生物炭碳捕捉

生物炭基肥料特性及農業(yè)應用

技術背景

世界秸稈年產量20億噸左右，我國秸稈產量在7億噸以上，位列世界秸稈年產量之首。近年來，隨著農業(yè)生產方式的轉變和農村生活條件的改善，我國秸稈資源處于高消耗、高污染、低產出狀態(tài)。秸稈作為全球最大的可再生資源，它的開發(fā)與利用對于發(fā)展綠色生態(tài)農業(yè)建設、保護全球生態(tài)平衡、減少環(huán)境污染具有重要意義。

北京三聚環(huán)保新材料股份有限公司作為一家知名的以環(huán)保技術為核心的上市公司，積極響應國家號召，以技術創(chuàng)新為先導，開展商業(yè)模式創(chuàng)新、品牌創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，踐行“天藍、水清、地沃、人善”的發(fā)展理念,與南京農業(yè)大學潘根興教授團隊強強聯(lián)合，成功研發(fā)、轉化、集成并升級出具有技術先進性、適應市場經(jīng)濟性、符合綠色生態(tài)農業(yè)發(fā)展的“秸稈炭化還田、土壤改良技術”。這一技術目前屬于世界領先水平，非常適合我國當前農業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，2017年被農業(yè)部列為重點推介的秸稈農用十大模式之一。

秸稈生物質經(jīng)集中收集—打包—造粒后，經(jīng)低溫限氧熱裂解，生成生物質炭、生物質氣和木醋液。生物質氣作為系統(tǒng)燃料可供循環(huán)利用，木醋液含有大量有機養(yǎng)分并具有殺蟲功能，與N、P、K等營養(yǎng)元素復配到生物質炭中，經(jīng)造粒后制成生物炭基肥料和土壤改良劑。生物質炭即具有豐富的納米孔隙結構，又保留了秸稈中豐富的氮磷鉀速效養(yǎng)分和多種高活性有機質。采取測土配比氮、磷、鉀，量體裁衣生產的生物炭基肥料，施用后既對作物生長好，可以保肥保水、殺蟲滅菌，實現(xiàn)作物的增產提質增收，更重要的是對土地好，可以降低化肥和農藥的使用量，改善土壤結構，修復土壤板結，提升土壤中有機質含量，有助于農業(yè)產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

生物炭基肥料特性

針對各農作物生長特點研發(fā)的有機無機復合肥

富含大量有機質及作物所需的氮、磷、鉀營養(yǎng)元素，并含有鈣、鎂、鐵、硅、鋅、銅等多種中微量元素，營養(yǎng)均衡，全方位提供作物生長所需養(yǎng)分。

1、納米孔隙結構，保肥緩釋、長效高效

獨創(chuàng)性的炭化工藝生產的生物質炭具有豐富的納米孔隙結構，吸附、保蓄養(yǎng)分能力強，緩慢釋放養(yǎng)分，有效避免氮素損失，延長肥效，提高養(yǎng)分利用率。

2、持續(xù)改善土壤結構，養(yǎng)土保墑，增強作物免疫力

調整炭和化肥比例，有效改良土壤，優(yōu)化土壤團聚體結構，增進保墑與抗逆，促進土壤微生物環(huán)境健康，提高作物自身免疫力。

3、因土配方施肥技術，提高產量，改善品質

因地制宜，根據(jù)土壤中營養(yǎng)元素的豐缺情況，定制肥料及施肥方案，提高農作物產量和品質，降低化肥用量，節(jié)約資源，改善環(huán)境。

農業(yè)應用效果

2016年，三聚環(huán)保已在內蒙古興安盟、黑龍江興凱湖、江蘇宿遷、湖北荊門等多地開展了玉米、水稻、紅小豆等三聚炭肥的種植對比試驗，均取得了明顯的效果。

1. 河南衛(wèi)輝玉米試驗:

施普通肥（NPK養(yǎng)分含量45%）平均畝產659.07公斤，施三聚炭肥（NPK養(yǎng)分含量40%）平均畝產699.57公斤，各三聚炭肥的玉米試驗田增產15-72公斤/畝，平均增產40公斤/畝

