利用生物炭吸附沼液觀察其對小油菜種植的應用研究

宋楚雯， 汪誠文， 伍金偉

(清華大學 環境學院， 北京 100084)

?

利用生物炭吸附沼液觀察其對小油菜種植的應用研究

宋楚雯， 汪誠文， 伍金偉

(清華大學 環境學院， 北京 100084)

對豬糞沼液的肥效分析顯示，豬糞沼液中富含氮元素，其中氨氮濃度為3727 mg·L-1，總氮為4660 mg·L-1。文章主要利用秸稈所制成的生物炭對豬糞沼液進行吸附，觀察其對沼液中氨氮及總氮吸附效果，研究使用對沼液吸附后的生物炭及直接澆灌沼液對小油菜生長及品質的影響。結果顯示，利用吸附后的生物炭種植小油菜比直接使用沼液澆灌或直接使用生物炭的效果好，使用吸附后的生物炭的作物收成比直接澆灌沼液多10%。

生物炭；沼液；吸附；氮；種植

1 背景

沼液是由禽畜糞便、秸稈等有機物經過厭氧發酵所產生的殘余液體，此種殘余液體中含有豐富的氮[1-2]。隨著沼氣工程的發展，作為副產物的沼液也隨之富余起來[3]，因此隨手可得的沼液因為價格的低廉，被廣泛用作種植作物的肥料[4]。沼液是一種有機肥料，不但降低了對環境的影響，更有研究表示，利用沼液灌溉可使種植的蔬果提高產率[5]。然而液態的沼液容易隨著澆灌的水流失到附近水體中，導致水體環境富營養化[6]。此研究主要用生物炭吸附沼液中的氮作為肥料，與沼液及生物炭作對比，觀察三種材質的肥料對小油菜生長的影響。

2 材料與方法

2.1 原料的選擇與特性

2.1.1 沼液樣品來源與特性分析

實驗中所使用的沼液是來自北京市平谷區大華山鎮李家峪村有一個大型養豬場，主要是由豬糞作為原料厭氧發酵生成的沼液。經過實驗分析，沼液中含有豐富的氮、磷、鉀以及其它礦物質(見表1)，表2為測試方法與儀器。

表1 沼液元素分析 (mg·L-1)

表2 沼液檢測指標與方法 (mg·L-1)

2.1.2 生物炭的制備

實驗使用生物炭是利用水稻秸稈經過低溫缺氧條件熱解炭化制成。首先，將所購買水稻秸稈置于105℃的環境下烘8 h，以降低秸稈中的含水量。烘干后的秸稈裝進密封鐵盒中，確保熱解過程的缺氧的條件得以滿足，將鐵盒放入馬弗爐中，熱解條件為400℃，2 h。最后，把鐵盒取出，室溫冷卻后將所制成生物炭破碎，待用。

2.2 吸附性能實驗設計

用1 g生物炭裝入三角錐瓶中，倒入100 mL稀釋10倍的沼液置于磁力攪拌器上，攪拌速率為250 r·min-1，分別于0.5 h，1 h，3 h，6 h，10 h，12 h，18 h和24 h取出，用0.45μm的濾膜過濾，檢測濾液氨氮及總氮濃度，擬合吸附動力學。類似的，在三角錐瓶中放入100 mL不同稀釋倍數的沼液，反應24 h，將所得到數據擬合吸附等溫線。

2.3 種植實驗的設計

制備大量生物炭，并放入中型反應器中進行吸附反應，24 h后，用濾網使生物炭與沼液分離。經過吸附的生物炭于室內晾曬兩天，備好種植所需生物炭。把三畦種植地劃分成4區，每區1 m×2 m。其中，A區為空白(對照組)，不使用任何肥料；B區為直接使用沼液灌溉的區域，澆灌2 L，80 mg·L-1的沼液；C區為生物炭區，放入100 g未吸附生物炭；D區置放50 g已吸附生物炭作為肥源。每個區域可種植80株小油菜，每周記錄每個區域至少30株小油菜的株高、葉片數，并于收成時記錄每株小油菜的重量，并抽取每區3株送去檢測植物含全氮率。

3 結果與討論

3.1 生物炭-沼液吸附動力學

目前，通常以準一級吸附動力學及準二級吸附動力學模型擬合生物炭的吸附動力學。

準一級吸附動力學方程為：

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

準二級吸附動力學方程為：

式中，qe為吸附平衡吸附量，mg·g-1；qt為t時刻吸附量，mg·g-1；t為吸附時間，h；k1為準一級吸附速率常數，h-1；k2為準二級吸附速率常數，g·mg-1h-1。

表3分別列出了水稻秸稈所制備的生物炭對沼液中氨氮及總氮的吸附動力學參數，由表3中的數據可以分析出，準二級吸附動力學模型更好的描述了此項吸附實驗，所以k2的吸附速率更為符合。其中，可以得出水稻秸稈生物炭的理論平衡吸附量介于113mg·g-1與190mg·g-1之間。

