生物质资源化利用研究现状

付 丹

(辽宁石化职业技术学院 应用化学系，辽宁 锦州 121001)

生物质是地球上最广泛存在、取之不尽、用之不竭的物质，包括动物、植物、微生物以及由这些有生命物质派生、排泄和代写的许多有机质。较有代表性的生物质如：农作物、农作物废弃物、农产品加工业废料、木材、木材废弃物、动物粪便、城市垃圾等。生物质具有可再生性、低污染且分布十分广泛，充分利用生物质资源将解决我国能源紧张的现状，利于社会的可持续发展。

1 废弃生物质直接处理环境污染物

农业废弃物是一种较好的吸附材料，如稻草、稻壳、花生壳、核桃壳等均可作为吸附剂直接处理环境污染物。钱锋[1]等利用稻草处理养猪废水，研究发现，养猪废水经稻草处理后，恶臭味明显减弱，并且废水中的小分子有机物、氨氮和磷等物质含量均有所降低，而且用后的稻草还可做作为土壤改良剂或肥料，真正实现了农业固体废弃物的资源化利用，具有一定的经济及实际应用价值。鲁秀国[2]等用废弃花生壳静态吸附处理低浓度Cr(Ⅵ)废水，吸附300min后，Cr(Ⅵ)去除率可达99.55%，满足GB8978-1996《污水综合排放标准》标准。可见，废弃生物质作为吸附剂处理环境污染物是可行的，但是有些生物质材料若不经处理吸附性能很差，所以对生物质材料进行高温或活化等处理是很必要的。

2 生物质制备生物质炭

2.1 作为吸附剂

生物质炭是将生物质原材料粉碎后，在高温炉中，于一定温度、保护气氛下热解活化一段时间，冷却后制得生物质炭材料。原材料特性、热解时间、活化剂浓度、活化时间及热解温度等对生物质炭材料的吸附性能均有所影响。国内外研究较多的是采用稻壳、核桃壳、花生壳、椰子壳、竹材、木材、粉煤灰等废物生物质制备生物质炭。Yu ping Qiu[3]等采用自制废弃稻壳炭吸附活性艳兰和罗丹明B溶液，并与市售活性炭做对比。结果表明，两吸附剂的比表面积相近，而孔结构性能、表面酸性和零电荷点不同，废弃稻壳制备的活性炭在pH分别为3.0时对上述两种染料的吸附效果较好。Vinay Kumar Jha[4]等利用热电厂废弃的粉煤灰与NaOH混合后在750℃氮气保护条件下煅烧1h，用制得的吸附剂处理Ni2+，Cu2+，Cd2+和Pb2+金属离子，发现对Pb2+离子的吸附容量最大，吸附符合Langmuir等温模型，吸附行为可用伪二级动力学规律来描述。诸多研究表明，废弃生物质材料经热解及活化剂活化后，可作为吸附剂处理污染物。

2.2 改良土壤

生物质炭内部及表面含有大量的C、N、P、丰富的含氧官能团及其他有机营养成分，并且有较高的pH值和离子交换能力，可中和土壤酸度，抑制土壤中有机质矿化，是较好的土壤改良剂。卢再亮[5]等采用厌氧热解法对生活污水处理厂的污泥进行热解处理，制备生物质炭，研究污泥生物质炭对酸性红壤的改良效果。经90天培养实验发现，500和700℃下制备的污泥生物质炭对土壤的改良效果很好。但因污泥生物质炭中含有重金属离子，导致土壤中重金属离子含量增加，但未超过国家标准。赵次娴[6]等利用添加蔗渣生物质炭考察对土壤有机碳矿化的影响。研究表明，添加低量(0.1%)生物质炭可抑制水田和旱地土壤有机质的矿化，在常规施用量(2.0-10.0t·hm-2)条件下，生物质炭施用于旱地比水田更能达到固碳减排的效果。

3 生物质生产生物油

生物油是以生物质为原料，在中温(500～600℃)、隔绝氧气的条件下将生物质(木材、秸秆等)颗粒物迅速加热使其裂解，再迅速冷凝后得到的一种棕黑色液体。生物油可作为燃料用于窑炉、锅炉等产热设备，也可代替汽油、柴油等，作为柴油机、内燃机、汽车等交通运输工具的燃料油，并且生物油中含大量有机质，也可提取制作化学品。生物油制备所用原料来源广泛、可再生、便于运输、能量密度较高，是一种潜在的液体燃料和化工原料。由于生物油的这些特点，使得近些年，利用生物质材料生产生物油的研究颇多。董芃[7]等以白桦木屑为原料，用自制生物质快速热解流化床热解反应器制取生物质油，考察温度、流化气流量等对热解产物的影响，实验方法制得的生物油的产率达65%。经GC-MS分析，发现生物油里面含有22种可以辨识的化合物，而且经热重分析发现生物油的完全热解温度为110℃，失重率为99.08%，残渣很少。

4 生物质燃烧技术

最早人们经常把废弃的农作物秸秆作为薪柴燃烧加热取暖，这也是生物质材料燃烧的开始。随着研究的深入，目前常用的燃烧方式有：层燃烧技术、流化床燃烧技术、生物质固体成型燃料燃烧技术、生物质与煤混烧技术等[8]。