2. 黑龍江興凱湖農場水稻試驗

施生物炭基肥料的水稻地上部生物量比施普通肥高50%，地下部生物量比施普通肥高26.8%。普通肥平均畝產619公斤，三聚炭肥平均畝產659公斤。與施普通肥相比，三聚炭肥平均增產40公斤/畝，粗蛋白增加14.20%。

3. 內蒙古紅小豆試驗

在紅小豆生長期間，遭遇74天持續(xù)干旱，減產嚴重。施三聚炭肥的植株整體發(fā)育相對較好，地上部植株長勢好，地下部根系發(fā)達，作物抗旱能力強。施普通肥平均畝產25公斤，施三聚炭肥平均畝產40公斤。與施普通肥相比，三聚炭肥增產60%。

2017年，三聚環(huán)保繼續(xù)通過“秸稈炭化技術、測土配方施肥技術”，在全國范圍內廣泛開展三聚炭肥農業(yè)示范基地，發(fā)展品牌農業(yè)，以示范田為樣板，通過測土配方施肥技術定制作物專用肥，逐步實現(xiàn)農業(yè)生產的標準化、規(guī)?；?、產業(yè)化和市場化，大幅度提升農產品附加值，保持土壤健康發(fā)展。截止目前，三聚炭肥試驗田已經(jīng)覆蓋了黑龍江、內蒙古、寧夏、河北、河南等13個省份，涵蓋了小麥、玉米、水稻、花生、甜菜、土豆等14種作物。

合作方式

合資建廠、技術支持、技術服務

本平臺旨在積極推進生物化工領域的產業(yè)鏈-創(chuàng)新鏈-資金鏈的融合發(fā)展：

為科研團隊搭建高端學術平臺、承辦行業(yè)峰會、推廣科技成果等；

為企業(yè)開展最新科研項目導入，情報分析、知識產權分析等；

為項目投資、園區(qū)提供前期調研、可行性研究報告、產業(yè)園區(qū)規(guī)劃等；

為投資者提供市場調研報告、技術評估報告、可研規(guī)劃等。

本平臺常年收集整理各類技術難題、科技成果信息及專家訪談信息等。

“生物鏈-生物化工科技服務平臺”聯(lián)系方式如下：

中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會生物化工與生物質能源專業(yè)委員會：

地址：北京市朝陽區(qū)安慧里四區(qū)16號樓721室(郵編：100723)

聯(lián)系人：李文軍010-84885521 電子郵箱：1605284630@qq.com

中國科學院微生物研究所網(wǎng)絡信息中心：

地址：北京市朝陽區(qū)北辰西路1號院3號(郵編：100101)

聯(lián)系人：尹老師 13717838339 010-64807385-8012

電子郵箱：chinabio@im.ac.cn

什么叫生物炭法（PACT法）？

有些難以生物降解的制藥廢水，其生化處理出水中的COD要達到國家一級排放標準（100mg/L）以下是比較困難的，因此生化處理出水應再采用顆?；钚蕴课教幚砑夹g以保證出水達標是不可缺少的。但是，顆?；钚蕴课教幚矸ㄓ幸粋€致命的弱點即處理成本太高，其根本原因是顆?；钚蕴课教幚鞢OD的動態(tài)吸附容量在10%左右（重量百分比），即一噸活性炭只能吸附處理廢水中的COD在100公斤左右。由于顆?；钚蕴吭偕щy，處理成本高，因此顆?；钚蕴刻幚砑夹g的應用推廣在國內還并不普遍。那么是不是可以開發(fā)一種新的技術，這種技術可以大幅度地提高活性炭的動態(tài)吸附容量，有效地降低廢水的處理成本呢？

由杜邦公司最先開發(fā)的生物炭法工藝（PowderedActivatedCarbonTreatmentProcess）就是這種新技術的代表之一。生物炭法簡稱“PACT法”，或“PACSBR生化法”，被國外認為是最有發(fā)展前途的新型的廢水生化處理工藝，

