用于牲畜粪便好氧堆肥的磷饱和镁改性生物炭：同时优化氨气减排和重金属钝化效果

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Phosphorus-saturated magnesium-modified biochar for aerobic composting of livestock manure: Co-optimizing ammonia mitigation and heavy metal passivation

畜禽粪便堆肥过程中应用镁改性生物炭及磷共负载改良剂可有效协同减排氨（NH3）并钝化重金属（HMs）生物有效性，其中MBC@P处理较对照减少44.3%累计氨排放，同时通过Mg2+交换与PO43?络合机制降低As、Cr、Pb等重金属溶出，最终实现总氮含量提升21.6%及$32.7 t?1净收益，为可持续粪便资源化提供经济可行方案。

　　

郝丁|季雅辉|冯圆圆|刘瑞谦|程月琴|王天翼|陈宇东|赵英杰|王丽莎|薛丽红|陈登宇|冯艳芳

中国南京林业大学材料科学与工程学院森林资源高效利用与加工协同创新中心，南京 210037

摘要

牲畜粪便的好氧堆肥是一种重要的废物管理策略，但由于氨（NH₃）的排放和重金属（HMs）的污染，导致氮的大量损失，从而限制了其环境可持续性和肥料价值。同时缓解这些问题具有挑战性，因为这些因素可能存在拮抗作用。在本研究中，将生物炭（BC）、镁改性生物炭（MBC）和磷饱和镁改性生物炭（MBC@P）以10%（w/w）的比例应用于好氧堆肥过程中，评估了它们在减少NH₃排放和钝化重金属方面的协同效果，并分析了经济效益。结果表明，与对照组（CK）、生物炭（BC）和镁改性生物炭（MBC）相比，MBC@P分别使NH₃累计排放量减少了44.3%、28.8%和8.5%。此外，MBC@P的总氮含量比CK增加了21.6%。同时，MBC@P通过其多孔结构进行物理吸附、Mg²⁺离子交换以及表面PO₄^3-与磷酸根的复合作用，有效降低了关键重金属（As、Cr、Pb、Cu、Zn）的生物可利用度，减少了4.8%–13.8%。经济分析显示，MBC@P的净收益最高，为32.7美元/吨，比CK高出20.3美元/吨。我们的发现表明，MBC@P是一种有前景的综合性策略，有助于实现可持续的牲畜粪便管理，促进更清洁的生物炭基农业改良剂的应用。

引言

中国集约化畜牧业产生了大量的粪便，估计每年约为38亿吨[1]。好氧堆肥是一种成本效益高且广泛采用的方法，通过微生物活动将这些废物转化为稳定的有机肥料[2]。然而，这一过程面临重大的环境挑战，主要是氮（N）以氨（NH₃）的形式大量流失，导致空气污染和养分耗竭，以及重金属（HMs）的污染，限制了最终堆肥产品的农业应用[3]。关键的是，这些污染物之间存在复杂的相互作用。高浓度的铵氮（NH₄⁺-N）会与重金属争夺吸附位点，可能降低钝化效率[4]。相反，常见的NH₃减排添加剂（如过磷酸钙）可能会引入或释放更多的重金属[5]。因此，能够同时有效固定NH₄⁺-N（从而减少NH₃排放）和稳定重金属的综合性策略对于克服这些瓶颈和推进可持续粪便管理至关重要。

生物炭（BC）由生物质热解产生，具有增强堆肥效果的理想特性，包括多孔结构、高比表面积（SSA）和丰富的含氧官能团[6]。研究表明，BC作为调理剂可以减少NH₃排放（6.4%–36.2%）[7]并降低重金属的生物可利用度[8]。这些效果可以通过物理化学吸附和促进腐殖化来实现[10]、[9]。然而，BC的吸附能力受到其表面积和可用官能团数量的限制。在堆肥的高温阶段，会产生大量的NH₄⁺-N，但BC无法有效吸附和保留它们[7]。值得注意的是，BC的碱性可能会促进NH₄⁺-N转化为NH₃，从而降低其减少NH₃排放的效果[11]。此外，BC中有限的官能团降低了其在高浓度动物粪便堆肥环境中固定重金属的能力。NH₄⁺-N、小有机分子和重金属之间的吸附位点竞争进一步削弱了BC的固定能力[12]。

镁（Mg）改性被证明是一种增强BC功能的有前景的方法[13]。镁改性生物炭（MBC）通常具有表面锚定的MgO纳米颗粒和Mg-OH基团，增加了活性位点并提高了吸附能力[14]、[52]。例如，MBC在废水中的NH₄⁺吸附能力高达37.7 mg/g[16]，并在受污染的土壤中有效降低了可溶性铅（Pb）的含量50.7%[17]，这归因于结构重组和表面积/孔隙体积的增加。然而，MBC中的碱性官能团（如MgO和Mg-OH）会提高pH值[11]。虽然升高的pH值通过促进金属沉淀来增强重金属的钝化，但也可能通过加速NH₄⁺向挥发性NH₃的转化而增加NH₃排放。因此，在堆肥过程中同时高效地实现NH₃排放减少和重金属钝化仍然具有挑战性。

