黃霞，何瑩瑩，張藝蝶，楊殿海，戴曉虎，謝麗

（長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平不斷提高促使固體廢棄物的產(chǎn)量逐年增加，加之垃圾分類政策的推行，有機(jī)廢物的處理處置和資源化利用成為了亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。有機(jī)固廢主要指市政污泥、餐廚垃圾、禽畜糞便、農(nóng)林廢棄物等富含有機(jī)質(zhì)的固體廢棄物。好氧堆肥是處理有機(jī)固廢操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效的方法，微生物在好氧條件下將原料中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)廢物的無(wú)害化和資源化。

然而，有機(jī)固廢種類繁多、來(lái)源各異，不僅成分性質(zhì)差異大，還可能含有重金屬、抗生素等多種類型的污染物。在這些污染物的脅迫下，好氧堆肥體系中微生物的生理代謝與群落演替都會(huì)受到影響，從而影響堆肥進(jìn)程。此外，有機(jī)廢物好氧堆肥仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題，如溫室氣體（CO、CH和NO）排放及造成的碳、氮損失、難降解有機(jī)物降解緩慢、腐殖化進(jìn)程受阻以及堆肥產(chǎn)品施用安全等。為緩解上述問(wèn)題，基于功能材料強(qiáng)化的好氧堆肥作為一種有效策略成為國(guó)內(nèi)外研究前沿和熱點(diǎn)。

生物炭作為一種性能優(yōu)良的添加劑被廣泛應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域，2009—2019 年，有關(guān)生物炭的發(fā)文量總體逐年上升，年均增長(zhǎng)率達(dá)273.7%。生物炭是由生物質(zhì)材料在無(wú)氧或缺氧條件下熱解產(chǎn)生的富碳物質(zhì)，具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，其表面存在的大量官能團(tuán)是生物炭對(duì)重金屬等無(wú)機(jī)污染物以及有機(jī)污染物具有較高親和力的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外針對(duì)生物炭對(duì)有機(jī)固廢好氧堆肥的影響展開(kāi)了廣泛的研究。如圖1所示，添加生物炭能夠改善堆體的環(huán)境條件（堆積密度、通氣量）從而加速有機(jī)物降解并促進(jìn)腐殖質(zhì)形成；另一方面，生物炭的添加通過(guò)影響堆肥體系中微生物群落結(jié)構(gòu)從而進(jìn)一步提高了堆肥效率和產(chǎn)品品質(zhì)。此外，生物炭的吸附作用對(duì)于減緩堆肥氣體釋放從而強(qiáng)化碳氮元素的保留以及降低堆體中重金屬、抗生素以及其他污染物的生態(tài)毒性也具有重要意義。為進(jìn)一步提高好氧堆肥效率，生物炭耦合微生物菌劑、非生物添加劑以及生物炭改性等強(qiáng)化堆肥手段在有機(jī)廢棄物堆肥中的應(yīng)用也逐漸增多。

本文從生物炭的理化性質(zhì)出發(fā)，總結(jié)了生物炭在不同種類有機(jī)廢棄物好氧堆肥中的應(yīng)用，闡明了生物炭促進(jìn)好氧堆肥的機(jī)理、闡述了生物炭強(qiáng)化手段在有機(jī)固廢好氧堆肥中的應(yīng)用，期望為有機(jī)固廢好氧堆肥工藝效率的進(jìn)一步提升提供理論依據(jù)和實(shí)際支撐。

1 生物炭的制備與理化性質(zhì)

1.1 制備

生物炭是生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的炭材料，其原材料來(lái)源十分廣泛，如圖1 所示，可來(lái)源于作物秸稈、竹子、花生殼等常見(jiàn)的農(nóng)林廢棄物，這在一定程度上有利于實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢的資源化利用。熱解技術(shù)是制備生物炭常用的方法，根據(jù)對(duì)溫度的控制，熱解又可以分為快速熱解和慢速熱解?？焖贌峤馍郎厮俾士?、停留時(shí)間短，能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)快速分解，產(chǎn)物中液態(tài)、氣態(tài)占比較高，因此生物炭產(chǎn)量較低，是常用的生物油制備技術(shù)。慢速熱解停留時(shí)間長(zhǎng)，因而生物炭產(chǎn)量大且含有更高的含碳量?？焖贌峤夂吐贌峤庵瞥傻纳锾克邆涞睦砘再|(zhì)也存在不同，如核桃殼在慢速熱解條件下制備的生物炭產(chǎn)量、自由基和醌含量略高，但是羥基基團(tuán)含量較少。