在生化進水中（或在曝氣池內）投加粉末活性炭與回流的含炭污泥一起在曝氣池內混合，從污泥濃縮池中排出的剩余污泥進污泥脫水裝置。在曝氣池內，活性污泥附著于粉末活性炭的表面，由于粉末活性炭巨大的比表面積及其很強的吸附能力，提高了污泥的吸附能力，特別在活性污泥與粉末活性炭界面之間的溶解氧和降解基質濃度有了很大幅度的提高，從而也提高了COD的降解去除率。一般來說在PACT系統(tǒng)內，活性炭吸附處理COD的動態(tài)吸附容量在100-350%（重量百分比），即一公斤粉末活性炭可吸附去除1.0-3.5公斤COD。而且，PACT法能處理生物難以降解的有毒有害的有機污染物質。

根據(jù)我們的工程調試經(jīng)驗，直接在SBR好氧生化池內定期（每15-30天）定量投加粉末活性炭可以獲得很好的處理效果。其實粉末活性炭和顆?；钚蕴康奈教幚頇C理是一樣的，不過在在SBR生化池內投加粉末活性炭更具有以下幾個優(yōu)點：

節(jié)約投資成本；

操作靈活方便；

活性炭利用率高；

可避免顆?；钚蕴恳组L生物膜導致堵塞，影響出水速率的缺點：

在粉末活性炭--活性污泥系統(tǒng)中，活性污泥附著于粉末活性炭的表面，由于粉末活性炭巨大的比表面積及其較強的吸附能力，在活性污泥與粉末活性炭界面間的溶解氧和降解基質濃度有了很大幅度的提高，從而也提高了COD的降解去除率。一般來說，COD的去除（視廢水的種類）可以提高10-40%；

由于廢水中的有毒有害有機物質被粉末活性炭所吸附，因此廢水中有毒有害物質的濃度可以穩(wěn)定在一個較低的水平，從而保證了生化處理系統(tǒng)的正常運行；

對于防止氨氮指標反彈，保證出水氨氮指標達標具有很好的效果。

我們曾用PAC-SBR法處理***廠生產廢水，結果表明：PAC-SBR法有著比較顯著的處理效果，生化處理出水達到了國家一級排放標準。

對于***公司的廢水處理系統(tǒng)來說，如果SBR生化出水不能達到排放標準的話，我們也可以在SBR生化池內投加少量粉末活性炭以提高生化處理效率，保證生化處理出水可以達到規(guī)定的排放標準。

近期以來，碳肥概念已經(jīng)火爆了整個市場，各種碳肥產品粉墨登場，特別是以前市場上常見的氨基酸、黃腐酸、腐植酸等產品現(xiàn)在也被被包裝成各類碳肥產品進行銷售，而生物炭基肥產品由于其推出市場時間不久，大家對其功能與特性尚不是很了解，常常與腐植酸類產品混淆。因此，碳寶在這里對這兩種產品進行解讀，詳細談談其中的差別，利于消費者進行選擇。

一

生物炭與腐植酸的聯(lián)系與區(qū)別

首先，雖然兩類產品都富含碳，但來源與制備方法以及產品性質均有差異。

生物炭（Biochar）是以作物秸稈等農林植物廢棄生物質為原料，在無氧或低氧條件下，400-700℃裂解得到的穩(wěn)定的固體富碳的產物。從概念中可以看出，生物炭產品在我們日常生活中并不少見。我們冬季取暖以及野外燒烤所用的木炭、竹炭、機制炭以及工業(yè)上常用的活性炭等產品，均屬于生物炭的一種，它屬于人為通過物理化學方法所制備的富碳產物。從組成成分上來說，生物炭主要由芳香烴和單質碳或具有類石墨結構的碳組成，一般含有60%以上的C元素，含有的其它元素主要有H、O、N、S以及豐富的礦質元素等。生物炭長期應用在人們的生產生活中，然而把其應用到農業(yè)生產中，則是近年來才得到大家的重視。這一應用的提出源于對亞馬遜流域印第安人留下的黑土地的增產效果。目前科學界普遍認為生物炭在農業(yè)上的應用對促進土壤固碳、改善土壤健康、提高作物品質具有重要的意義。

