国内生物质气化研究热点、演进与趋势分析

为客观全面地分析我国生物质气化领域的发展脉络及研究动态,以近30年关于“生物质气化”的1722篇文献作为数据源,利用知识图谱软件对发文量、机构及关键词等进行文献计量与内容分析,解析该领域的前沿热点和发展趋势。研究表明:生物质气化发文量可分为初出萌芽期、蓬勃发展期和小幅下降期;我国生物质气化研究的热点集中在拓展生物质气化原料选择范围及优化气化技术、提高气化产物效率等方面,从重产率转向重社会效益。未来我国生物质气化的研究趋势为生物质原料外扩、气化反应机理、气化反应过程和气化产物高值化利用等方向。

不同NaOH预处理浓度和预处理时间对麦秆常温厌氧发酵效率的影响

在确保NaOH对小麦秸秆预处理效果的前提下,通过适当延长预处理时间可减少NaOH用量,进而降低二次污染风险,为小麦秸秆的户用沼气生产提供理论依据。采用自行设计的厌氧发酵装置,研究不同NaOH预处理质量分数和预处理时间对小麦秸秆常温(20℃)厌氧发酵效率的影响。结果显示,在小麦秸秆常温厌氧发酵时,NaOH质量分数为3%时的预处理效果优于质量分数为0和6%的预处理效果;在预处理7~28 d时,纤维素、半纤维素和木质素的脱除率分别为3.66%~8.07%、43.08%~46.43%和47.88%~51.44%;发酵时的初始pH值为8.36~8.47,108~113 d发酵基本完成,累积产甲烷1 565.80~1 833.16 mL,干物质累积产甲烷体积为97.86~114.57 mL/g,产甲烷速率为13.86~16.97 mL/d,甲烷体积分数为50%~58%的持续时间为57~72 d。通过响应面模型试验得到最优预处理条件为:NaOH质量分数为4.36%,预处理时间为12.44 d。该条件下干物质甲烷产量的实测值为113.76 mL/g,与预测值接近,相对误差小于5%,表明模型有效。综合判断,在小麦秸秆常温(20℃)厌氧发酵时,利用质量分数为4.36%(以秸秆干重计)的NaOH对秸秆进行预处理切实可行。

大豆皂脚与玉米秸秆厌氧发酵沼渣共热解特性及应用

将大豆皂脚与玉米秸秆厌氧发酵沼渣两种固体废弃物以不同比例混合后进行共热解,采用元素分析、扫描电子显微镜(SEM)、N_2吸附-脱附法(BET)对得到的共热解炭进行表征,并将共热解炭循环应用到玉米秸秆厌氧发酵环境中,考察共热解炭对厌氧发酵过程的影响。结果表明:共热解炭的产率随着沼渣加入量的增大而增大;沼渣加入量较少时,可以促进共热解气的生成,但对共热解液的产生有较弱的抑制作用;共热解炭的比表面积和平均孔径介于两种单一热解炭之间,并且平均孔径随沼渣加入量的增大呈减小趋势;将大豆皂脚与沼渣的质量比为4∶3下制备的共热解炭加入厌氧发酵系统中,发酵30 d时累积产气量达到390.80 mL/g,累积产甲烷量达到213 mL/g,累积产气量达到总产气量80%所需要的时间t_(80)为(14±1) d,比不添加热解炭的空白组提前了12.5%。