圖1 生物炭促進(jìn)好氧堆肥機(jī)理

1.2 理化性質(zhì)

生物質(zhì)經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤馓炕纬删哂懈弑缺砻娣e、豐富孔隙度、高度芳香化和性質(zhì)穩(wěn)定的生物炭，原材料的種類和熱解過(guò)程是影響這些理化性質(zhì)的主要因素。利用花生殼、竹子、竹篙草和蘆葦四種材料制備生物炭，蘆葦生物炭的比表面積（376m/g）顯著高于其他類型生物炭，而竹篙草生物炭雖然比表面積（141.4m/g）較低，但孔隙結(jié)構(gòu)豐富，這使得它具有良好的吸附性能，在NO吸附試驗(yàn)中達(dá)到吸附平衡的時(shí)間不到其他組的一半。熱解條件對(duì)生物炭性質(zhì)的影響也十分關(guān)鍵。Brown等研究了松木熱解制備生物炭過(guò)程中熱解溫度、升溫速率、峰值溫度、持續(xù)時(shí)間等因素對(duì)生物炭性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，峰值溫度為750℃時(shí)，獲得的生物炭比表面積最大，且與升溫速率無(wú)明顯關(guān)系，而在峰值溫度為1000℃時(shí)，比表面積顯著降低，且升溫速率越慢比表面積越小。生物炭熱解制備過(guò)程中會(huì)在表面形成多種多樣的官能團(tuán)，包括碳碳雙鍵、碳氧雙鍵、羥基、羧基、酰胺基、芳香烴等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對(duì)于增強(qiáng)生物炭的吸附性能具有非常重要的作用。此外，生物炭大多呈堿性，這與生物炭原料中無(wú)機(jī)組分以及生物炭表面的含氧官能團(tuán)密切相關(guān)，因此生物炭對(duì)酸性土壤改良有積極意義。

2 生物炭在不同原料好氧堆肥過(guò)程中的作用與應(yīng)用

2.1 加速農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥中有機(jī)質(zhì)的降解和腐殖化進(jìn)程

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量尾菜、秸稈等廢棄物?！兜诙稳珖?guó)污染源普查公報(bào)》指出，2017年，秸稈產(chǎn)生量為8.1億噸，秸稈可收集資源量6.7 億噸，可回收資源利用率為86.8%。作為生物質(zhì)資源的一種，農(nóng)業(yè)廢棄物種類多、數(shù)量大，其資源化利用是減少資源浪費(fèi)與環(huán)境污染的重要舉措，也是推行農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略重要的一環(huán)。

農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物中含有大量難降解的木質(zhì)素、纖維素類物質(zhì)，尤其是木質(zhì)素結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，且通過(guò)化學(xué)鍵與纖維素、半纖維素連接并緊密結(jié)合，因此限制了纖維素、半纖維素等物質(zhì)的降解，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物的資源化進(jìn)程嚴(yán)重受阻。好氧堆肥是由不同類群功能微生物主導(dǎo)的生化反應(yīng)過(guò)程，堆肥體系中存在大量細(xì)菌、真菌、放線菌和其他原蟲(chóng)類生物，農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物可在這些微生物的共同作用下進(jìn)行降解。常見(jiàn)的降解木質(zhì)纖維素的微生物包括假單胞菌、放線菌、白腐真菌和褐腐菌等。農(nóng)業(yè)廢棄物的單一堆肥發(fā)酵過(guò)程緩慢且產(chǎn)品肥效低，加速木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化是堆肥充分腐熟的關(guān)鍵。在牛糞和甘蔗秸稈堆肥中添加5%生物炭，纖維素、半纖維素的降解率分別提高3.2%、6.4%，同時(shí)，與之相關(guān)的放線菌、單胞菌屬、紅桿菌屬豐度分別增加了31.0%、30.7%、8.9%。

