利用原始及改性桉树生物炭吸附厌氧食物垃圾消化液中铵态氮用于氮肥的研究

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《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Adsorption of Ammonium from Anaerobic Food Waste Digestate by Pristine and Modified Eucalyptus Biochar for Nitrogen Fertiliser Use

【字体：大中小】 时间：2025年04月09日 来源：Journal of Soil Science and Plant Nutrition 3.4

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　　为解决有机废物处理及厌氧消化液中高浓度铵离子（）带来的环境问题，研究人员开展了利用原始及改性桉树生物炭吸附并作为潜在氮肥的研究。结果表明改性生物炭能有效吸附，且负载的生物炭可促进植物生长，为有机废物处理和氮肥利用提供新途径。

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　　在全球环境问题日益严峻的当下，有机废物的处理成为了一个棘手的难题。澳大利亚每年产生约 1440 万吨有机废物，其中约一半被填埋，不仅占用大量土地资源，还对环境造成了极大的压力。而厌氧消化作为一种可持续的废物处理方式，虽能将有机废物转化为有价值的资源，如产生沼气用于能源，消化液可作为土壤改良剂和肥料，但厌氧消化液中含有大量的铵离子（），这却带来了一系列问题。

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浓度过高会抑制甲烷生成，降低沼气产量，并且在储存或土地施用过程中，容易通过生物产生的和化学诱导的挥发导致氮素大量损失，还可能引发水体富营养化等环境问题。同时，传统去除的方法，如生物硝化 - 反硝化过程，存在效率低、操作困难等缺点。因此，寻找一种高效、环保的方法去除厌氧消化液中的，并将其转化为可利用的资源，成为了科研人员亟待解决的问题。

在这样的背景下，西澳大利亚大学（The University of Western Australia）的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们旨在探究原始及硝酸（）和碳酸钠（）改性后的桉树生物炭对食物垃圾厌氧消化液中的吸附性能，以及负载的生物炭作为潜在氮肥对植物生长的影响。该研究成果发表在《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》上，为有机废物处理和氮肥利用开辟了新的方向。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先，制备了不同浓度的溶液和厌氧消化液，用于后续实验。接着，通过将桉树生物炭浸泡在和溶液中的方式对其进行改性。然后，采用多种表征手段，如测定生物炭的水含量、不稳定物质含量、pH、电导率（EC）、阳离子交换容量（CEC）等基本性质，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析生物炭表面功能基团变化，扫描电子显微镜（SEM）和能量色散 X 射线光谱（EDX）观察生物炭表面结构和元素分布。同时，进行了一系列吸附实验，包括研究生物炭施用量、溶液 pH、初始浓度和接触时间等因素对吸附性能的影响，并运用多种模型对吸附数据进行拟合分析。最后，通过温室盆栽实验，以甜玉米（Zea mays L.）为研究对象，探究生物炭对植物生长的影响。

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研究结果如下：

生物炭的性质变化：改性处理使原始生物炭的 pH 从 4.14 提升到 7.75，EC 显著增加，总氮含量从提高到，CEC 从大幅提升至。FTIR 分析显示，生物炭在吸附后功能基团发生变化，SEM 图像表明改性生物炭的孔隙结构更规整，EDX 光谱则显示化学改性使生物炭中部分元素含量改变，如、、、等元素含量降低，同时引入了元素。
吸附实验结果：
- 生物炭施用量的影响：通常，生物炭施用量增加，去除率提高，但单位吸附剂的绝对吸附容量降低。在纯铵溶液中，改性生物炭在较低施用量（）时的吸附容量（）就大于原始生物炭；在厌氧消化液中，改性生物炭和原始生物炭的最高吸附容量分别出现在的施用量时，且改性生物炭（）高于原始生物炭（）。
- pH 的影响：在纯铵溶液中，原始生物炭在 pH 7 时的吸附量高于 pH 6，改性生物炭在 pH 7 时的吸附量高于 pH 4 和 9 。随着 pH 从 4 增加到 7，改性生物炭和原始生物炭的吸附容量均有所增加，而 pH 升高到 9 时，两者吸附容量又略有下降。
- 初始浓度和接触时间的影响：除原始生物炭在纯铵溶液中，初始铵浓度对其他情况下的铵吸附均有显著非线性影响。在所有铵浓度（）下，改性生物炭在纯溶液中的吸附容量（）都高于原始生物炭（）；在厌氧消化液中，随着铵浓度增加，两者吸附容量也增加，改性生物炭（）高于原始生物炭（）。在 pH 7 和 25℃条件下，原始和改性生物炭在纯铵溶液中 2 小时达到最大铵吸附平衡，在厌氧消化液中则需要 4 - 6 小时。
- 吸附模型拟合结果：Langmuir 和 Freundlich 吸附等温线模型能较好地拟合改性生物炭在纯铵溶液和厌氧消化液中的吸附数据，且 Langmuir 模型对改性生物炭的拟合效果更好，其预测的改性生物炭最大吸附容量（）高于原始生物炭。在动力学模型方面，伪一阶、伪二阶、Elovich 和颗粒内扩散模型对吸附数据进行拟合，结果表明伪二阶和 Elovich 模型能较好地解释铵的吸附动力学，改性生物炭在这两个模型中的吸附容量和初始吸附速率均高于原始生物炭，而颗粒内扩散模型不适合描述改性和原始生物炭对铵的吸附过程。
生物炭对玉米生长的影响：通过温室盆栽实验发现，生物炭类型和施用量对玉米地上部干重有显著交互作用。在 0.5% 和 1% w/w 的施用量下，桉树生物炭显著促进了玉米生长（地上部和根部干重增加）。未负载的原始和改性生物炭能促进地上部生长，而负载的原始生物炭在较低施用量下对地上部干重的增加效果优于负载的改性生物炭，且负载的原始生物炭对根部生长的促进作用显著强于改性生物炭和负载的改性生物炭。然而，当改性生物炭施用量过高（4% MB 或 4% N - MB）时，玉米无法发芽，这可能是由于过高的铵浓度产生了毒性。

研究结论和讨论部分指出，用和处理桉树生物炭，显著提高了其从消化液中去除目标的能力，主要通过化学吸附、离子交换、静电相互作用和阳离子相互作用等机制。改性过程增加了生物炭的表面酸度、孔隙结构、pH、EC 和 CEC 值，改变了其表面功能基团和元素组成，从而增强了其吸附性能。同时，负载氮的生物炭在适宜施用量（0.5% w/w）下能促进玉米生长，这表明富集改性生物炭有望作为氮肥在土壤中重复使用。然而，研究也存在一些局限性，例如未研究在水溶液中的解吸数据。未来研究需要进一步探究改性对生物炭性质的影响，以提高其营养负载技术，深入理解靶向改性和优化策略，使生物炭能更好地适应不同土壤条件，支持各种作物生长，提高养分利用效率，确保农业的长期可持续发展。此项研究为有机废物处理和氮肥的可持续利用提供了重要的理论依据和实践指导，对缓解环境压力、促进农业可持续发展具有重要意义。

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