相反，MBC对磷（P）的吸附具有很强的亲和力（最大吸附能力：138 mg/g），这是由于Mg²⁺-磷酸根桥接的作用[18]。磷的吸附能力提供了一个重要机会。一旦MBC被磷饱和（形成磷饱和的镁改性生物炭MBC@P），表面结合的Mg²⁺和PO₄^3-可以与堆肥中的NH₄⁺反应，诱导生成鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₂O）晶体，这是一种能够有效保留氮的稳定矿物[16]、[19]。陈等人进一步证实了Mg-P协同作用在NH₄⁺固定中的有效性[20]。同时，引入的磷可以帮助缓冲堆肥的pH值，而添加磷酸盐已被证明可以通过形成稳定的、低溶解度的金属-磷酸盐复合物（例如与Pb、As和Cr）来增强重金属的钝化（Chen等人，2022c；[34]、[21]）。因此，MBC@P在堆肥过程中同时减少NH₃排放和钝化重金属方面具有巨大潜力。尽管具有这种潜力，但MBC@P在堆肥基质中的具体效果、作用机制和实际可行性仍很大程度上尚未探索。直接添加外源Mg/P盐的一个关键实际问题是堆肥电导率（EC）的显著增加（例如，高达6.14 mS cm^-1[19]）。这一值超过了有机肥料的安全阈值（4 mS cm^-1），可能会抑制微生物活性，降低产品的价值。我们假设MBC@P可以在堆肥过程中有效减少NH₃排放并降低重金属的生物可利用度。外源添加MBC@P可以将堆肥EC保持在4 mS cm^-1的安全阈值以下，避免盐度对微生物活性和堆肥成熟的不利影响。

在本研究中，将BC、MBC和MBC@P（10%，w/w）作为调理剂，研究它们对牲畜粪便好氧堆肥过程中NH₃排放动态、重金属生物可利用度、物理化学性质、养分保存和腐殖化的影晌。主要目标是：（1）量化NH₃排放的动态变化，并阐明MBC@P在氮保留中的作用；（2）明确MBC@P对重金属分布和生物可利用度的影响；（3）通过全面的成本效益分析和国家规模分析，评估MBC@P的经济和环境效益及其大规模应用潜力。我们的发现将为提高养分封存和实现更清洁的牲畜粪便堆肥系统中的有效污染控制提供综合解决方案。

实验材料与表征

好氧堆肥实验在中国江苏省农业科学院的温室中进行（118.9°E, 32.0°N）。用于堆肥的原材料包括来自当地农场的鸡粪和小麦秸秆。为了加速分解，秸秆被切割成1–2厘米的片段，而鸡粪被压碎并通过5毫米筛子筛选。设置了四种处理方案：对照组（CK，无添加剂）、生物炭（BC）、镁改性生物炭（MBC）和磷饱和镁改性生物炭（MBC@P）。

堆肥过程中物理化学性质的变化

所有处理方案的温度变化趋势相似（图1a），经历了三个不同的阶段：高温阶段（HTP）、冷却阶段（CP）和成熟阶段（MP）。第2天开始，易分解的有机化合物（如蛋白质、多糖）迅速矿化，进入高温阶段。所有处理方案的高温阶段持续超过6天，符合堆肥消毒标准。值得注意的是，添加了生物炭的处理方案（BC、MBC和MBC@P）使高温阶段延长了1–2天。

结论

本研究将磷饱和的镁改性生物炭（MBC@P）作为多功能调理剂应用于好氧堆肥过程中。与对照组相比，MBC@P处理显著减少了NH₃的累计排放，主要是通过形成鸟粪石晶体，使最终堆肥产品的总氮含量增加了21.6%。同时，MBC@P有效降低了重金属（如As、Cr和Pb）的生物可利用度。

CRediT作者贡献声明

陈宇东：撰写 – 审稿与编辑。 王天翼：撰写 – 审稿与编辑。 程月琴：撰写 – 审稿与编辑。 刘瑞谦：方法学研究。 冯圆圆：初稿撰写。 季雅辉：初稿撰写。 郝丁：初稿撰写，方法学研究。 冯艳芳：监督，资源管理，研究协调。 陈登宇：撰写 – 审稿与编辑，监督。 薛丽红：撰写 – 审稿与编辑。 王丽莎：初稿撰写，方法学研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了江苏省基础研究计划（BK20251168）、南京重点流域水稻和小麦肥料减排与排放减少项目以及高质量和高产技术协同推广项目（2024NJXTTG (07)）和江苏省基础研究计划（BK20250040）的资助。