腐殖化是堆肥的重要過(guò)程之一，腐殖質(zhì)含量是評(píng)價(jià)堆肥質(zhì)量的重要指標(biāo)。堆肥中的腐殖質(zhì)主要成分為富里酸（FA）和胡敏酸（HA），是堆肥產(chǎn)品進(jìn)行資源化利用的重要成分，腐熟堆肥中HA含量較高而FA 含量偏低。研究報(bào)道了生物炭對(duì)堆肥腐殖化過(guò)程的積極影響：在農(nóng)林廢棄物和蘑菇渣堆肥中添加20%生物炭，延長(zhǎng)了高溫階段的持續(xù)時(shí)間，增加了堆肥過(guò)程中的微生物數(shù)量、酶活性和養(yǎng)分含量，從而加速了有機(jī)廢物的降解和腐殖化進(jìn)程，與腐殖質(zhì)的縮合和芳構(gòu)化程度成反比的/值顯著降低，腐熟時(shí)間由30 天縮短至24 天。生物炭添加促進(jìn)腐殖化機(jī)理有兩種途徑：一是生物炭可作為腐殖質(zhì)中可溶性有機(jī)物和芳香化合物的重要來(lái)源；二是堆肥前期形成的這兩類物質(zhì)在生物炭活性表面的吸附。

2.2 減少市政污泥堆肥中氮損失與重金屬和多環(huán)芳烴的含量

城鎮(zhèn)化水平的迅速提升加大了市政污泥的產(chǎn)量，根據(jù)2020 年城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒中的數(shù)據(jù)，2020 年全國(guó)污水處理廠干污泥產(chǎn)量達(dá)到1162.7 萬(wàn)噸。好氧堆肥是處理市政污泥的主流技術(shù)之一，但是市政污泥成分復(fù)雜，不僅含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮磷元素，還可能含有重金屬和有機(jī)污染物等，因此，市政污泥的堆肥化處理面臨巨大的挑戰(zhàn)。

研究表明，在污泥堆肥過(guò)程中添加生物炭在減少含氮?dú)怏w排放和鈍化重金屬等方面具有重要意義。Awasthi等在污泥和麥稈混合堆肥中添加8%～18%生物炭，顯著減少了NH（58.0%～65.2%）、CH（92.3%～95.3%）和NO（95.1%～97.3%）的排放。在污泥和木屑堆肥中添加生物炭減少了62%～69%的氮損失，在污泥和秸稈混合堆肥中投加5%生物炭降低了22.4%的NH-N，而NO-N 增加了310.6%。生物炭對(duì)堆肥過(guò)程中氣體排放的控制主要?dú)w因于其吸附作用和對(duì)硝化過(guò)程的強(qiáng)化。

生物炭具有高效的吸附能力，因此可以吸附水、土壤和污泥中的有機(jī)污染物和重金屬，從而降低其生物可利用性。Oleszczuk 等報(bào)道了生物炭添加使得污泥中多環(huán)芳烴（PAHs）的生物可利用性降低了5.2%～57.7%，這與生物炭的芳香族部分有關(guān)。向污泥中添加生物炭并應(yīng)用于土壤，會(huì)加速總PAHs 含量的減少?gòu)亩档屯寥蓝拘?。Liu等在污泥和秸稈堆體中添加生物炭降低了堆肥中Pb、As、Cu、Cr 和Ni 等重金屬的生物有效性，且不同添加量對(duì)重金屬鈍化效果不同，1%生物炭投加能降低56.3%的As 含量和32.1%的Cr 含量，3%生物炭投加降低了51.9%的Pb 含量和59.5%的Cu含量。在污泥和玉米芯混合堆體中添加生物炭發(fā)現(xiàn)，污泥中Cu、Zn、Pb、Ni和Cr的可交換態(tài)含量降低而殘?jiān)鼞B(tài)含量增加。

污泥中持久性有機(jī)污染物的存在是其處理處置面臨的問(wèn)題之一，好氧堆肥是目前處理污泥的主要技術(shù)手段，目前對(duì)于生物炭在污泥堆肥過(guò)程中對(duì)有機(jī)污染物的影響研究較少。微生物可通過(guò)降解作用、胞內(nèi)積累以及胞外絡(luò)合等途徑實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的降解，腐殖質(zhì)的吸附作用、氫鍵作用、疏水作用等也對(duì)于穩(wěn)定有機(jī)污染物有重要作用。生物炭對(duì)堆肥過(guò)程中微生物代謝與腐殖化進(jìn)程有積極影響，因此未來(lái)開(kāi)展生物炭對(duì)于污泥堆肥過(guò)程中的有機(jī)污染物的影響研究十分必要。

2.3 降低畜禽糞便堆肥中溫室氣體排放與重金屬、抗生素的生態(tài)毒性

畜牧養(yǎng)殖業(yè)向集約化、規(guī)?；陌l(fā)展模式轉(zhuǎn)變過(guò)程中，畜禽糞便產(chǎn)量逐年增加，含有抗生素和重金屬的飼料的大肆使用對(duì)糞便的資源化利用造成了嚴(yán)重不利影響。好氧堆肥是處理畜禽糞便的常用手段，但其對(duì)于抗生素及重金屬的去除效果仍不理想，在堆肥產(chǎn)品中的殘留將增加其應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)。此外，隨著“雙碳目標(biāo)”的倡導(dǎo)，在畜禽糞便這類富含氮素的有機(jī)廢物堆肥過(guò)程中，CH和NO 等溫室氣體排放也是不容忽視的問(wèn)題之一。

