厌氧消化耦合热解炭化技术促进沼渣养分富集与缓释性能的机制研究

为解决沼渣资源化利用难题，研究人员开展厌氧消化-热解（AD-Pyrolysis）耦合技术研究，系统探究不同发酵程度玉米秸秆沼渣在300°C热解过程中氮、磷、钾的迁移转化规律。结果表明：热解将不稳定磷形态（H2O-P/NaHCO3-P）转化为稳定形态（NaOH-P/HCl-P），有机氮占比超99%，钾元素向缓释形态转化，实现了沼渣高值化利用与碳汇-养分循环协同。

　　

随着可再生能源需求的增长和能源转型的加速，生物质能作为关键的可再生能源日益重要。厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术作为一种高效的有机废弃物处理与能源回收方式，在全球范围内得到广泛应用。预计到2030年，中国年产沼气量将超过2.0×10¹⁰ m³，年沼渣产量（湿基）达4.17×10⁷吨。然而，大规模沼气生产产生大量含有难降解有机物和病原体的沼渣，难以及时处理。沼渣处理成本占沼气项目总运营费用的20–35%，成为制约行业发展的瓶颈。此外，典型发酵底物中仅15–40%的能量在AD过程中转化为沼气；沼渣不当处置会对环境和人类健康构成显著风险。因此，高效处理沼渣是紧迫的环境挑战。

传统沼渣处置方式——焚烧——可快速减容，但脱水干燥预处理的高能耗使该方法经济成本高昂，且焚烧导致沼渣中营养资源流失。沼渣富含氮（N）、磷（P）、钾（K）等养分，具有巨大农用潜力。例如，Hung等报道猪粪沼渣的氮、磷含量分别达4.56 wt%和11.5 wt%，且矿物质组成丰富。尽管直接还田成本较低，但存在病原微生物和寄生虫污染风险，且有机物分解可能造成局部厌氧条件，限制其大规模安全利用。堆肥可稳定60–80%的有机物并生产有机肥，但过程通常需30–60天，并释放CO₂和NH₃等气体，导致养分损失和温室效应。

近年来，沼渣热解已成为资源化利用的关键方法，其理念基于生物质分级与循环经济。热解指生物质在厌氧条件下热化学分解，产生合成气、生物油和生物炭。生物炭的多孔结构和丰富官能团（如羧基和酚羟基）使其能高效保留矿质养分（N、P、K），是理想的土壤缓释载体。低温热解（～300°C）制备的生物炭被广泛视为优质有机肥，主要因其富含N、P、K等养分。低温热解仅诱导作物残茬中有机氮化合物的温和分解，将其转化为生物可利用性更高的有机氮形式（如铵态氮和氨基糖氮），而非高温热解形成的稳定杂环氮化合物。对于磷，低温处理可抑制可溶性无机磷向不溶性磷酸盐矿物（如Ca₃(PO₄)₂或FePO₄）的热转化，这些矿物溶解度低，可作为缓释剂，显著提高磷的长期有效性。对于钾，低温热解过程有效防止高温（通常700°C以上）引起的钾挥发，并保持生物炭的多孔结构，有助于通过阳离子交换增强对钾的保留能力。

研究表明，300°C热解鸡粪制备的生物炭在供氮方面表现最佳，且碳排放最低。Hossain等发现该温度下热解可显著增加生物炭氮含量，增幅达15–69%。值得注意的是，厌氧消化预处理可富集沼渣养分，后续热解进一步强化该效应。Yu等研究显示，湿地植物厌氧消化获得沼渣后制备的生物炭，其磷含量是原料的2.4倍。然而，当前研究主要关注生物炭产品的总养分分析，对“厌氧消化-热解”耦合过程中养分迁移规律与转化机制的深入探索仍缺乏。这一知识缺口阻碍了针对性生产具有理想养分释放特性和最佳农学效能的生物炭。

基于此，本研究以玉米秸秆为原料，通过厌氧消化生产不同发酵程度的沼渣，并在300°C下热解制备生物炭。系统研究了所得生物炭的热解特性与理化性质，重点揭示了厌氧消化与热解耦合过程中氮、磷、钾的形态转化与迁移规律，旨在为沼渣高值资源化利用提供理论依据与数据支持。