3.2 生物炭-沼液吸附等溫線

日前，常用以模擬吸附等溫線的模型為Freundlich等溫線以及Langmiur等溫線。

表3 水稻秸稈生物炭吸附沼液中氨氮及總氮動力學參數

Langmiur等溫線：

式中，q為平衡吸附量，mg·g-1；c為吸附平衡時溶液中目標物的濃度，mg·L-1；qe為飽和吸附量，mg·g-1；b為表征吸附劑與吸附質之間親和力的一個參數，L·mg-1；b越大，吸附親和力越大。

Freundlich等溫線：

q=kcn

從表4中的參數可以得知，生物炭對沼液中氨氮以及總氮吸附等溫線與Langmiur模型更為符合，說明吸附質在吸附劑表面層一層分布。

表4 水稻秸稈生物炭對沼液中的氨氮及總氮吸附動力學參數

3.3 種植實驗結果分析

圖1和圖2 分別展示了小油菜每周株高及葉片數的差別，可以得知，不論是直接澆灌沼液(B區)、使用未吸附(C區)或已吸附生物炭(D區)都比空白(A區)的有明顯的效果。從株高而言，使用D區作物得到更足夠的養分成長，比B區及C區作物平均高出5 cm，平均高度可達33 cm。B區及C區作物在株高方面差異不明顯。葉片數方面，D區也作物明顯更優于其他區域的植物。

進一步分析，B區直接澆灌沼液，液態肥容易隨著水流失，而C區直接放置未吸附的生物炭可以很好的鎖定土壤中的營養物質，減少流失。而D區所使用的已吸附生物炭更是讓沼液從液態肥轉換成固態肥，達到了緩釋的作用。

圖1 小油菜每周平均株高

圖2 小油菜每周葉片數

圖3和圖4所展示的是收成時每區作物平均含氮率及平均收成重量。D區植物含氮率比另3區高，很好的說明了生物炭有著很好的固氮效果，并緩慢的釋放出來，有效降低了營養流失對環境的影響。然而在收成重量方面，D區作物只是略高于其他3組的作物。

圖3 收成時每區小油菜植物含氮率

圖4 收成時每區小油菜平均重量

4 結論

經過低溫熱解的秸稈可制成與活性炭性質相似的生物炭。生物炭對沼液中的氮有吸附效果，經過吸附可使液態的沼液轉換成固態肥料，減小液態肥流失對環境造成的影響。實驗結果表明，使用吸附沼液后的生物炭作為肥料比直接使用沼液的效果好。

[1] 丁少華，王志榮，黃 武，等. 規模養殖場沼氣工程沼液的肥效試驗[J]. 中國沼氣，2010，28(2): 43-44.

[2] 李裕榮，劉永霞，趙澤英，等.畜禽糞便厭氧發酵的產氣特點及其發酵物養分的變化動態[J].西南農業學報，2012，6: 2305-2310.

[3] 郜玉環，張昌愛，董建軍. 沼渣沼液的肥用研究進展[J].山東農業科學，2011，6: 71-75.

[4] 王紅玉，徐奕琳，周士力，等.不同濃度沼液對日光溫室漂浮式栽培空心菜(Ipomoea aquatica)生長和品質的影響[J].沈陽農業大學學報，2013，44(05): 650-655.

[5] 張昌愛，張玉鳳，林海濤，等. 基于營養成分含量的沼液定價方法[J]. 中國沼氣，2013,30(06): 43-46.

[6] Suthar S.Potential of domestic biogas digester slurry in vermitechnology[J]. Bioresource Technology，2010，101(14): 5419-5425.

The Adsorption of Nutrients in Biogas Slurry by Biochar and Its Application to Small Rape Planting

SONG Chu-wen, WANG Cheng-wen, WU Jin-wei

(School of Environment, Tsinghua University, Beijing 10084,China)

The analysis showed that the biogas slurry of pig manure was rich in nitrogen, in which the ammonia concentration was 3727 mg·L-1, total nitrogen was 4660 mg·L-1. In this paper, biochar made from straw was used for adsorbing nutrients as ammonia nitrogen and total nitrogen etc from biogas slurry, and the adsorbed biochar was used for small rape planting. The result showed that the small rape planted in the adsorbed biochar grew better than that planted with biogas slurry direct irrigation, and also better than that planted in non-adsorbed biochar. The rape yield growing in adsorbed biochar was 10% higher than that with direct irrigation of biogas slurry.

biochar；biogas slurry；adsorb；nitrogen；planting

2015-03-29

宋楚雯(1989- )，女，馬來西亞人，碩士，主要從事沼氣方面研究工作，E-mail: soongchuwen@gmail.com 通信作者： 汪誠文,E-mail:wangcw@tsinghua.com

S216.4

A

1000-1166(2016)01-0077-04