生物炭作為一種畜禽糞便好氧堆肥添加劑受到了廣泛關(guān)注。Chowdhury 等在雞糞與稻草堆肥中添加生物炭發(fā)現(xiàn)，總溫室氣體排放減少27%～32%。投加玉米秸稈生物炭提高了雞糞堆肥過(guò)程的溫度和NO-N 濃度，但是降低了pH、NH-N 和有機(jī)質(zhì)含量，并減少了24.8%NH的排放和26.1%CH的排放。在豬糞堆肥中添加5%～10%生物炭也發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳的含量和NH+的濃度分別降低了37.5%～62.0%和4.0%～20.9%。

目前，已有研究通過(guò)添加生物炭削減堆肥過(guò)程中抗生素及抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在雞糞和蘑菇渣混合堆肥中添加5%生物炭降低了98.7%的ARGs 豐度，相比對(duì)照組去除率增加6.1%。堆肥原料中抗生素及ARGs的存在加劇了堆肥產(chǎn)品土地利用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，生物炭作為一種能高效吸附去除抗生素及ARGs 的材料在環(huán)境領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，而在堆肥這一復(fù)雜的生化過(guò)程中，生物炭對(duì)抗生素及ARGs的作用機(jī)制研究仍十分缺乏。

2.4 抑制餐廚垃圾堆肥酸化問(wèn)題

餐廚垃圾中含有豐富的脂肪和淀粉等易生物降解的有機(jī)物，在堆肥初期微生物的代謝活動(dòng)下易轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)酸，其大量積累導(dǎo)致堆體環(huán)境酸化，抑制了微生物活性從而抑制堆肥發(fā)酵進(jìn)程，同時(shí)堆肥過(guò)程中伴隨含氮?dú)怏w和溫室氣體排放，造成堆肥效率低下、堆肥產(chǎn)品質(zhì)量差等問(wèn)題。

在餐廚垃圾堆肥中投加添加劑是克服酸化抑制的有效方法，Chaher 等在餐廚垃圾堆肥過(guò)程中觀察到，堆肥初期的pH 由5.9 下降至5.0，而添加生物炭的堆肥初始pH為中性，并且沒(méi)有出現(xiàn)pH下降的趨勢(shì)。這與生物炭的堿性和緩沖能力密切相關(guān)。此外，他們還觀察到添加生物炭對(duì)于促進(jìn)硝化進(jìn)程進(jìn)而提高堆肥過(guò)程氮保留具有重要作用。在餐廚垃圾堆肥中添加15%生物炭可以縮短達(dá)到高溫期的時(shí)間，并增加14.4%～15.3%的有機(jī)物降解，NH-N 和NO-N 濃度分別增加37.8%～45.6% 和50%～62%。在餐廚垃圾與污泥共堆肥過(guò)程中添加5%甘蔗渣生物炭對(duì)堆肥過(guò)程促進(jìn)效果最佳，NH-N含量是對(duì)照組的2.3 倍，添加甘蔗渣生物炭的堆體中，芽孢桿菌綱（）和梭菌綱（）成為優(yōu)勢(shì)菌群。

