生物炭怎么变废为宝（草炭替代有新法）

王智聪,段培高

文/胡月

草炭是沼泽发育过程中的产物,又名“泥炭”,是煤化程度最低的煤。草炭也是蔬菜育苗基质最常用的基础原料,是由沼泽植物的残体,在多水嫌气条件下,不能完全分解堆积而成,含有大量水分和未被彻底分解的植物残体、腐殖质以及一部分矿物质。因此,草炭是不可再生矿产资源。

近年来,我国蔬菜育苗产业发展迅速,全国育苗移栽蔬菜种苗需求量超过6800亿株,集约化育苗供苗量约2000亿株,年需固体基质超1.5亿立方,市场规模可超千亿。而其原料草炭80%以上需要进口且价格高昂,严重制约了我国蔬菜育苗产业的发展。因此,生产优质、低价、可再生的本地化育苗基质势在必行。

为了满足育苗基质市场对草炭的巨大需求,同时又要保证不会对我国的生态环境造成破坏,段培高的科研团队通过水热反应处理生物质,利用人工合成的办法,仿效草炭形成的自然反应,将农业固废快速转化为人们所需要的资源。

国内传统的基质生产手段是利用秸秆与禽畜粪污直接混合发酵,而后复配得到,但存在两个痛点:一是秸秆固有的纤维保护结构会阻碍降解;二是粪污中的蛋白质发生反应会造成异味以及虫害。这两个痛点问题可造成蔬菜减产超30%。

为此,段培高团队组成联合攻关小组,基于行业痛点,分析技术需求,再结合当前我国育苗基质市场空缺,提出创新解决方案,设计了一套完整的工艺流程,将蒸汽爆破技术与好氧发酵技术相结合,超越传统发酵技术。利用新工科技术解决农业固废处理问题,变废为宝。

可再生基质包括两项核心技术——蒸汽爆破技术和好氧发酵快速腐殖化技术。

蒸汽爆破技术是通过高温高压蒸汽将原料软化,在0.01秒内瞬间释放压力,利用蒸汽的爆破力打破纤维保护结构,瞬时爆破功率可达22MW。汽爆处理后,秸秆规则的纤维结构被打破,释放有机质,解决了纤维保护结构阻碍降解的问题;同时,秸秆中的羰基化合物与粪污中的氨基化合物协同发生美拉德反应,促进大分子降解,固化营养成分,有效去除异味,杀死病菌虫卵,解决了蛋白质反应所造成的异味虫害问题。

好氧发酵快速腐殖化技术则是在纤维结构被破坏的基础上,发酵菌快速繁殖,再结合通风、堆肥与翻抛等手段,短时间彻底腐熟物料,将原料中的木质素降解,转化为植物生长过程中最重要的营养物质——腐殖酸。发酵后制得的草炭相比于德国进口草炭,成本减少85%,发酵周期缩短75%,腐殖化率提高40%。

这项技术已在新疆开展番茄、甜瓜和灰枣的育苗示范实验。经第三方机构检测,产品效果优良,用户试用后反馈良好。他们的技术不仅可以以秸秆与禽畜粪污为原料,还可以根据地域特点以其它生物质废弃物作为原料,促进了农业废弃物的资源化循环利用,为国家双碳目标的实现提供强有力的技术支撑。

技术攻关大事记

2019年,段培高团队开始了蒸汽爆破预处理技术的研究工作;2021年,与陕西省西凤酒集团开展合作,研究酒糟的高效资源化利用制备高蛋白饲料技术;2021年,团队完成了项目中试研究工作,并基于蒸汽爆破技术成立了陕西清北雅柯环保科技有限公司,法人为硕士研究生王智聪;2022年,清北雅柯与新疆天物生态环保股份有限公司开展合作,以秸秆与禽畜粪污为原料,生产出符合国家标准的育苗基质。在中试阶段,段培高团队生产的基质年产量达700吨,可解决17000人一年的蔬菜需求。

(作者系西安交通大学化学工程与技术学院博士研究生与教授)