生物质发电厂草木灰农业利用技术
孙春梅 ，董玉兵 ，纪 力 ，陈 川 ，章安康 *，钟 平 ，邵文奇 ，张山泉 ，庄 春 ，徐建明
（1.江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所，江苏 淮安 223001；
2.江苏省环洪泽湖生态农业生物技术重点实验室/淮阴师范学院，江苏 淮安 223300）
生物质是一种清洁的低碳燃料，含硫和含氮量均较低[1]。生物质发电在发达国家已被广泛采用，在我国虽起步较晚，但已是大势所趋[2-5]。近年来江苏省已建成生物质发电厂20 余家，这些发电厂将农田秸秆加以利用的同时还解决了能源需求，但也集中产生了大量草木灰[6-13（]1 台机组每天产生的草木灰达40 t 之多）。草木灰中富含钾素，农村家庭生活中所产生的草木灰，历来被作为农家肥直接还田使用[14]；
在我国大量进口化学钾肥之前，施用草木灰是我国农田维持钾素平衡的主要途径。生物质发电厂的设计也预定了草木灰作为农肥用于还田，并未考虑其他处置方式。然而与农户分散产生的草木灰不同，生物质发电厂集中产生的草木灰直接还田并不可行：与化学钾肥相比，其含钾量相对较低，按目前当地稻麦田的化学钾肥施用水平，施草木灰量需100 kg/667 m2以上，且草木灰容重低，物理性状差，运输施用极不方便，农民多不愿直接使用。生物质发电厂的草木灰除小部分被卖掉外，其余的只能作为废弃物通过掩埋进行处理，不仅产生了新的污染而且还要占用大片的土地，生物发电厂的草木灰利用成为亟待解决的难题。
目前国内外对草木灰的研究和利用多局限于化工、建筑等行业[15-17]，如替代部分水泥[18-19]、用于生产玻璃和硅晶材料等[20-22]、发挥其吸附[23-24]功能；
在农业方面则多用草木灰作为土壤改良剂[25-29]。梁星星等通过添加聚天冬氨酸（PASP）解决草木灰复合肥易碎的问题，效果较好[30]；
也有学者研究利用草木灰来制作多元素肥料、开发潜在磷肥资源或将其与肥料配合施用[31-47]，但制成的肥料往往浓度较低或者对草木灰的用量较少。本研究先从草木灰中提取钾素，后又将提钾后的草木灰制作成基质，希望能为草木灰的利用方式提供新的参考。
我国是钾素资源严重缺乏的国家，每年都要进口大量的钾肥，1996—2007年钾肥进口量年均增长率为7.6%，每年钾肥缺口的绝对数量达600 万t 以上[48-50]。作物吸收的钾素80%以上积累在秸秆中，将原本分散于各地的秸秆集中起来用于发电的同时，也从农田中带出大量钾素，若这些钾素不能作肥料还田，必将增加农田钾素的亏缺。把生物质发电厂废弃物草木灰中以钾素为主的植物营养元素提取出来作为农肥使用，既可缓解我国钾肥资源缺乏的局面，又有利于生物质发电厂的正常运行。
1.1 草木灰的成分
草木灰中可溶盐的阳离子主要有K+、Na+、Ca2+、Mg2+，阴离子主要有 Cl-、SO42-、CO32-、SiO32-、OH-。测定发现，淮安当地生物质发电厂产生的草木灰中，可溶盐主要以KCl 为主（表1），盐溶液呈强碱性，pH 值≥10。溶液的碱性主要来自于草木灰中的Ca、Mg 氧化物，K、Na 的碳酸盐也使溶液呈强碱性，但其含量不高。
表1 淮安市楚州区、宿迁市泗阳县生物质发电厂草木灰与农家肥成分及含量（质量分数）
1.2 从草木灰中提取钾素的方法
草木灰一般含钾6%～12%（质量分数），且90%以上是水溶性的[51]。从草木灰中提取钾素古已有之[52-56]，多采用加入2～3 倍质量水分充分搅拌后过滤的方法。由于草木灰颗粒细微及其颗粒的多孔性，吸持水量大，要进行有效浸泡和便于搅拌，加入水量必须达到灰重的3 倍以上，因此浸泡液的钾素浓度低。以草木灰含钾素10%计，3 倍量水浸泡，滤液中钾素质量百分浓度最多为3.3%。因浓度较低，后续对其进行蒸发浓缩时耗能费时较多，又因草木灰本身吸持水的能力强，自然状态的持水量常达200%以上，经离心脱水后持水量仍达75%以上，因此，浸泡过滤取盐不仅滤液浓度低，且灰中残存盐分高。海南烟草公司苏玉明提出的“草木灰提取三钾盐的技术”[57]采用滤液循环多次浸泡的方法以提高滤液的浓度，虽可克服滤液浓度过低的问题，但过程冗繁，不适于大规模生产使用。