3 生物炭促進(jìn)好氧堆肥過(guò)程的機(jī)理

3.1 改善微生物活動(dòng)促進(jìn)有機(jī)物降解與腐殖化

好氧堆肥是群落結(jié)構(gòu)迅速演替的多個(gè)微生物群體共同作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此強(qiáng)化微生物代謝活動(dòng)是提升好氧堆肥效率的關(guān)鍵。生物炭孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積較大，有利于堆體中氧氣的傳輸和分布，改善堆體理化參數(shù)，從而為微生物的好氧代謝提供了良好的環(huán)境條件。在雞糞和稻草堆肥中添加10%生物炭，提高了堆體的持氧能力，O體積分?jǐn)?shù)大于5%的持續(xù)時(shí)間約為80%，并降低了131.4%的NO 的排放。堿性的生物炭能在一定程度上調(diào)節(jié)堆體原始pH，但是堆體pH變化總體與有機(jī)酸產(chǎn)生和降解以及含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化等過(guò)程有關(guān)，生物炭對(duì)堆肥過(guò)程中pH 的影響還沒(méi)有明確的結(jié)論。生物炭還可以調(diào)節(jié)原料C/N以保證堆肥微生物充分的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，堆肥初始C/N 在25∶1 左右較為適宜。生物炭對(duì)通風(fēng)、pH、營(yíng)養(yǎng)等條件的改善促進(jìn)了堆肥微生物的動(dòng)態(tài)演變，將玉米秸稈和小麥秸稈制備的生物炭添加至豬糞和秸稈堆肥體系中，發(fā)現(xiàn)放線菌門(mén)的豐度增加了9.0%～62.2%，促進(jìn)了原料中木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的降解；另外，與碳氮循環(huán)有關(guān)的變形菌門(mén)的豐度在堆肥后期也增加了1.0%～7.2%。此外，生物炭豐富的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積為微生物提供了適宜的棲息場(chǎng)所，且其表面能夠吸附堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的水溶性碳和大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能夠作為底物為微生物生長(zhǎng)代謝提供營(yíng)養(yǎng)。研究發(fā)現(xiàn)生物炭能夠從鄰近堆肥中吸收水溶性碳和酚類物質(zhì)，并提高了堆肥微生物的碳代謝能力。

生物炭對(duì)微生物群落活動(dòng)的改善促進(jìn)了堆體中有機(jī)物的礦化作用和腐殖化進(jìn)程，微生物活動(dòng)進(jìn)一步促進(jìn)有機(jī)物的分解代謝產(chǎn)熱，引發(fā)堆體溫度的快速上升，促成適宜的水熱條件進(jìn)一步刺激微生物活動(dòng)。在中試規(guī)模的豬糞與麥秸堆肥試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭投加量從0 增加到5%、15%，堆肥的峰值溫度從54.3℃增加到56.7℃、66.3℃。較高的溫度與嗜熱期的延長(zhǎng)會(huì)加速微生物對(duì)堆肥底物的利用，從而縮短堆肥周期，降低成本。微生物持續(xù)新陳代謝產(chǎn)熱引發(fā)的溫度上升還能殺死有毒有害病原菌，加速了堆肥穩(wěn)定化和無(wú)害化進(jìn)程。在5℃的低溫環(huán)境下進(jìn)行豬糞堆肥，發(fā)現(xiàn)生物炭添加使得堆肥溫度＞55℃的時(shí)間持續(xù)了5 天，而不添加生物炭的堆肥最高溫度只有38.4℃，遠(yuǎn)不能滿足無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)；生物炭添加組發(fā)芽指數(shù)為84.7%，比對(duì)照組提高了約36%。

3.2 減少溫室氣體和臭氣的排放

好氧堆肥過(guò)程中碳素、氮素物質(zhì)的強(qiáng)烈分解加劇了堆體CO、CH、NO 等溫室氣體以及NH、HS等臭氣的排放。生物炭因具有良好的物理及化學(xué)吸附性和穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)，且來(lái)源廣泛、成本低廉等特點(diǎn)，被作為添加劑廣泛用于控制堆肥過(guò)程中氣體的排放。表1所示為生物炭對(duì)好氧堆肥過(guò)程中氣體排放的影響。

表1 生物炭對(duì)好氧堆肥過(guò)程中氣體排放的影響

堆肥過(guò)程中另一種溫室氣體NO的產(chǎn)生主要與硝化和反硝化過(guò)程有關(guān)，好氧條件下，NO是硝化作用的副產(chǎn)物，當(dāng)堆體存在厭氧區(qū)時(shí)，硝氮的反硝化作用是產(chǎn)生NO 的主要途徑。生物炭減少NO排放的主要機(jī)理有：吸附NH減少其硝化作用生成NO，并吸附NO減少其反硝化作用生成NO，這種吸附作用源于生物炭表面的含氧官能團(tuán)與NH、NO等離子之間的氫鍵和靜電作用；減少亞硝酸鹽還原酶基因/表達(dá)，抑制反硝化作用；提高NO 還原酶基因的表達(dá)，促進(jìn)NO 向N的轉(zhuǎn)化；促進(jìn)反硝化過(guò)程電子傳遞作用等。在豬糞和麥秸堆肥中添加10%生物炭和10%豆渣，增加了氨氧化細(xì)菌（AOB） 中氨氧化酶基因（）的豐度而降低了亞硝酸鹽還原酶基因（）的豐度，從而使NH和NO排放峰值分別降低了32.9%和46.6%。

