番茄秸稈與豬場沼液聯合水熱炭化對生物炭性質的影響

摘要：利用生物質聯合水熱炭化用于制備功能性生物炭產品也逐漸成為研究熱點。為開發富營養元素的生物炭產品，以番茄秸稈作為原料，分別利用純水（T1）和沼液（T2）作為液相介質進行水熱炭化，分析不同炭化條件對生物炭理化性質和氮素釋放量的變化規律。結果表明：番茄秸稈水熱法制備生物炭的產率為30.09%～32.24%;番茄秸稈與沼液聯合炭化處理（T2）制備生物炭的揮發分、固定碳、全氮和全磷含量分別比以水為液相介質的炭化處理（T1）高1.80%、13.00%、5.51%和14.77%，但有機碳和灰分含量分別降低0.80%、17.02%。兩種生物炭的氮素釋放量均表現隨時間延長呈現增加的趨勢，以水為液相介質的炭化處理（T1）制備生物炭前5h氮素釋放量增速比番茄秸稈與沼液聯合炭化處理（T2）的高18.4%。

關鍵詞：番茄秸稈；沼液；水熱炭化；生物炭；氮釋放

中圖分類號：S641.2文獻標志碼：A文章編號：0253-2301（2024）09-0008-04

DOI：10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.09.002

Effects of Co-hydrothermal Carbonization of Tomato Straw and Pig Slurry on the Properties of Biochar

DONG Rui-mei1，DING Ya-lan1，YE Jing2，LIN Yi2，WANG Yi-xiang2*

（1.Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;2.Institute ofResources，Environmentand Soil Fertilizer，Fujian Academy of Agricultural Sciences/Fujian Key Laboratory of Agroecological Processes inRed Soil Mountains，Fuzhou，Fujian 350003，China）

Abstract：The use of biomass combined with the hydrothermal carbonization for the preparation of functional biochar products has gradually become a research hotspot.In order to develop the biochar products rich in nutrients，the tomato straw was used as the raw material，and the pure water（T1）and biogas slurry（T2）were used as the liquid medium for hydrothermal carbonization.The change rules of the physicochemical properties and nitrogen release amount of biocharunder different carbonization conditions were analyzed.The results showed that the yield of biochar prepared by the hydrothermal method of tomato straw was 30.09%-32.24%.The contents of volatile matter，fixedcarbon，total nitrogen and total phosphorus of biochar prepared by the combined carbonization treatment with tomato straw and biogas slurry（T2）were 1.80%，13.00%，5.51%and 14.77%higher than those in the carbonization treatmentwith water as the liquid medium（T1），but the contents of organic carbon and ash decreased by 0.80%and 17.02%，respectively.The nitrogen release amount of the two types of biochars showed an increasing trend with time.Theincrease rate of nitrogen releaseamount in the first 5 hours of biochar prepared by the carbonization treatment with water as the liquid medium（T1）was 18.4%higher than that by the combined carbonization treatment with tomato straw and biogas slurry（T2）.

Keywords：Tomatostraw;Biogasslurry;Hydrothermalcarbonization;Biochar;Nitrogen release

中國作為農業大國，其產生的農業固體廢棄物量位居世界前列，這些廢棄物種類很多，如農作物秸稈、蔬菜及瓜果的副產品、藤蔓、畜禽糞便等，如果處理不當，這些廢棄物易成為環境污染的源頭，因此亟需引起高度重視并探索有效的解決方案1-2]。特別值得注意的是，像番茄藤蔓等蔬菜廢棄物，其不能像其他農作物秸稈一樣直接還田，其資源化利用路徑的探索成為推動農業綠色可持續發展、解決產業瓶頸的關鍵議題。根據相關資料統計，我國每年產生的畜禽糞污量超過40億t，未得到充分利用的農作物秸稈近2億t，副產物利用率不到40%3]。在我國，農業廢棄物的資源化利用技術仍有待提升，目前采用的處理手段，如堆漚制作有機肥、秸稈的直接還田以及過腹還田等，不僅資源轉化效率較低，而且若處理不當，還可能引發新的環境污染問題4。