本研究通过厌氧消化实验获取沼渣样品，以玉米秸秆为原料，在37±1°C下进行51天厌氧消化，分别在0、9、18、30、51天取样，获得CR-0至CR-51沼渣。热解在300°C下进行15分钟，制备CS-T、CBR-0至CBR-51生物炭。分析手段包括pH测定、元素分析、SEM、XRD、FTIR、TG-MS/FTIR联用、氮磷钾形态分析（凯氏定氮法、连续提取法等）。

3.1. 不同发酵程度沼渣的热解特性

热解过程分为三个阶段：脱水与轻烃降解（40–160°C）、半纤维素/纤维素/木质素热分解（160–550°C）、木质素热解与挥发物二次裂解（550–900°C）。随发酵时间延长，沼渣热稳定性增强，CO₂释放减少，CO释放增加，与木质素相对富集相关。FTIR显示挥发成分主要为H₂O、CO₂、CO、CH₄等小分子气体及醛酮类轻焦油。

3.2. 沼渣与沼渣生物炭的基本特性分析

3.2.1. 生物炭产率与pH

生物炭产率随厌氧消化时间延长先增后减，CR-30沼渣热解产率最高（62.06%）。生物炭pH为7.73–8.32，呈弱碱性，适用于酸性土壤改良。

3.2.2. 元素组成与工业分析

热解显著降低生物炭H/C与O/C比，表明碳化、芳香缩合与疏水性增强。沼渣发酵过程中碳元素减少，氮含量先增后减，CR-18氮含量最高（2.72%）。热解后生物炭氮含量富集，CBR-30氮含量较CBR-0高11.61%。

3.2.3. SEM、XRD、FTIR

SEM显示随发酵程度加深，生物炭结构从致密有序变为松散多孔。XRD表明SiO₂为主要晶相，另检测到KCl、AlPO₄等晶体，证明热解将养分稳定为无机晶体。FTIR显示生物炭含丰富氧官能团（如-OH、C=O），增强极性与养分保留能力，CBR-30表现最佳。

3.3. 养分分析

3.3.1. 磷分析

沼渣总磷含量先增后减，CR-30最高（17.28 mg/g）。热解使生物炭总磷含量增加56.94–73.49%，CBR-30达27.12 mg/g。厌氧消化降低H₂O-P比例，热解进一步将不稳定磷（H₂O-P、NaHCO₃-P）转化为稳定磷（NaOH-P、HCl-P），占比超74%，显著降低淋溶风险。

3.3.2. 氮分析

沼渣总氮含量先增后减，CR-30最高（22,532 mg/kg）。热解导致99%以上无机氮损失，生物炭中99%以上氮为有机形态，需微生物矿化，适合长期土壤改良。无机氮以氨氮和硝态氮为主，热解后含量显著降低。

3.3.3. 钾分析

沼渣总钾含量随发酵时间增加，CR-51最高（15.14 mg/g）。热解使生物炭总钾含量增加，并促进钾向缓释形态转化，缓释钾含量为原料的7.13–11.40倍。

本研究通过厌氧消化-热解耦合技术，实现了沼渣养分的有效富集与稳定化。厌氧消化显著提高氮、磷、钾含量，热解进一步增加磷、钾水平，总磷增加73.49%，总钾增加1.31倍。同时，热解大幅降低无机氮含量。磷、钾形态分析表明，热解提高NaOH-P比例至32.83%以上，并促进有效钾向缓释形态转化，显著降低养分流失风险。该耦合技术成功将沼渣转化为高价值生物炭，结合碳汇与养分循环。建议未来进一步验证该方法的普适性，优化不同沼渣来源与热解条件的工艺参数，并开展田间试验，评估生物炭在不同土壤-作物系统中的养分释放行为与长期生态效应。推动沼渣衍生生物炭作为缓释肥的工业应用，可为农业废弃物循环利用与可持续农业提供坚实技术支持。

论文发表于《Biomass and Bioenergy》。