生物炭對(duì)NH減排的主要機(jī)制是對(duì)有機(jī)氮、銨態(tài)氮或其前體物質(zhì)以及釋放的NH的吸附作用：一方面是生物炭巨大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)的物理吸附；另一方面歸因于其含有豐富的羧基和酚羥基等酸性官能團(tuán)的化學(xué)吸附。酸性官能團(tuán)能通過(guò)離子鍵與銨態(tài)氮緊密結(jié)合，并促使銨態(tài)氮向其他氮素形式轉(zhuǎn)變；堆肥過(guò)程中生物炭表面酸性官能團(tuán)數(shù)量還會(huì)因生物氧化逐漸增加，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)銨態(tài)氮的吸附。在家禽糞便堆肥中添加20%（干重）松木生物炭發(fā)現(xiàn)有NH排放。另外，生物炭對(duì)環(huán)境條件的改善能加快好氧微生物對(duì)NH的代謝作用，并促使NH向NO、NO或其他有機(jī)氮素轉(zhuǎn)變，從而降低NH排放。

3.3 降低堆體中污染物的生態(tài)毒性

生物炭?jī)?yōu)良的理化特性使得其在削減堆肥體系中污染物毒性方面具有重要作用。生物炭可降低堆體中重金屬的可利用性，一方面，生物炭直接與重金屬發(fā)生反應(yīng)，包括沉淀作用、絡(luò)合反應(yīng)、離子交換、靜電吸附和物理吸附等；另一方面，生物炭的添加改變了堆體的理化性質(zhì)，導(dǎo)致重金屬的形態(tài)轉(zhuǎn)化，從而影響重金屬等污染物的生物有效性和遷移性。在雞糞與稻殼堆肥中添加10%生物炭，碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)銅的含量減少了90.3%，有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)銅的含量增加了72.4%，這表明生物炭促進(jìn)了堆肥過(guò)程中重金屬向生物可利用性降低的形態(tài)轉(zhuǎn)化。生物炭具有一定的氧化還原能力，生物炭表面的含氧官能團(tuán)使得生物炭既可以作為一個(gè)電子供體，也可以作為電子受體，這一性質(zhì)對(duì)于變價(jià)重金屬元素的有效性有著重要的影響。Xu 等利用花生殼生物炭去除水溶液中的Cr(Ⅵ)，研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可作為電子供體將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)，還原的貢獻(xiàn)占總?cè)コ康?7%，此外，生物炭表面吸附了Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，其中，Cr(Ⅲ)的比例占到了83.5%。X射線光電子能譜分析結(jié)果表明，生物炭除Cr(Ⅵ)后—C—O和—C==O等官能團(tuán)被氧化為—COOH。另外，還有研究推測(cè)生物炭可通過(guò)促進(jìn)微生物活動(dòng)加速腐殖質(zhì)的形成，利用腐殖質(zhì)對(duì)重金屬的固定作用降低其有效性。據(jù)報(bào)道，在添加生物炭與沸石的堆肥過(guò)程中，黃腐酸絡(luò)合銅和黃腐酸絡(luò)合鋅由于黃腐酸的降解分別減少了39.5%和62%，并轉(zhuǎn)化為腐殖酸絡(luò)合銅和腐殖酸絡(luò)合鋅，從而進(jìn)一步提高重金屬的固定化。

生物炭穩(wěn)定有機(jī)污染物的機(jī)制有靜電相互作用、疏水作用、氫鍵作用、吸附作用、分配作用和π-π電子供受體作用，因此，生物炭作為堆肥添加劑可降低堆體中的農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯、PAHs 等有機(jī)污染物的遷移性和生物可利用性。有研究認(rèn)為，有機(jī)污染物含量的降低與生物炭的極性有關(guān)，極性較低的生物炭能更有效地降低污泥中自由溶解的多環(huán)芳烴含量。另一方面，抗生素與ARGs 在環(huán)境中的蓄積與傳播對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康也造成巨大威脅，研究表明，生物炭對(duì)抗生素的吸附影響著抗生素在環(huán)境中發(fā)揮的生物學(xué)效應(yīng)，其主要的吸附機(jī)制是π-π 電子作用下的表面絡(luò)合和陽(yáng)離子交換機(jī)制。生物炭添加還能有效降低堆肥過(guò)程中ARGs 的豐度，在豬糞堆肥中添加5%生物炭降低了磺胺甲嘧啶（SMZ）、環(huán)丙沙星（CIP）和土霉素（OTC）的含量，并降低了1 和(W)ARGs 的豐度。微生物是ARGs 的載體，生物炭對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的改變也會(huì)造成土壤中ARGs 的變化，因此，分析、量化生物炭與微生物之間的相互作用有助于加深對(duì)堆肥過(guò)程中抗生素的微生物降解機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