近年來，基于水熱炭化資源化利用生物質的技術引起了廣泛關注。水熱炭化是作為一種有效地利用農業廢棄物的方法，是將生物質原料與水等液相物質在一定溫度和壓力下，將生物質轉化為水熱炭等系列產物的熱化學轉化技術。該技術省去了高含水廢棄物處理的干燥環節，具有操作簡單、轉化效率高等特點。水熱炭化制備的生物炭具有穩定性高、吸附能力強、芳香化程度高、價格低廉、孔隙結構好等優點5-6，在農業生產、生態環境保護、能源開發等方面有著廣闊的應用前景7。生物質水熱炭化原料屬性、熱解工藝等直接影響制備的生物炭的性質I?-9]，已有研究表明熱解溫度和升溫速率對生物炭性質有著顯著的影響[10]。近年來，利用生物質聯合水熱炭化用于制備功能性水熱炭產品也逐漸成為研究熱點。本研究利用番茄秸稈與沼液聯合水熱炭化，研究其對生物炭性質、養分釋放的影響，以期為番茄秸稈、沼液等資源化利用和新型環境修復材料開發提供科學依據。

1材料與方法

1.1供試材料

供試番茄秸稈和養豬場沼液取自福建省惠安縣某農場。番茄秸稈置于通風處晾干后粉碎，物料尺寸小于5 mm，其有機碳含量32.35%，全氮含量1.8%;養豬場沼液中全氮含量0.47 mg g-1。

1.2試驗設計

試驗共設置2個處理，即水熱炭化的介質分為水和豬場沼液，秸稈用量100 g，固液比為1：6，反應釜設定反應溫度為280℃、停留時間為480 min，分別制備得生物炭材料T1和T2。在執行水熱炭化試驗時，先將反應容器密封，并接入220 v的穩定電壓。以2℃·min1的升溫速度加熱，同時引入自來水作為冷卻介質以維持儀器溫度。當溫度升至280℃時，開始記錄水熱炭化的保持時間。試驗結束時，反應釜自動降溫，待溫度降至30℃以下，停止冷卻水的供應。當反應釜內壓力降至0，打開排氣閥回收煤焦油，然后取下反應釜蓋，取出水熱處理后的生物炭。通過定性濾紙過濾并使用去離子水洗滌3次后，將生物炭置于鼓風干燥箱中，在60～65℃的溫度下烘干至質量穩定。最后，利用電子天平準確稱量所得生物炭的質量。

1.3測定指標與方法

樣品中全氮含量采用凱氏定氮法測定，pH采用pH計測定，全磷采用釩鉬黃比色法測定，EC利用電導率儀測定，總有機碳采用重鉻酸鉀滴定法測定。固定碳含量指有效碳素的百分含量，以100%減去灰分及揮發分含量進行計算。固定碳就是生物炭去除灰分和揮發分后的殘留碳素[1。

氮素釋放量參照國家標準GB/T23348-2009《緩釋肥料》的方法測定。稱取過1 mm孔徑篩的生物炭約2g（稱準至0.01 g）放入網袋中，放入密閉的玻璃瓶進行浸提，加入40 mL的去離子水，待溫度恒定為（100±1）℃時開始計時，分別在1、3、5、7、10、24 h進行取樣。取樣時，將密閉的玻璃瓶中的浸提液全部移入50 mL容量瓶中，冷卻至室溫后定容至刻度，測定總氮的釋放量。

1.4數據分析與處理

利用SPSS 27.0對試驗數據進行處理間的差異顯著性分析，使用EXCEL進行數據分析與作圖。

2結果與分析

2.1不同炭化處理對生物炭產率和化學性質的影響

由表1可知，番茄秸稈水熱法制備生物炭的產率為30.09%～32.24%，其中T1處理較T2處理提高7.1%。T1與T2處理相比，生物炭pH提高，電導率EC值也提高；灰分含量、有機碳和碳氮比值T1高于T2處理，分別高27.02%、0.80%和8.07%;固定碳和全氮含量T2均高于T1處理，分別高13.00%、5.51%。全磷含量T2顯著高于T1處理，高14.77%。揮發分作為纖維素、半纖維素的主要熱解產物，在高溫炭化下，會釋放出大量的氣態產物如CO、CO?、H?和CH?等。T2處理生物炭中揮發分含量比T1處理高1.80%，但兩者間的差異不顯著。

2.2不同炭化處理對生物炭氮素釋放量的影響

由圖1可知，在釋放初期階段，隨著培養時間的延長，2種生物炭氮素釋放速率均表現先增大后減小的趨勢，T1處理第1 h到第3 h，生物炭的氮素釋放速率顯著增加；第3 h到第5h氮素釋放速率顯著下降，且在第3h時生物炭的氮素釋放速率最大，為38.49 mg-kg-1。T2處理生物炭的氮素養分釋放速率第1h到第3h時較高，從第3h到第5 h顯著下降。T2處理生物炭氮素釋放率最大值在第3h，為42.75 mg-kg-1。