生物炭產品的品質受生物質材料、制備技術等方面的影響。一般來說，良好的生物炭制品在制備完成后，其在土壤中的應用主要的功能成分由三部分組成：穩(wěn)定的支架碳、小分子的有機碳以及吸附的豐富礦質元素。其中，支架碳是生物炭的主體，主要是由單質碳或類似石墨結構的芳香碳組成。這一部分碳的可溶性極低，溶沸點極高，具有高度羧酸酯化、芳香化結構和脂肪族鏈狀結構，因此使生物炭具備了極強的吸附能力和抗氧化能力。這一部分碳結構保留了原生物質的細微孔隙結構（如下圖所示），具有較大的比表面積，因此具有強烈的吸附性，能夠吸附重金屬、農殘等污染物，從而減少植物對這些污染物的吸收；這些孔隙還能吸附植物一時不能利用的氮素養(yǎng)分，后期再緩慢地釋放供給植物，從而提高氮肥的利用率；同時，這部分支架碳也可以吸收水分子進入小孔中，當干旱發(fā)生時，小孔可以保護水分子不被迅速的蒸發(fā)，從而有了保持水分的效果。另外，這部分支架碳也能為一些有益菌提供生長繁殖的空間，猶如庇護所一般讓有益菌免受外在環(huán)境的脅迫，從而促進有益菌在植物根系的定植，提高微生物菌肥的效果。

圖1竹制生物炭掃描電子顯微鏡圖像。a：竹制生物炭橫切面；b：竹制生物炭縱切面。

第二部分是生物炭在制備過程中的一些小分子的有機碳，這部分碳是生物炭中的活性成分。它們被吸附在支架碳上，能夠被植物和微生物所利用，被植物直接吸收利用可以促進植物生長；被微生物利用可以促進微生物的繁殖。一般生物炭肥料使用后馬上表現(xiàn)出的效果往往是由這部分小分子碳所提供的。

第三部分是生物炭中包含的礦質元素成分。由于生物炭是從植物煅燒而成的，植物中所含有的一些Ca、Mg、K、Si等大中量營養(yǎng)元素和Fe、Mn、Cu、Zn等微量元素均保留在生物炭中，在施入土壤后可以補充土壤中的礦物質養(yǎng)分。另外，由于這部分營養(yǎng)元素一般以堿性形式存在，因此，也具有改良土壤酸性的作用。

因此，我們從以上介紹中可以看出，生物炭產品所具有的保水保肥、改良土壤和促進植物生長的效果是由于生物炭所固有的性質所決定的。特別是在目前我國土壤面臨的土壤酸化、肥料利用率低、重金屬污染風險問題上，生物炭肥料產品將會發(fā)揮重要的作用。

介紹完了生物質炭產品，我們再來了解下腐植酸類產品的情況。腐植酸(Humic acid)是植物遺骸經(jīng)過微生物的分解和轉化，以及地球物化反應等一系列過程形成和積累起來的一類有機物質。目前市場上常見的腐植酸類產品主要有兩種來源，一種是從風化煤中提取的礦源腐植酸，一種是從秸稈類物質中提取的生化腐植酸，其中以礦源腐植酸為主。腐植酸總體上是一類大分子的含碳化合物的混合物，呈現(xiàn)弱酸性。但由于在提取時的工藝不同，呈現(xiàn)產品的pH也各有差異。其中，既能溶于堿、酸和水的組分，稀溶液呈黃色或棕黃色的物質被稱為黃腐酸，又叫富里酸（Fulvic acid），其分子量比較小，具有一定的生物活性；而溶于堿但不溶于酸的，被稱為腐植酸（Humic acid），其分子量要大于黃腐酸；而在酸堿中均不能溶解的部分，被稱為胡敏素（Humin)。在不做特殊說明的情況下，我們把這三類物質均稱為腐植酸類物質。黃腐酸類產品由于其中包含的小分子有機碳物質較多、易溶于水、活性較強、具有一定的生物刺激功能，因此常被作為功能成分開發(fā)特種肥料。而一般市場上常見的腐植酸肥料則包含了黃腐酸、腐植酸和胡敏素三種成分。

腐植酸類物質的組成元素成份和生物炭類似，也是C、H、O、N、S等元素組成，其中含碳率也較高，有的可達到60%以上。應該說，腐植酸產品與生物炭均為富碳產物，這兩類產品在功能上存在一定的相似性。如兩類物質都存在一定的小分子有機碳，具有刺激作物生長的功能；兩類物質都具有吸附緩沖性能，可以吸附養(yǎng)分、增加養(yǎng)分利用率等等。然而它們雖然元素成分相似，但兩者組成結構上存在較大差異，由此導致的功能差異也很多。