Nano-Fe_(3)O_(4)强化牛粪厌氧发酵及抗性基因削减

为提高牛粪高浓度厌氧发酵产气性能,考察了不同浓度纳米四氧化三铁(Nano-Fe_(3)O_(4))对底物水解及产气效率的强化效果,探究其对发酵系统中微生物群落结构变化以及抗生素抗性基因(ARGs)归趋的影响.结果表明,添加500mg/L的Nano-Fe_(3)O_(4)可以提高牛粪高浓度厌氧发酵底物水解程度,增强系统稳定性,提高沼气产量12.36%.与对照相比,发酵系统中水解产酸菌厚壁菌门(Firmicutes)、纤维杆菌门(Fibrobacteres)的丰度分别显著增加了37.39%和75.86%.属水平上尤其是梭菌属(Clostridium)和瘤胃球菌(Ruminofilibacter)丰度是原来的3.50倍和8.69倍.产甲烷菌中甲烷八叠球菌(Methanosarcina)占主导地位,其丰度达2.55%,比对照显著增加27.50%.此外,潜在致病菌密螺旋体属(Treponema)和不动杆菌属(Acinetobacter)的丰度分别显著降低72.14%和93.69%;ARGs中四环素类(tetA、tetG、tetH、tetJ)、氨基糖苷类(aph(3)、aph(6))削减率达100%.磺胺酰胺类(sul1、sul2)平均削减率达74.41%~96.55%.研究表明添加适量的Nano-Fe_(3)O_(4)对稳定发酵系统、提高微生物活性、增加沼气产量、抗性基因削减等方面有多重促进作用,研究结果可为畜禽粪污沼气工程中Nano-Fe_(3)O_(4)等导电性外源调控添加剂的使用提供参考.

秸秆废物高值转化5-羟甲基糠醛的研究动态分析

废弃秸秆产量大,以秸秆类生物质废物制备5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural, HMF),是绿色安全资源化处理处置的途径之一,可有效缓解固废处置、可再生能源发展和环境的压力,为国家战略储备提供新思路。为了解秸秆废物高值转化HMF的研究热点与发展趋势,借助文献计量方式进行归纳总结,利用VOSviewer和CiteSpace软件对关键词进行可视化分析。结果显示:近20 a,国内外研究热点主要聚焦于秸秆废物的预处理、生物质高值转化HMF的核心技术以及制备HMF的潜力提升策略等方面。然而,该领域发展过程中仍存在HMF产率低、预处理成本大、分离提纯困难和产业化困难等问题,还有待进一步的开发和探索。根据对研究主题发展脉络和突现词分析,推测制备液体燃料、精细化学品等可能是秸秆废物高值转化HMF的发展方向,可为秸秆废物高效高值利用提供科学支撑。

不同粉碎程度下废弃萝卜堆肥养分及腐熟特征

以废弃萝卜为主料,研究粉碎程度(不粉碎、粗粉碎、细粉碎)对萝卜堆肥养分及腐熟的影响。结果表明,粉碎程度越高,堆肥启动越快且温度累积越高;堆肥结束时,3个处理的有机质和总养分含量均能达到《有机肥料》(NY/T 525—2021)的要求,且粗粉碎处理的有机质含量显著高于其他2个处理(P<0.05);堆肥结束时,粗粉碎和细粉碎处理种子发芽指数分别为88.14%和88.07%,达到腐熟要求。因此,废弃萝卜在粗粉碎和细粉碎情况下均能堆肥成功,考虑到处理成本,建议萝卜堆肥时粗粉碎即可。

“双碳”目标下农业废弃物资源化实施新路径

“碳达峰”和“碳中和”是我国的重大国家战略,作为第一产业的农业在这一战略目标的实现过程中发挥着至关重要的作用。而农业领域“双碳”目标的推进中农业废弃物的资源化又是重要的一环。本文阐述了农业废弃物除传统的“五料化”利用技术之外的几种资源化新路径,包括将农业废弃物定向转化为高附加值化学品和液体燃料、农业废弃物制备生物炭及其他功能化碳材料、农业废弃物制备可燃气以及农业废弃物制备生物质基可降解塑料等,并简要提出了这些农业废弃物资源化新路径需要进一步提升的问题及在实施过程中如何实现最大程度的碳减排,从而最大程度地促进农业领域“双碳”战略目标的实现。

