牛糞生物炭的研究進展與展望

吳來榮 劉永德

摘要：指出了中國養(yǎng)牛業(yè)尤其是奶牛業(yè)發(fā)展迅猛，高度規(guī)模化養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生了大量牛糞，這些牛糞若不能得到妥善的處理將嚴(yán)重影響?zhàn)B殖場及其周邊地區(qū)的空氣、水體以及土壤等生態(tài)環(huán)境。如果將這些牛糞在厭氧條件下熱解得生物炭，可避免生物質(zhì)燃燒，從而減少二氧化碳的釋放。基于此，總結(jié)了牛糞生物炭的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上了展望了其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：牛糞;生物炭;研究現(xiàn)狀：發(fā)展前景

中圖分類號：X705

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）14-0243-02

1 引言

牛糞是一種可再生生物質(zhì)原料，牛糞中各組分的含量不同于其它秸稈類生物質(zhì)。近幾年，國內(nèi)學(xué)者采用熱化學(xué)的方法處理牛糞并將其制成生物炭，研究表明熱化學(xué)方法處理牛糞是一條具有環(huán)境和經(jīng)濟雙重效益的有效途徑。國外學(xué)者也對牛糞生物炭的制備條件以及應(yīng)用進行了大量研究。

2牛糞生物炭的性質(zhì)

牛糞生物炭是牛糞在無氧或者缺氧的條件下，經(jīng)過高溫?zé)峤猓ㄒ话銣囟?lt;700℃）炭化產(chǎn)生的一種具有高度芳香化的難熔性物質(zhì)。牛糞生物炭主要由C、H、O、N、P元素組成，還含有少量的Mn、Zn、Cu等微量元素;生物炭的含炭量一般達(dá)到70%以上，并且具有高度芳香化結(jié)構(gòu)，含有大量的官能團結(jié)構(gòu)（羥基、羧基、羰基等），這些性質(zhì)使生物炭具有良好的吸附性能和穩(wěn)定性。

3牛糞生物炭的研究進展

3.1 牛糞生物炭對水中氨氮的吸附特性

馬峰峰等以牛糞生物炭為吸附劑，研究了pH值、粒徑、投加量、溫度和共存陽離子等因素對牛糞生物炭吸附氨氮的影響及吸附特性。結(jié)果表明：共存陽離子Na⁺、Ca²⁺的存在對牛糞生物炭吸附氨氮有抑制作用，在Na⁺、Ca²⁺濃度相同條件下對氨氮吸附影響大小順序為Na⁺>Ca²⁺;牛糞生物炭吸附氨氮的最佳初始pH值應(yīng)在5～8范圍;通過對動力學(xué)數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)二級動力學(xué)方程（R²=0. 9673）比準(zhǔn)一級動力學(xué)方程（R²=0. 7659）和Elovich方程（R²=0. 7249）能更好地擬合動力學(xué)數(shù)據(jù)，顆粒內(nèi)擴散方程擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)牛糞生物炭對氨氮的吸附包括表面吸附和顆粒內(nèi)擴散兩個過程.吸附等溫線擬合發(fā)現(xiàn)Freundlich方程（R²=0. 9762）能很好地描述氨氮在牛糞生物炭上的吸附行為.吉布斯自由能變化（△G）、焓變（△H）和熵變（△S）的計算結(jié)果表明，牛糞生物炭對氨氮的吸附是自發(fā)的吸熱過程.

3.2 牛糞生物炭對重金屬的吸附特性

王丹丹等為了考察以牛糞為原料制備的生物炭對水溶液中Cd²⁺的吸附效果，進行了吸附影響因素、吸附等溫線和動力學(xué)研究。結(jié)果表明，當(dāng)熱解溫度為700℃、投加量為20 g/l，、溶液初始pH值為5、水溶液Cd²⁺初始濃度為10 mg/L、吸附平衡時間為60 min和溶液溫度為25℃時，對Cd²⁺的吸附效果最佳，Cd²⁺去除率町達(dá)99%以上。提高溶液溫度有利于吸附。降低生物炭熱解溫度和投加量對吸附效果影響不人。Langmuir方程能更好地擬合生物炭對Cd²⁺的吸附等溫過程，吸附過程符合準(zhǔn)二級動力學(xué)方程。牛糞生物炭是性能優(yōu)良、價格經(jīng)濟的水溶液中Cd²⁺的吸附劑。

3.3牛糞生物炭在土壤修復(fù)中的應(yīng)用

王丹丹等為了探討以牛糞為原材料制備的生物炭對重金屬鎘污染土壤的鈍化修復(fù)作用，采用人工模擬重金屬鎘污染上壤進行盆栽試驗，研究分別添加在低溫300℃和高溫700℃條件下制備的牛糞生物炭，對重金屬鎘污染土壤pH值、鎘含量、鎘形態(tài)及供試作物中鎘含量的影響。結(jié)果顯示：高溫700℃制備的生物炭效果好于低溫300℃，與對照值（CK）相比，當(dāng)兩種牛糞生物炭添加量為10 g/kg時處理效果最佳，土壤pH值、鎘含量依次升高0.2和0.1、42. 2%和21. 84%，供試作物中鎘含量降低了71. 59%和51. 22%，酸可提取態(tài)鎘降低了21. 69%和22. 89%，殘渣態(tài)鎘含量升高了51. 59%和77. 71%;牛糞生物炭添加量為2.5g/kg時，F(xiàn)e- Mn氧化結(jié)合態(tài)鎘、有機結(jié)合態(tài)鎘含量降幅最大，分別為21.88%和14. 06%、31. 82%和12. 12%。牛糞生物炭對重金屬鎘污染土壤具有良好的鈍化修復(fù)效果。

3.4牛糞生物炭在堆肥中的應(yīng)用

謝振心等為研究生物炭對玉米秸稈堆肥中酶活性的影響，試驗選用3%蔗渣生物質(zhì)炭（B）、3%小麥秸稈炭（W）、10%濾泥（L）、10%牛糞（N）及它們的不同組合為調(diào)理劑進行玉米秸稈堆肥處理。分別在堆后20 d、60 d和110 d測定堆肥中的脲酶、中性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性。在堆肥前期，BLN處理中性磷酸酶活性較B處理提高了40. 72%～44. 29%，WLN處理較W處理提高了7.7 6%～17.15%;堆肥結(jié)束時，BL、BN和BLN脲酶活性較B處理分別降低67. 23%、51. 81%和47. 94%，WL、WN和WL＼r較W處理降低7.14%～48. 21%。與B相比，BL、BN和BI，N轉(zhuǎn)化酶活性提高34. 18%、100. 38%和47. 43%;與W相比，WL、WN和WLN轉(zhuǎn)化酶活性提高了8.89% ～22. 35%。因此，添加B和W可使堆肥脲酶活性增加，添加BLN和WLN使得堆肥中性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性均升高，表明生物炭是提高堆肥酶活性的適宜調(diào)理劑。

4牛糞生物炭的前景展望

總結(jié)前人的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于牛糞生物炭的研究熱點主要集中于用作吸附劑去除水中的無機污染物，不管是對氨氮還是重金屬，均有較好的去除效果;將牛糞生物炭添加到土壤中，能有效鈍化其中的重金屬鎘，起到良好的修復(fù)效果;亦或者將其應(yīng)用于堆肥中，能顯著提高堆肥中酶的活性。因此，牛糞生物炭在環(huán)境污染修復(fù)中具有良好的應(yīng)用前景。