首先，我們看，腐植酸不含有單質碳成分，不具有生物炭的支架碳的孔隙結構，其對養(yǎng)分、水分等的吸附作用是由其含碳化合物所決定的，這些就導致腐植酸化合物的穩(wěn)定性較生物炭差。一方面，微生物可以通過生物作用分解這些腐植酸類的化合物，造成腐植酸在土壤中的損失；另一方面，土壤耕作、水肥的施用也會導致腐植酸的氧化分解。而生物炭的碳支架穩(wěn)定性程度極高，可以在土壤中存續(xù)幾百甚至上千年，從而能保證其對土壤修復效果的長期穩(wěn)定。因此，在土壤中使用腐植酸物質往往在刺激作物生長上作用顯著，但在改良土壤、提高土壤有機質等改良土壤的長效性上要弱于生物炭。

另外，在礦質養(yǎng)分上兩類產品也存在差異。由于腐植酸在生產過程中，一般采用堿溶酸析法進行提取，因此一些風化煤中的礦質元素并不能被堿溶出，純品的腐植酸含有的礦質元素的含量較低；但生物炭完整的保留了所有植物中所含有的礦質元素，從而元素的豐富度上要高于腐植酸產品。因此，從產品性質上看，生物炭適于開發(fā)為基肥產品，長期穩(wěn)定的大量施用，從而保證土壤的持續(xù)健康；而腐植酸類產品更適于作為肥料助劑與化肥產品共同配合使用，從而發(fā)揮其促進化肥肥效，刺激作物生長的作用。

另外，生物炭產品能長期促進土壤有機質的積累。這主要是由于生物炭支架碳的穩(wěn)定性，以及其吸附其他有機物質的能力，從而能促進土壤中有機質的長期增加。而腐植酸產品穩(wěn)定性較弱，雖然能短期促進土壤有機質的增加，但在中長期來說效果不顯著。特別是一些小分子的黃腐酸物質，由于其分子量小，更容易被微生物分解利用。因此在促進土壤有機質上更弱于生物炭產品。

二

生物炭與腐植酸肥料商品種類與特點

在上文中介紹了生物炭與腐植酸的區(qū)別，這里再和大家介紹下目前市場上開發(fā)的肥料產品情況。

首先，我們來看生物炭肥料產品。由于國內生物炭的研究開發(fā)時間較短，市場上的產品種類并不多見，特別是由于生物炭原料的來源的限制、制備技術以及成本問題，商品化的產品價格一般為高端產品。目前市場上的主流生物炭肥料產品主要有二類。第一類是時科生物科技（上海）有限公司等企業(yè)開發(fā)的生物炭基有機肥類的產品。其主要是將生物炭以一定比例與高品質的生物有機肥產品進行配比，開發(fā)出的含有生物炭、腐殖質和有益微生物菌的生物肥料。這一類的生物炭基肥料產品主要的作用是修復改良土壤為其特色，兼顧了生物炭和腐植酸兩類物質的優(yōu)點，對目前中國主要的酸化土壤、鹽漬化土壤等具有顯著的修復作用。長期使用能顯著提高土壤有機質，促進土壤養(yǎng)分平衡，降低重金屬、有機污染物的吸收。這類產品在提高作物品質上的效果比較顯著。但該類產品的礦質營養(yǎng)成分較低，需配合高含量礦質元素的化肥進行使用。

圖片：時科碳基肥產品

第二類產品是將生物炭與傳統(tǒng)化肥進行復合，生產的生物炭基復合肥產品。這類產品的特點是以促進肥料的利用率為主，兼顧改良土壤的效果。這類產品在我國東北三省銷售較多。今年4月1日，生物炭基肥料的行業(yè)標準（NY/T3041-2016）開始實施，助推了炭基復合肥產業(yè)的發(fā)展。然而，受限于生物炭產能問題，這類產品在市場上并不多見。