芦苇基外源碳输入对土壤性质及有机碳矿化的影响

[目的]探究外加芦苇基碳源对土壤理化性质和有机碳稳定性的影响,为芦苇资源化材料在土壤改良中应用提供理论支持。[方法]采用芦苇基好氧堆肥产品(生物炭调理堆肥T_(1);底泥、生物炭调理堆肥T 2)、秸秆(RS)和生物炭(RB)作为外源碳材料进行60 d土壤培养试验,分析不同外源碳及不同添加量(5%,10%,15%)对土壤理化性质、酶活性、土壤有机碳矿化的影响。[结果]不同外源碳影响土壤养分含量,添加外源碳试验组培养初期土壤有机碳较对照组显著提高了28.0%~64.2%(p<0.05);培养末期添加生物炭和堆肥试验组土壤有机碳含量较初始阶段显著降低了15.5%~23.5%,土壤全氮降低了20.0%~69.1%。外源碳添加提高了土壤β-葡萄糖苷酶、脱氢酶含量,生物炭和堆肥影响最显著,土壤β-葡萄糖苷酶、脱氢酶与土壤容重、有机碳、全氮含量表现为极显著的正相关性(p<0.01)。外源碳添加土壤培养试验期间有机碳累积矿化量符合一级动力学模型,添加秸秆、生物炭试验组土壤有机碳矿化量为652.9~758.2 mg/kg,显著高于对照组(532.8 mg/kg)和堆肥T 2试验组(598.3~623.7 mg/kg),且外源碳添加量对土壤有机碳矿化影响显著。[结论]芦苇基外源碳输入有利于改善土壤理化性质,显著提高酶活性;芦苇秸秆对土壤有机碳矿化的激发效应显著高于生物炭和堆肥。

秸秆全量还田下施氮量对秸秆降解及相关胞外酶活性的影响

该试验采用尼龙网袋原位培养法,研究了冷凉区稻田秸秆全量还田下不同施氮水平(110、120、130、140、150 kg·hm^(-2))的水稻秸秆降解特征以及相关胞外酶活性变化特征。结果表明:在秸秆全量还田但施氮量不同的条件下,水稻秸秆在还田前期(0~20 d)和中后期(71~104 d)的降解率较快,此时秸秆残余物中可溶物质的占比大幅度减少,木质素等物质含量在秸秆残余物中的占比增加;在东北冷凉区水稻生育期内,0~15㎝还田秸秆平均降解率约为55%,15~30㎝还田秸秆平均降解率约为50%;与碳相关胞外酶(αG、βG、CBH、βX)活性普遍高于其他功能胞外酶,且秸秆降解胞外酶活性普遍在中后期(71~104 d)升高。研究表明东北冷凉区水稻秸秆全量条件下,施氮量140kg·hm^(-2)时秸秆降解率的综合效应最好,最佳秸秆还田深度为0~15 cm。

中国农业废弃物源活性氮排放特征、驱动因素及差异性分析

旨在研究农业废弃物源活性氮排放规律和监测活性氮污染,进而为减少活性氮排放量和提高氮污染治理公平提供理论依据,研究首先采用排放因子法测算了1990—2019年全国农业废弃物源活性氮排放量,并分析确定了我国(除港澳台之外)31个省级行政区域的活性氮排放特征。然后利用LMDI模型和集中指数法分别研究农业废弃物源活性氮排放变化量的驱动因素和活性氮排放量的地区差异性。结果发现,1990—2019年,全国农业废弃物源活性氮排放量在1996年达到峰值,整体呈现“M”型变化趋势;全国范围内人均活性氮排放强度呈现以胡焕庸线为界的西北低密度—东南高密度的格局。基于农产品前端消费及其农业废弃物末端处置2个维度来考察活性氮的排放特征,从农产品消费端来看,消费肉类农产品生产活性氮排放量占比(36.75%)最高,其中,牛羊肉类农产品占比高达22%;从农业废弃物末端处置来看,处置畜禽粪尿产生的活性氮占比较高,且对畜禽粪尿和秸秆而言直接排放与燃烧还田均是活性氮排放量较高的2种处置方式。国家层面农业废弃物源活性氮排放量的驱动因素为经济发展效应,而省级层面农业废弃物源活性氮排放变化量的主要驱动因素为经济发展效应、购买能力效应和消费结构效应。活性氮排放总量、人均活性氮和地均活性氮排放量均是农业经济强省较高,这些省份承担了更多的氮污染环境压力。

