农林废弃物在生态环保领域的利用

马欣蕾 钱小雨 谢晓婧 林少华

摘 要：随着人们環保意识的增强，以及国家可持续发展的需要，农林废弃物的再利用受到广泛关注。本文综述了目前我国在生态环保领域对农林废弃物资源化利用的几种方式，特别对农林废弃物制成生物炭的应用和农林废弃物用做生物处理碳源两方面做了详细介绍，最后指出了农林废弃物利用研究中存在的一些问题，提出了一些建议，以期为我国的农林废弃物的开发利用提供参考。

关键词：农林废弃物; 生物炭; 碳源; 生物吸附剂

中图分类号：X71        文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）10-135-003

我国有着极为丰富的农林废弃物资源，据统计，农作物秸秆和林业三剩物资源量分别达到9亿和3亿t[1]。这其中许多废弃物得不到有效的处理，传统的诸如填埋、焚烧等垃圾处理方式，在造成自然资源的极大浪费的同时，带来了严重的环境污染。随着人们环境保护意识的逐步增强和可持续发展的迫切需要，农林业废弃物的综合利用问题受到了越来越多的关注。实现农林业废弃物的资源化利用是促进农林业绿色发展，缓解环境污染问题，实现经济社会健康可持续发展的一项重要内容与途径。本文总结了几种目前我国对农林废弃物原料化的利用方式，提出了一些建议，以期为我国的农林废弃物的开发利用提供参考。

1.制成生物炭及其应用

生物炭，是由生物质在厌氧或缺氧条件下经过低温加热热解后形成的一种含碳极高的固体物质，具有官能团丰富、比表面积大，吸附能力强、吸附容量大等优点。生物炭作为一种新型炭材料，正在成为环境科学与工程领域的研究热点。

1.1生物炭制备

生物炭主要的制备方法为热裂解法，具体方法类型、内容及优缺点见表1。选择合适的生物炭制备技术，可以有效提高农林废弃物的利用效率。

生物炭的制备原料主要是秸秆，稻壳等农林废弃物。生物质原料和热解温度是生物炭性质的重要影响因素。主要对生物炭的孔隙度、pH、比表面积、化合物与灰分含量组成和材料持水量等方面产生影响。不同生物质半纤维素、纤维素及木质素含量不同，则其组织结构也不同，所以炭化后的生物炭孔隙结构存在较大差异[2]。表2为几种常见的农林废弃物炭的基本性质。

1.2用作吸附剂或土壤改良剂

农林废弃物由于其结构特征，本身具有一定的吸附特性，农林废弃物生物质炭化后的一个重要变化是吸附能力的提高，一般可以提高1～3个数量级[4]。Chen等利用硬木和玉米秸秆分别在450℃和600℃条件下热解得到硬木生物炭和玉米秸秆生物炭，发现玉米秸秆生物炭比硬木生物炭对Cu2+和Zn2+的吸附能力强，所以以农林废弃物制成生物炭可以很好的提高这些农林废弃物的吸附能力[5]。

目前，以农林废弃物为主要原料而制成的生物炭主要应用于对土壤及水体环境中的重金属、有机化学污染物的吸附。Qiu等通过研究发现使用到稻草秸秆和小麦秸叶片制备的生物活性炭，能有效地吸附Pb2+[6];佟雪娇等用三种农作物（花生、大豆、油菜籽）秸秆制备生物炭，发现三种生物炭均对Cu2+有一定吸附能力[7];Spokas等以木屑为原料高温缺氧下热解制得生物炭添加到土壤中，结果发现生物炭对莠去津和乙草胺这两种除草剂有一定的吸附作用[8];利用小麦秸秆制备生物炭的研究表明，小麦秸秆生物炭添加到土壤中后，能使土壤中的敌草隆减少一半以上[9]。

根据各种农林废弃物的生物质原料的材料特性，合理地进行回收、开发、利用，将其设计和制备成生物吸附剂，这样既有效地减少了由于农林废弃物不合理地净化处理给人们带来的的环境污染，又尽可能地提升它的经济价值，促进资源的高效节约利用，符合现阶段社会经济、社会、环境协调发展，并且具有很强的应用潜力。

1.3固碳减排作用

面对全球气候变化趋势，我国提出了“碳达峰”“碳中和”战略目标，这一目标的提出，我国将面临空前巨大的温室气体减排压力。我国农林生物质资源丰富，统计发现，农林废弃物焚烧处理所产生的CO2含量和作为肥料还田后被微生物降解所产生的CO2含量之和约占大气中CO2总含量的10%-30%，是我国碳排放的重要组成部分。所以将农林废弃物生物质作为生物炭制备原料，可以减少由于生物质材料的不恰当处理而产生的温室气体排放量。同时将所产生的生物炭还林，可以增加和扩大农林土壤惰性有机碳仓库的容量，从而提升农林的稳定固碳能力，进而缓解全球气候变暖问题。生物炭固碳减排机制见表3。通过采用生命周期评价方法分析用农林废弃物所制备生物炭的固碳减排能力，发现每吨生物质原料可以固定CO2 800-900kg，其中65%以上与生物炭碳存储功能有关[10]。将农林废弃物炭化技术用于农林中，能够大幅度提高我国陆地生态系统固碳减排的发展潜力，这是“变废为宝”的好途径。