2.3不同炭化處理對生物炭氮素累積釋放量的影響

由圖2可知，隨培養時間的延長，T1、T2處理生物炭的氮素累積釋放量均表現為增加的趨勢，在前7h氮素釋放量分別占整個培養期間總釋放量的83.87%和82.26%。到試驗結束時，T2處理生物炭的氮素累積釋放量比T1處理增加19.83%，且兩者間的差異達顯著性水平（P<0.05）。

3討論與結論

生物質水熱炭化原料不同，其產物特性也存在顯著差異。以往研究表明，聯合水熱炭化的特點在于所制備的生物炭材料具有高能量和更豐度的表面官能團12-13。Lang等14-15研究發現，與單豬糞水熱炭相比，豬糞/木屑和豬糞/玉米秸稈聯合水熱炭的碳含量、熱值以及能量產率均提高。本研究結果表明，與單番茄秸稈炭化材料相比，番茄秸稈與沼液聯合炭化下制備的生物炭材料具有較低灰分含量和較高的固定碳、全氮和全磷含量。與單番茄秸稈炭化材料相比，番茄秸稈與沼液聯合炭化下制備的生物炭氮素累積釋放量提高了19.83%，這與該生物炭材料含氮量較高相關。從氮素累積釋放量的增加速率來看，單番茄秸稈生物炭的氮素釋放量增速前期（前5h）加快，比番茄秸稈與沼液聯合炭化的生物炭高18.4%，后期氮素釋放量增速較低，說明2種生物炭吸附固定氮的形態和能力可能存在一定差異。

參考文獻：

[1]李冬霞.農業廢棄物由“廢”變“寶”助力農業綠色、可持續發展[J].蔬菜，2020（7）：1-10.

[2]宋大利，侯勝鵬，王秀斌，等.中國秸稈養分資源數量及替代化肥潛力[J].植物營養與肥料學報，2018，24（1）：1-21.

[3]王巖.加大秸稈肥料化處理的支持力度[J].當代農機，2018（10）：16.

[4]張鳳媛.農業廢棄物資源轉化利用存在問題及發展策略[J].世界熱帶農業信息，2022（5）：69-71.

[5]呂宏虹，宮艷艷，唐景春，等.生物炭及其復合材料的制備與應用研究進展[J].農業環境科學學報，2015，34（8）：1429-1440.

[6]LENG L J，XIONG Q，YANG L H，etal.An overview onengineeringthe surface area and porosity of biochar[J].Science ofthe TotalEnvironment，2021，763：144204.

[7]李波，葉菁，劉岑薇，等.生物炭添加對豬糞堆肥過程碳素轉化與損失的影響[J].環境科學學報，2017，37（9）：3511-3518.

[8]JINLM，YUSL，SHIWX，etal.Synthesis of a novel compositenanofiltration membrane incorporated SiO?nan-oparticles for oily wastewater desalination[J].Polymer，2012，53（23）：5295-5303.

[9]SAMSUDIN MH，HASSANMA，IDRIS J，etal.A one-step self-sustained low temperature carbonization of coconut shell biomass produced a high specific surface area biochar-derived nano-adsorbent[J].Waste Management&Research，2019，37（5）：551-555.

[10]YUAN JH，XU R K，ZHANG H.The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J]Bioresource technology，2011，102（3）：3488-3497.

[11]劉佳政，牛文娟，鐘菲，等.不同類型秸稈生物炭的燃燒特性與動力學分析[J].太陽能學報，2019，40（6）：1647-1655.

[12]SONG Y，ZHAN H，ZHUANG X，etal.Synergistic Characteristics and Capabilitiesof Co-hydrothermal Carbonization of Sewage Sludge/Lignite Mixtures[J].Energy&Fuels，2019，33（9）：8735-8745.

[13]ZHUANGX，SONG Y，ZHAN H，etal.Gasification performance of biowaste-derived hydrochar：The properties ofproducts and the conversion processes[J].Fuel，2020，260：116320.

[14]LANG Q，ZHANG B，LIU Z，etal.Co-hydrothermalcarbonization of corn stalk and swine manure：Combustion behavior of hydrochar by thermogravimetric analysis[J].BioresourceTechnology，2018，271：75-83.

[15]LANG Q，LUO H，LI Y，etal.Thermal behavior of hydrochar from co-hydrothermal carbonization of swine manure and sawdust：effect of process water recirculation[J].Sustainable Energy&Fuels，2019，3（9）：2329-2336.

（責任編輯：柯文輝）