不同地区辣椒秸秆生物炭中磷溶出性能研究

为探究不同地区辣椒秸秆生物炭中磷的溶出能力,收集了江西省南昌市新建区、贵州省毕节市赫章县、河南省周口市太康县、甘肃省定西市安定区等不同地区的辣椒秸秆,分别制备400、700℃的辣椒秸秆生物炭,关注生物炭中不同形态磷含量(蒸馏水提取的H_(2)O-P、0.5 mol/L碳酸氢钠提取的Na HCO_(3)-P、0.1 mol/L氢氧化钠提取的Na OH-P和1 mol/L盐酸提取的HCl-P),研究生物炭中磷的动力学溶出和初始p H对磷溶出影响。结果表明,4种形态磷中H_(2)O-P含量最多,Na HCO_(3)-P含量最少。贵州地区400℃生物炭中H_(2)O-P含量最高,达7.89 mg/g;河南地区700℃生物炭中Na HCO_(3)-P含量最低,仅为0.13 mg/g。炭化温度越高,生物炭中磷的溶出量越低,400℃下制备的贵州地区生物炭磷溶出能力最强,在10 min时溶出量最大,达1.58 mg/g。溶液初始p H越高,生物炭中磷的溶出量越低,400℃下制备的贵州地区生物炭磷溶出能力最强,在p H 2.0时,磷的溶出量最大,达3.21 mg/g。研究发现,不同形态生物炭的磷含量不同,水溶性磷(H_(2)O-P)含量最高,且随着炭化温度的降低,其含量增加;炭化温度越高,p H越低,越有利于生物炭对磷的吸附,生物炭表面的局部酸性环境有利于磷养分的释放。

垃圾秸秆焚烧炉应用现状及发展建议

随着城市化进程的加快和人们生产生活水平的提高,垃圾秸秆的处理与利用问题日益突出。垃圾秸秆焚烧炉具有可回收能源、环境友好等优点,开发和应用垃圾秸秆焚烧炉是解决垃圾秸秆问题的重要途径。基于此,本文介绍了垃圾秸秆焚烧炉的基本原理与分类,深入分析了垃圾秸秆焚烧炉的应用现状,并针对目前存在的技术滞后、废气处理难度大、投资周期长、国际合作欠缺等问题,提出了促进技术研发与创新、强化环境管理和减排、加强政府支持与政策引导、加强跨国合作与学习交流等发展建议,以期为促进垃圾秸秆资源化利用,降低生态环境污染,助力乡村振兴提供参考。

蔬菜废弃物水热产物对土壤理化性状的影响

蔬菜废弃物营养丰富、产量大,但直接利用效率不高。水热处理技术可实现其减量化资源化循环利用,大大降低其环境应用风险。以经过180、210、240℃不同温度处理的蔬菜废弃物水热产物作为有机改良肥,对土壤进行为期35d的盆栽试验,结果表明:随着培养时间的延长,土壤pH值变化微小,而EC值不断增大,可达0.833 mS/cm;有机质含量先升后降,最大值为10.30 g/kg;氮磷钾养分含量逐渐升高,总养分最高达3.43%;土壤微生物以变形杆菌门和厚壁菌门等有益菌为主。蔬菜废弃物经过高温水热处理后生成的固态产物可作农肥使用,对碱性土壤具有较好的改良特性,最适宜处理温度为210℃。

鞘氨醇单胞菌对三氯卡班的降解性能

为了探究环境因子对微生物降解三氯卡班的影响,以鞘氨醇单胞菌为研究对象,分析了氮源、温度、盐度等因子变化条件下,鞘氨醇单胞菌对三氯卡班的降解性能。结果表明:鞘氨醇单胞菌能高效降解三氯卡班,氮源对鞘氨醇单胞菌在72h内对三氯卡班的降解有促进作用,降解率达96.70%以上;当温度为25℃和35℃时,菌体对TCC的降解率较高,分别为88.67%和91.00%;低盐对菌体降解三氯卡班有促进作用,高盐对菌体降解TCC胁迫作用不明显,可见鞘氨醇单胞菌具有强耐盐性。