2.作为生物处理单元碳源

碳源是为微生物生长代谢过程中提供碳元素来源的物质，是影响反硝化效果的重要因素之一。随着中国“水十条”的发布，对污水厂脱氮处理提出了更高的要求，脱氮处理中碳源不足一直是许多污水处理厂面临的问题，现多采用向低碳氮比污水中投入外加碳源以保证反硝化脱氮功能。外加碳源大致可分为两类：一类是可溶性液体有机物如甲醇、乙醇、乙酸和葡萄糖等的传统碳源，一类是纤维素类、可生物降解聚合物等的新型碳源[15]。由于传统碳源成本及运行管理费用高，生物安全性差、投加量不易控制，使其不能广泛运用，所以纤维素类新型碳源的开发利用有很大的前景。

农林废弃物主要由木质素﹑纤维素和半纤维素等多糖组成，是污水处理中碳源的良好选择，表4为几种常见的农林废弃物木质素、纤维素、半纤维素含量。生物质中的纤维素、半纤维素和木质素含量是碳源释碳能力的直接影响因素。微生物优先降解纤维素，在释碳品质较高的纤维素降解完成后，纤维素降解菌开始降解较难降解的半纤维素和木质素[16]。此时碳源的释碳能力会相对减弱。同时，纤维素固体碳源具有较大的比表面积，能让更多的细菌附着在表面，是良好的微生物生长载体。

徐锁洪等以农业废弃物稻壳作为外加碳源，研究污水中NO3--N的有效去除情况，发现在进水NO3--N浓度为60mg/L时，以稻壳作为外加碳源有效提高了反应器中反硝化作用效率，对NO3--N的有效去除率达到91.6%，反硝化速率达5.9mg/（L·h）[20]。唐婧等研究以稻秆、玉米芯和大豆壳作为填料及外加缓释碳源对水中TN的去除效果，发现玉米芯为最适宜的填料及外加碳源，并且有较好的持续有效释碳性能[21]。常军军等通过采用四种常见的花卉废弃秸秆作为外加有机碳源，研究对比这四种碳源对低碳高硝氮废水的脱硝效率，结果发现投加花卉秸秆能明显改善人工湿地的NO3--N去除效能，实验期间康乃馨秸秆对NO3--N平均去除率为51.8%，效果最佳[22]。

对比于传统碳源，以农林废弃物作为外加碳源具有环境安全性高、价格低廉、为生物膜提供载体、运输方便、释碳缓慢持久、可以“以废治废”等优点，但脱氮效果易受外界条件影响，容易造成二次污染的缺点也应该注意。

3.用作生物吸附剂

农林废弃物可作为基质改性制成或直接用作高效吸附剂。农林废弃物中羟基﹑羧基等活性基团含量丰富，并且其孔隙结构发达、比表面积较大，在理论上对无机离子及有机化合物具有良好的吸附性能[23]。研究发现对农林废弃物进行合理的改性，可以增大其比表面积，进而提高吸附性能。例如在处理印染废水中，汪燕南等用柠檬酸对甘蔗渣进行改性，结果发现改性后的甘蔗渣对孔雀绿的去除率近100%，且吸附量达到了未改性前的两倍以上[24]。金洁蓉等通过比较改性前后的秸秆对印染废水的吸附效果，结果发现，印染废水色度去除率和COD的去除率分别提高了近60%和85%[25]。张玮等将橘子皮与500mLlmol/L磷酸溶液进行混合而对橘子皮改性，最后发现经过改性的橙皮对Cu2+的吸附效率提高到97.5%[26]。综上将农林废弃物作为基质改性后用做吸附剂使部分农林废弃物转变为可再生资源，对实现农林废弃物的资源化利用有重要意义。

4.问题与展望

目前我国对农林废弃物制备成生物炭还田固碳的研究较少，其是否具有持续效果还需要长期定点观察。以农林废弃物作为外加碳源时，在反应器中如若水力停留时间较长，反硝化速率会降低，释放碳的持续性会变差，并且出水水质易受温度影响。当用作生物吸附剂时，通过对农林废弃物改性，其吸附性能明显提高，但目前改性方法仍比较少，并且应用范围比较窄。

另外，我国农林废弃物在生态环保领域再利用仍然存在许多不足之处：我国对于农林废弃物的资源化潜力认识不足;应用与推广技术落后;缺乏相应的政策和服务体系。针对这些问题，需要对国民开展科普宣传活动，让大家意识到农林废弃物的利用价值，充分发挥其潜能。其次是需要提高农林资源化综合利用水平，结合农林实际情况，加大对资金与人力的投入，形成一个农林废弃物再利用的新型产业链。最后各级人民政府部门应当建立健全部门相应的政策法规和服务制度，并出台相关的引导措施，并以可持续发展和建立生态循环经济为核心，吸引资金投入、开发相应技术、培养有关人才。通过上述措施进而提高农林废弃物的利用效率。

本研究受南京林业大学大学生实践创新训练计划项目（2020NFUSPITP0370）资助

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