圖片：沈陽生物炭聯(lián)盟成立照片

腐植酸類肥料產品由于其發(fā)展時間較長，產品品種較多。其中比較常見的有以腐植酸料為主的腐植酸鉀、黃腐酸鈉、腐植酸銨等產品。也有腐植酸銨與過磷酸鈣、鉀肥或微量元素混合的腐植酸復合肥料產品，或者腐植酸與尿素復配的腐植酸尿素產品等；還有一類是以黃腐酸產品與一些礦質元素復配的沖施肥和葉面肥產品等。這些產品主要是以提升肥料的功能性和養(yǎng)分利用率主要特點。

三

生物炭肥與有機營養(yǎng)

總之，無論是生物炭基肥料還是腐植酸類肥料，在產品合格的情況下，對土壤修復和作物生長均具有較好的效果。但當前部分企業(yè)為了提高產品價格，賺取超額利潤，對產品進行虛假宣傳、夸大功效。特別是一些黃腐酸、腐植酸肥料的廠家，常?？浯蟛糠中》肿踊钚蕴嫉墓δ埽阉鼈兊纳锎碳すδ芡祿Q概念為碳素營養(yǎng)，大肆炒作碳營養(yǎng)、有機營養(yǎng)等概念，引起消費者認知混亂，筆者在這里有必要進行澄清。

應該來說，無論是生物炭還是腐植酸類物質，其中均包含有大量的小分子有機碳。這類物質具有一些類激素的生物刺激功能，在提高植物根系生長、促進葉綠素合成、增加作物抗逆性上有顯著功效。由于這些小分子碳的種類繁多，其對植物生長的作用功能機制在學術界尚未完全明了。但是，這類小分子有機碳其主要作用是對植物生長的調控、刺激功能，起到的是生物信號的作用，而非營養(yǎng)的功能。

我們知道，植物是自養(yǎng)生物，通過光合作用吸收空氣中的CO2，合成糖類物質供給植物生長所需。因此，雖然植物組成中C確實為第一元素，但植物碳的供給主要來自于空氣。而無論是黃腐酸、生物炭產品中包含的小分子碳，雖然也能被植物吸收，但作用量是極少的，并不是植物碳骨架的主要供給者，更不能稱為有機碳營養(yǎng)。

從常識也可以看出，植物生長需要大量的碳元素，而一些黃腐酸等小分子碳類物質供給量極少，不可能提供植物整個生育期的需碳量。另外，這些小分子碳的另一個重要功能是供應土壤中微生物的生長，作為微生物的營養(yǎng)成分存在。而微生物生長會促進土壤理化性質的改善，進而促進了植物的生長。因此，小分子碳在土壤中的功能是多樣的，其對作物直接和間接的作用都有，不能僅認為其被植物直接吸收發(fā)揮功能。

四

生物炭基肥料的市場概況

目前，由于市場上的生物炭基肥料尚處于起步階段，市場上開發(fā)的肥料產品比較少。但隨著生物炭產品市場的崛起，一些企業(yè)也開始打生物炭肥的旗號以劣充好，假冒偽劣的現(xiàn)象頻發(fā)，這就要求我們消費者具備辨別碳肥產品的能力。筆者在這里對生物炭基肥產品的市場進行介紹，幫助消費者識別好的炭基肥產品。

生物炭基肥料的生產的第一步是生物質炭的生產。由于當前我國生物質炭收集、儲運的困難，以及工業(yè)化、連續(xù)化生產生物質炭的技術尚未完全成熟，生物炭的整體產能不高，炭原料的價格也處于高位。因此，在肥料行業(yè)中使用生物炭配方的肥料產品整體上應該為高端產品。目前，一些肥料產品標“生物炭肥料”字樣，但價格低端的，一般均為假冒產品。

另外，市場上也有一些企業(yè)，主要是一些生物質能源公司，把生物發(fā)電的廢棄物作為生物炭肥料產品進行銷售。這一類的產品主要是一些草木灰成分，含碳量較低，并不具備真正生物炭基肥料的吸附功能。因此這類產品在應用效果上并不明顯，這也是值得當前市場上需要注意的。

還有，一些企業(yè)采用的炭化原料并非為生物質源，而是一些畜禽糞便，其炭化程度也不高，重金屬含量常有超標風險，因此存在一些產品質量問題，這些都需要消費者進行識別。

責任編輯：天天向上