热水解对鸡粪和牛粪厌氧消化及重金属风险的影响

为探究热水解预处理对鸡粪和牛粪在厌氧消化过程中产气效率的提升作用以及对消化残渣中重金属形态变化及潜在生态风险的影响。该研究以鸡粪和牛粪为处理对象,采用热水解处理技术,开展了连续中温厌氧消化试验。考察了热水解对畜禽粪污可生化性和重金属迁移风险。该研究还评估了连续施用厌氧消化鸡粪和牛粪15 a后土壤中重金属的积累量和Hakanson潜在生态风险指数。试验发现,鸡粪中木质纤维素含量占干固体总量的25%,牛粪为57.7%。热水解处理能够增强牛粪中木质纤维素的水解,热水解后木质纤维素的降解率为19.2%;但热水解对鸡粪的木质纤维素水解影响不明显,降解率仅为5.3%。鸡粪挥发性固体(volatile solid,VS)产气率为482 L/kg,热水解后产气率提升了12.4%;牛粪产气率为321 L/kg,热水解后产气率提升了31.2%。仅通过热水解不能降低鸡粪中重金属的迁移风险;而经过厌氧消化后,除Hg和Ni外,其他重金属迁移风险均降低到了低风险水平。牛粪经过热水解和厌氧消化处理后重金属向残渣态转换,但迁移风险没有明显改善。连续施用鸡粪和牛粪15 a后,土壤未出现的重金属积累,且15 a内总潜在生态风险等级处于低风险。该研究结果可为鸡粪和牛粪的能源化、无害化处理以及土地利用应用提供了理论依据和数据指导。

KOH含量对棉秆碳结构特征及锂硫电池正极性能的影响

以棉秆为生物质源、KOH为活化剂、单质硫为储能物质,采用炭化-活化-高压3步法制备高性能碳硫复合材料,并探究KOH用量对活性碳结构以及复合材料电化学性能的影响。结果表明,KOH的活化促进了活性碳中10 nm以下孔的发育,碳碱质量比(棉秆碳化后的碳:KOH质量比)为1∶4时活性碳的比表面积和孔体积达到最大,分别为3068.15 m^(2)/g和1.68 cm^(3)/g。过量的KOH活化导致3~9 nm部分孔的坍塌,使得微孔/小介孔向大介孔或大孔转化,比表面积和孔体积缩小。复合材料的电化学性能和活性碳的孔体积呈正相关,碳碱质量比为1∶4时制备的活性碳与硫进行复合的碳硫复合材料展现出最佳的电化学性能。在0.1 C的电流密度下经过100次循环之后,仍可保留787 mAh/g的放电容量;在2 C的电流密度下也可展现出582 mAh/g的高比容量。

小麦秸秆生物炭对灰钙土农田土壤热物理性质的影响

以小麦秸秆生物炭与干燥农田灰钙土为研究对象,通过向灰钙土土壤中施加不同比例(1%、3%和5%)的生物炭,研究小麦秸秆生物炭的添加对灰钙土理化特性的影响以及生物炭在不同含水率下对灰钙土土壤热物理性质参数产生的影响。通过电位法测pH值、重铬酸钾容量法测土壤有机质、环刀法测土壤容重、GB/T 24203-2009规定的方法测孔隙率、热脉冲法测土壤热物理性质(体积热容量、导热率、热扩散率)。结果表明:生物炭施用量在1%、3%、5%时,与对照相比pH提高了0.32、0.43和0.14;土壤有机质质量分数提高了5.64、4.29和2.29 g·kg^(-1);土壤容重降低了0.22、0.19、0.17;孔隙率提高了11%、26%和29%。则生物炭的添加量与pH值、有机质、孔隙度均显著相关(P<0.01)且呈正相关,与容重相关(P<0.01)且呈负相关。在含水率对灰钙土土壤热物理性质参数的影响下,体积热容量与含水率呈线性正相关(R2>0.952 0,P<0.05),导热率与含水率之间则呈对数相关(R2>0.995 3,P<0.05),热扩散率则相反。研究结果可为解释生物炭对灰钙土土壤热物理性质的影响提供参考依据。