4 生物炭耦合強(qiáng)化手段在有機(jī)固廢堆肥中的應(yīng)用

4.1 生物炭-菌劑強(qiáng)化

外源添加微生物菌劑被認(rèn)為能改善微生物群落結(jié)構(gòu)和提高微生物多樣性，減少堆肥中碳、氮元素以氣體形式散失，促進(jìn)碳、氮向穩(wěn)定形式轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)堆肥腐熟，提高堆肥效率。生物炭對(duì)于改善堆肥過(guò)程具有積極作用，將兩者耦合添加有望進(jìn)一步提高堆肥效率。

基于微生物調(diào)控的生物炭菌劑強(qiáng)化已成為有機(jī)固廢好氧堆肥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)。在豬糞堆肥中添加生物炭和0.3%的高溫好氧微生物菌劑，結(jié)果表明，菌劑的加入相比單獨(dú)添加生物炭減少了26% CH、8% NO 和6% NH排放。Duan 等在豬糞堆肥中添加了不同類型生物炭并接種微生物菌劑，研究結(jié)果表明，小麥秸稈生物炭耦合菌劑對(duì)于溫室氣體排放和氨排放控制作用最為明顯，并且對(duì)于延長(zhǎng)堆肥高溫期從而加速堆體腐熟具有重要意義。有關(guān)微生物耦合生物炭添加影響堆肥過(guò)程的具體機(jī)制目前少有研究報(bào)道。解析微生物在堆肥碳氮轉(zhuǎn)化、有機(jī)物降解與腐殖化等方面的代謝途徑，探討生物炭在其中的作用機(jī)理，對(duì)于更有目的性地選擇外源微生物與生物炭種類、減少氣體排放從而提高養(yǎng)分保存效果具有重要意義。

4.2 生物炭-其他添加劑強(qiáng)化

成本低、來(lái)源廣、普適性好的無(wú)機(jī)添加劑也被廣泛應(yīng)用于好氧堆肥中。一些酸性化學(xué)添加劑，如過(guò)磷酸鈣、明礬、硫酸銅、氯化鎂、竹醋液、磷酸和硫酸等能夠調(diào)節(jié)堆肥體系pH，從而減少銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，還能與氨氣和銨態(tài)氮結(jié)合使其穩(wěn)定。礦物添加劑如沸石、膨潤(rùn)土、生物炭、蛭石和麥飯石等具有多孔性或富含腐殖質(zhì)以及高比表面積，能夠吸附產(chǎn)生的NH和NO 從而減少氮素?fù)p失。礦物添加劑還能夠增加堆肥物料的孔隙率，促進(jìn)空氣的擴(kuò)散，減少CH的排放。Awasthi等在污泥堆肥中添加生物炭和石灰，有效降低了NH、CH的排放，還降低了重金屬的生物有效性（34.8%Cu、56.7%Zn、88%Pb 和86.7%Ni），這對(duì)于改善堆肥質(zhì)量、提高其施用安全性具有重要意義。在豬糞堆肥過(guò)程中添加生物炭和沸石分別降低了63.4%、78.1%的NH、NO 排放，相比單獨(dú)投加生物炭減少了27.5%的NH、13.2%NO排放，此外還觀察到了104.51%的腐殖酸增率和40%的富里酸降解率，這表明生物炭耦合沸石強(qiáng)化手段對(duì)于堆肥腐殖化進(jìn)程具有促進(jìn)作用。

外源添加劑能夠從各個(gè)方面不同程度地改善堆肥進(jìn)程，而各種調(diào)理劑與堆體基質(zhì)的作用機(jī)理不甚相同，針對(duì)不同有機(jī)固廢原料的差異化性質(zhì)，選擇合適的添加劑種類、投加量對(duì)于精細(xì)化控制堆肥進(jìn)程是有意義的，未來(lái)還需深入研究。

