商业规模木源生物炭与城市固体废物有机组分共堆肥的气候减排效应及堆肥品质提升研究

为解决城市固体废物有机组分(OFMSW)堆肥过程中温室气体(如CH4、N2O)和恶臭物质(NH3、VOC)排放问题，研究人员通过商业规模试验探究700°C热解木源生物炭(添加量10%干重)的调控作用。结果表明，生物炭使堆体高温期延长(平均47 vs 38°C)，显著降低CH4(70%)和NH3(40%)排放，并减少异味(1.1E+06 vs 1.9E+06 ou Mg-1)，同时保持堆肥农用价值。该研究为废弃物处理行业提供兼具碳封存与减排双重效益的解决方案。

　　

随着城市化进程加速，城市固体废物有机组分(OFMSW)的处理成为环境治理难题。传统堆肥技术虽能转化有机废物为肥料，但过程中释放的甲烷(CH₄)、氧化亚氮(N₂O)等温室气体，以及氨气(NH₃)和挥发性有机物(VOC)造成的恶臭污染，严重制约其可持续发展。更棘手的是，商业规模堆肥因物料堆积密度大、氧气扩散受限等问题，往往产生局部厌氧环境，进一步加剧温室气体排放。如何实现高效堆肥与减排双重目标，成为废弃物资源化领域亟待突破的科学问题。

在此背景下，来自西班牙巴塞罗那Manresa的Bages Waste Management Consortium研究团队在《Bioresource Technology》发表重要成果。该研究首次在商业规模验证了木源生物炭对OFMSW堆肥的协同优化效应，通过系统监测温度动态、气体排放及堆肥品质等指标，揭示了生物炭在促进堆肥过程与减排中的多重作用机制。

研究采用商业级堆肥设施，设置生物炭添加组(10%干重，700°C热解)与对照组平行试验。通过在线温度监测、气体通量箱采样结合GC-MS分析，量化CH₄、N₂O、NH₃及VOC排放；采用动态呼吸指数(DRI)评估堆肥稳定性，结合Py-GC-MS解析有机物转化特征；参照Puro.Earth标准计算碳减排当量。

3.1 堆肥性能
温度监测显示生物炭使高温期(>55°C)延长，平均温度较对照组高9°C(47 vs 38°C)，但成熟期温度增幅趋缓。氧浓度始终维持>10%，证实生物炭改善堆体孔隙结构而不影响好氧条件。

3.2 气体排放
生物炭使CH₄累计排放量降低70%(0.05 vs 0.17 kg Mg^-1)，主要归因于其促进氧气扩散；N₂O在成熟期排放量仅为对照组的1/3。NH₃减排40%(0.35 vs 0.57 kg Mg^-1)，突破性地证实生物炭在商业规模仍保持氮素固定能力。VOC在成熟期排放量降低50%(35 vs 175 g C-VOC day^-1)，其中含硫化合物减少最显著。异味强度降低42%，首次量化生物炭对堆肥厂周边居民的嗅觉保护效益。

3.3 堆肥特性
DRI值显示两组堆肥均达商业成熟标准(1.02-1.16 mg O₂ h^-1 kg^-1)。Py-GC-MS揭示生物炭组脂肪分解减缓而氮素微生物转化增强，木质素保留率提高15%。重金属含量符合欧盟标准，锌(Zn)虽略超限但生物炭可能降低其生物有效性。

3.4 碳减排核算
生物炭组净碳足迹为-168.6 kg CO_2eq Mg^-1，较对照组(13.1 kg)实现碳负排放。按工厂年处理14,300吨OFMSW计，年碳减排潜力达3,500吨CO_2eq。

该研究突破实验室尺度局限，首次在商业运营场景证实生物炭的多重效益：通过改善堆体物理结构减少CH₄生成，通过表面吸附和温度缓冲协同控制NH₃挥发，且不影响终产物农用价值。特别值得注意的是，生物炭对含硫VOC的选择性吸附机制为恶臭控制提供新思路。研究建立的排放因子数据库为生命周期评价(LCA)提供关键参数，而提出的"生物炭含量-减排效率"量化模型(17-20%添加量)为工程化应用奠定基础。

这项成果标志着有机废物处理从"减污"向"降碳"的技术跨越，为碳中和目标下废弃物行业提供可复制推广的解决方案。未来研究可进一步解析生物炭-微生物互作机制，并开发基于排放特征的精准通风控制系统，最大化环境经济效益。