研究

为推进农村作物秸秆的资源化利用,减少秸秆焚烧对环境的影响,培养与提高土壤肥力,采用尼龙网袋法设置了油菜秸秆归还到水稻田的田间试验,研究了油菜秸秆的腐解进程及碳氮元素释放情况。结果表明,油菜秸秆的腐解率、碳、氮释放率均随时间延长而逐渐增大,秸秆的碳氮比总体呈现波动下降趋势;秸秆还田量与腐解率呈反相关关系,表现为全量还田〈2／3量还田〈1／2量还田〈1／3量还田;油菜秸秆还田深度在10cm时腐解最慢,在表层腐解最快,20cm深时腐解速度居中。该研究对调控还田秸秆腐解速度,利用秸秆释放养分培肥地力具有重要的意义。