干法生物天然气BECCS工程碳负排效益分析

参考清洁发展机制(CDM)方法学,结合中国国情,分析干法生物天然气BECCS工程的项目边界、基准线排放量和项目活动排放量,并计算实际工程的温室气体减排量。结果表明,生物天然气BECCS工程碳减排潜力表现在以有序工程替代无序排放、生产天然气代替化石能源、生产有机肥替代化肥和从沼气中分离CO_(2)并存储利用4个方面,各方面减排量在净减排量中占比分别为1.1%、41.0%、39.6%和18.3%。按构建的计算方法估算每吨干秸秆和每吨畜禽粪污的碳负排效益分别为1229 kg CO_(2)e和275 kg CO_(2)e。预计至2060年,生物天然气BECCS工程每年可贡献8.6亿t碳汇,可为中国碳中和目标实现贡献重要力量。

羧基化柚子皮吸附Cd^(2+)的性能与机制

为探索利用食品加工废弃物柚子皮制备一种重金属离子吸附材料的可行性,通过NaOH将柚子皮中甲酯化的羧基水解成羧酸,再利用TEMPO/次氯酸钠/溴化钠体系将柚子皮中C-6位伯羟基氧化成羧酸,制备出一种羧基化柚子皮吸附材料,同时采用FTIR、SEM-EDS和XPS对柚子皮和吸附Cd^(2+)前后的羧基化柚子皮进行表征,研究其吸附机制。结果表明羧基化柚子皮中羧基含量为2.34 mmol/g,是改性前的10.64倍,且可以有效地去除水溶液中Cd^(2+)。羧基化柚子皮吸附Cd^(2+)更符合Langmuir和伪二阶动力学模型,属于单层化学吸附,对Cd^(2+)的最大吸附量为76.16 mg/g,是改性前的5.81倍。羧基化柚子皮中羧基(-COO^(-))是吸附Cd^(2+)的功能性基团,吸附后形成羧酸镉,其中镉以Cd^(2+)的形式存在,与-COO^(-)的配位方式主要是双齿桥式,该吸附过程是一个阳离子(Na^(+)和Cd^(2+))交换的过程。

外源菌剂对棉花秸秆堆肥过程中微生物群落及腐熟效果的影响

为探究外源菌剂对棉花秸秆堆肥过程中微生物群落及腐熟效果的影响,以棉花秸秆为原料,设计3组堆肥处理,采用液体菌剂接种后发酵35 d的堆肥工艺,分别接种0.5%的菌剂T1和菌剂2,其中菌剂T1包括假氧芽孢杆菌(Anoxybacillus rupiensis)、依利诺斯类芽胞杆菌(Paenibacillus illinoisensis)和贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis);菌剂T2包括假氧芽孢杆菌、依利诺斯类芽胞杆菌、贝莱斯芽孢杆菌和噬热地芽孢杆菌(Geobacillus thermoleovorans),CK为不接种菌剂的对照组。结果表明,接种微生物菌剂能够不同程度加速堆肥升温,促进有机物料降解及养分保留,提高堆肥腐熟度和种子发芽率,并显著提高纤维素、半纤维素和木质素的降解率。对堆肥过程中的微生物群落分析表明,接种菌剂提高了微生物群落的多样性,改变了微生物群落的演替规律,激发了潜在功能细菌类群,细菌类群主要包括芽孢杆菌属(Bacillus)、高温双岐菌属(Thermobifida)、尿素芽孢杆菌属(Ureibacillus)和糖单孢菌属(Saccharomonospora);真菌类群包括Vishniacozyma、Unclassified_f_Dipodascaceae和枝孢菌属(Cladosporium),它们与有机质的降解相关。冗余分析发现,pH值和TOC含量是堆肥过程中细菌群落变化的主要驱动因子,而C/N比等环境因子对真菌群落的变化起重要作用。总体而言,接种菌剂能够促进堆肥腐熟进程,改善微生物菌群,减少堆肥过程中养分流失,提高堆肥产品质量,其中菌剂T1的整体堆肥效果更优。