传统的层燃技术是指生物质燃料铺在炉排上形成层状，并结合配风将生物质燃料逐步地进行干燥、热解、燃烧及还原过程，可燃气体与二次配风在炉排上方的空间充分混合燃烧。生物质层燃技术被广泛应用在农林业废弃物的开发利用和城市生活垃圾焚烧等方面，可适于燃烧含水率较高、颗粒尺寸变化较大的生物质燃料，具有较低的投资和操作成本。

流化床燃烧是一种燃烧化石燃料、废物和各种生物质燃烧的燃烧技术，燃烧颗粒在流态化(流化)状态下进行燃烧。一般粗粒子在燃烧室下部燃烧，细粒子在燃烧室上部燃烧，被吹出燃烧室的细粒子采用各种分离器收集下来后，送回床内循环燃烧。流化床燃烧技术是一种介于层燃和悬浮燃烧之间的燃烧方式，其又可分为鼓泡流化床燃烧技术和循环流化床燃烧技术。这种燃烧技术具有传热传质性能好、燃烧效率高、有害气体排放少、热容量大等一系列的优点，很适合燃烧水分大、热值低的生物质燃料。其中循环流化床燃烧技术在近三十年内得到快速发展，并且已进入商业运行。

生物质固体成型燃料燃烧技术始于20世纪30年代，在国外发展比较迅速，目前在日本、美国及一些欧洲国家此项技术已经成型，并实现产业化运行。我国在80年代才开始研究此项技术，现也已形成了一定的生产规模。生物质固体成型燃料能力密度高、体积小、易于运输、燃烧效率高、燃烧后的灰渣及烟气中污染物含量小，是一种清洁能源，具有广阔的应用前景。但目前我国生物质成型燃料的规模仍然不大，成型燃料的压制设备、燃烧设备等方面仍不成熟，有待进一步研究。

生物质与煤混烧技术是将生物质和煤一起燃烧。这样就避免了单纯生物质燃料热值低、装机容量小的缺点，同时还可以很好利用生物质中SOx、NOx排放小及CO2零排放的优点，使得混合燃烧可以有效降低空气污染物的排放。但是生物质与煤的混合燃烧也存在许多问题。如：生物质原料受季节性影响供应不足的现象、燃烧后灰渣处理问题、混合燃烧原料配比问题以及对燃烧设备的要求等都是制约混烧技术的关键。

5 生物质气化

生物质气化是将生物质，在高温条件下与气化剂反应，通过气化炉将可燃物质转化成小分子可燃气体的反应过程。气化产生的燃料可用于发电、也可作为锅炉供暖的燃料、化学产品的中间体以及用来生产其他液体燃料等。在气化过程中关键是气化工艺及气化炉的设计，典型的气化工艺是干馏、快速热解和气化工艺。在气化工艺方面我国研究较早的是低温干馏技术，气化炉多采用的是固定床式，但是从经济角度来讲，流化床式更有价值，因此气化炉的设计应该是今后研究的方向。

生物质气化的另一产物—沼气，是在厌氧条件下，有机生物质(如：人畜粪便、农作物秸秆、垃圾等)经微生物分解，产生CH4、CO、CO2等各类可燃气体化合物。此气体也可作为燃料来供暖等，同时沼肥和沼渣还可作为肥料再次利用，达到废弃生物质的无害化处理的目的。

6 结语

生物质作为一种可再生、污染小的清洁能源，在我国节能减排、可持续发展战略中具有重要地位。虽然目前对生物质的开发和利用已经取得了一定的进展，但是生物质资源利用技术、生产设备、市场开发及应用等还不够完善。今后应借鉴国外一些发达国家经验，努力研发，早日使生物质资源的利用在我国得到快速发展，走向产业化和商业化。

[1]钱锋，曾萍，宋晨，等.养猪废水的吸附-过滤法初级处理试验研究[J].安全与环境学报，2008，8(6)：60-64.

[2]鲁秀国，钟璐.农业废弃物花生壳对废水中Cr(Ⅵ)的静态吸附特性研究[J].邢台职业技术学院学报，2011，28(1)：35-39.

[3]Yu ping Qiu，Zhen zhi Zheng，Zun long Zhou，et al.Effectiveness and mechanisms of dye adsorption on a straw-based biochar[J].Bioresource Technology，2009，100：5348-5351.

[4]Vinay Kumar Jha，Motohide Matsuda，Michihiro Miyake.Sorption properties of the activated carbon-zeolite composite prepared from coal fly ash for Ni2+，Cu2+，Cd2+and Pb2+[J].Journal of Hazardous Materials，2008，160：148-153.

[5]卢再亮，李九玉，姜军，等.生活污水污泥制备的生物质炭对红壤酸度的改良效果及其环境风险[J].环境科学，2012，33(10)：3586-3591.

[6]赵次娴，陈香碧，黎蕾，等.添加蔗渣生物质炭对农田土壤有机碳矿化的影响[J].中国农业科学，2013，46(5)：987-994.

[7]董芃，齐国利，王丽，等.生物质快速热解制取生物质油[J].太阳能学报，2007，28(2)：223-226.

[8]陈汉平，李斌，杨海平，等.生物质燃烧技术现状与展望[J].工业锅炉，2009，5：1-7.