4.3 生物炭改性強(qiáng)化

為進(jìn)一步改善生物炭的性質(zhì)，提高生物炭吸附性能，很多研究對(duì)生物炭進(jìn)行改性處理。目前，生物炭改性的方法主要有酸堿改性、氧化劑改性、金屬鹽及金屬氧化物改性等。酸堿改性生物炭可增加比表面積并引入羧基、內(nèi)酯基、酚基和羰基等活性含氧官能團(tuán)。氧化改性使生物炭表面發(fā)生氧化反應(yīng)來(lái)改善其孔隙結(jié)構(gòu)、提高含氧官能團(tuán)含量從而增強(qiáng)表面極性。在糞便與秸稈堆肥中分別添加經(jīng)HO、HNO和兩者混合改性的生物炭，發(fā)現(xiàn)促進(jìn)NH-N 向NO-N 的氨氧化細(xì)菌（AOB）豐度明顯增加，從而降低了45.7%～61.7%的NH排放。金屬鹽或金屬氧化物的改性可以改善生物炭的磁性、吸附、催化性能。經(jīng)FeCl改性的生物炭對(duì)豬糞堆肥中Cu、Zn、Pb 等重金屬的鈍化效果明顯增強(qiáng)，分別增加了20.3%、18.1%、31.8%。

生物炭改性方法眾多，但根據(jù)特定原料生物炭以及其環(huán)境應(yīng)用選擇合適的改性手段以及改性條件是關(guān)鍵。目前，改性生物炭的研究多集中于重金屬、有機(jī)物等污染物吸附，僅少量研究探討改性生物炭在堆肥過(guò)程中進(jìn)行添加的效果和影響。此外，生物炭改性帶來(lái)的成本增加這一問(wèn)題也值得考慮，目前大部分基于生物炭改性的研究多是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，其規(guī)?；c商業(yè)化應(yīng)用仍需要從經(jīng)濟(jì)效益的可行性方面來(lái)綜合評(píng)估。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

生物炭作為有機(jī)廢物堆肥添加劑具有巨大表面積、豐富的孔隙率和高的陽(yáng)離子交換能力，能夠促進(jìn)有機(jī)物降解與腐殖質(zhì)形成、強(qiáng)化微生物群落活性、減少臭氣和溫室氣體排放、降低重金屬和抗生素以及其他污染的生物有效性，這對(duì)于促進(jìn)堆肥過(guò)程、改善堆肥產(chǎn)品質(zhì)量從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢資源化利用具有重要意義。

盡管生物炭在好氧堆肥中的應(yīng)用廣泛，但在一些方面的研究仍存在如下不足。

（1）關(guān)于生物炭對(duì)有機(jī)固廢堆肥過(guò)程中物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化、微生物動(dòng)態(tài)演變以及腐殖化進(jìn)程等方面的相關(guān)關(guān)系研究十分必要。通過(guò)分析生物炭對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)演替、關(guān)系網(wǎng)絡(luò)與代謝途徑的影響，結(jié)合堆肥進(jìn)程參數(shù)、關(guān)鍵酶活性、微生物群落特點(diǎn)與功能基因表達(dá)等宏觀數(shù)據(jù)，從微觀角度進(jìn)一步探明生物炭強(qiáng)化好氧堆肥的機(jī)制。

（2）盡管生物炭在堆肥和土壤改良與修復(fù)等方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，但一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是生物炭可能存在的內(nèi)源污染。生物炭制備過(guò)程中可能產(chǎn)生PAHs 和持久性自由基（EPFRs）以及重金屬相對(duì)含量升高，這些無(wú)疑會(huì)加劇其環(huán)境應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)。因此，未來(lái)需要進(jìn)一步研究生物炭熱解制備過(guò)程和應(yīng)用中存在的內(nèi)源污染問(wèn)題，探索能有效規(guī)避產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的手段，這對(duì)于生物炭的安全應(yīng)用十分關(guān)鍵。

（3）生物炭作為添加劑研究好氧堆肥有機(jī)物降解、微生物變化以及氣體排放等方面研究眾多，但將其定量化、模型化的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道，將生物炭作為變量因素，使用數(shù)學(xué)模型從理論上構(gòu)建堆肥過(guò)程與參數(shù)變化的數(shù)量關(guān)系，對(duì)于解析好氧堆肥反應(yīng)機(jī)理并指導(dǎo)實(shí)踐中的工藝參數(shù)優(yōu)化從而促進(jìn)堆肥進(jìn)程具有重要意義。此外，從微觀角度探索好氧堆肥反應(yīng)機(jī)制與過(guò)程變化機(jī)理是前沿的方向，對(duì)好氧堆肥顆粒微觀結(jié)構(gòu)的表征和量化有助于完善顆粒尺度好氧堆肥模型，相關(guān)的分析研究和針對(duì)性的量化表征手段還需要進(jìn)一步探索。