分级淋洗过滤从草木灰中提取钾素的技术途径是以水为溶剂，利用钾素易溶于水的特点，将草木灰中的钾素溶解分离出来[58]。其目标一是要尽可能地把草木灰中钾素提取完全，二是尽量提高浸提液中溶质的浓度，以降低后续浓缩结晶的成本。由表2 可知，分级淋洗过滤法可以更高效、更简便地提取可溶钾素，在得到高浓度钾素溶液的同时，节约了资源且降低了提取与加工的成本，使从草木灰中提取钾素具备了工业化生产的可能。基于该法设计的“反向洗滤法提取草木灰中钾盐的装置”“双池叠加法提取草木灰中钾盐的装置”和“多池周转法提取草木灰钾盐装置”，能适应不同规模从灰渣中提取钾素的需要。
表2 2种提钾素方法的比较（以草木灰含盐10%算）
1.3 草木灰提取钾素的效益分析
以可提取钾肥来说，仅江苏现有的22个生物质发电厂，每年产生的草木灰中可提取钾肥总量达近4 万t，这相当于我国目前钾肥产量的近2%。如图1、图2 所示，从草木灰中提取到高浓度淋洗液后，可经蒸发浓缩获得钾肥，用该方法生产钾肥的综合成本比在青海、新疆钾肥主产区的生产成本要低得多。按每个生物质发电厂年使用秸秆20 万t、年处理草木灰20 000 t、草木灰平均含盐折氯化钾7%计，可获得钾肥1 400 t，钾肥按2 500 元/t 计，钾肥销售收入350 万元（以进口钾肥价格约2 200 元/t、国产钾肥价格约1 900 元/t 计，我们生产出的钾肥因为不纯，含有钙镁等物质，所以价格可以降低为1 500 元 /t 左右）。
图1 从草木灰中提取到的高浓度淋洗液
图2 高浓度淋洗液经蒸发浓缩后获得的钾肥
经提取钾素后的草木灰，含盐量和pH 值都已降低，但除增加了含水量之外，其物理性状并未发生任何变化，若不能有效利用，仍然是有待处理的固体垃圾，因此需研究开发提取钾素后的草木灰的出路。草木灰的组成以多孔二氧化硅为主，并残存少部分未燃尽的炭颗粒，容重低、持水量高、无菌、无虫、无草，未燃尽的木炭更具有净化根际环境、促进根系生长和增加代换容量的作用，是适合制作育苗基质有利的一面，但仍然具有颗粒细、浇水后透气性差、养分组成不全面、保肥能力不强等不利于幼苗生长的多方面缺陷。针对其特点，扬其长而避其短，用以制作育苗基质，可彻底解决生物质发电厂草木灰处理难题。
2.1 用草木灰制作水稻育苗基质的技术
水稻机插秧技术已在江苏省国有农垦系统基本实现全覆盖，育苗时需配制大量育秧营养土，存在用土量大、取土难、对土壤耕层破坏严重、劳动强度大等问题。利用基质育水稻秧苗，是在机插秧发展到较大规模时生产上所必然提出的需求。研究用草木灰制作水稻机插育苗基质的技术，可以为生物质发电厂草木灰利用寻找出更为广阔的出路。
目前，已有学者对水稻机插秧育苗基质作了相关的研究，如：江苏省大中农场苏建权等用粉碎过2 mm 孔径筛的稻壳经发酵制成的水稻育苗基质[59]，黑龙江省农垦科学院水稻研究所刘华招等用膨软稻壳制成的水稻育苗基质等[60]。这些基质多为以稻壳、牛粪[61]、秸秆[62]等通过生物发酵后配制而成的有机基质[63-64]，如发酵不好会影响其安全性，而草木灰基质为无机基质[65-70]，性状稳定，无需发酵，育苗安全性较高，与其他基质和营养土相比，育苗效果相近（图3）。用草木灰制作水稻育苗基质，也可为水稻机插育苗基质的制作原料寻找到一项稳定可靠来源。水稻因更偏好铵态氮肥，所以可用单一普通硫酸铵作为氮源；
水稻机插秧秧盘底孔直径小，且密贴于土面，育苗基质对草木灰结构要求不高，因此直接使用无结构的粉末状草木灰装盘，也极少随水流失；
水稻根系对通气孔隙的要求不高，所以制作水稻育苗基质时不必加胶；
水稻适宜偏酸环境生长。根据这些特点，用提钾后的草木灰制作的育苗基质，其原料可溶盐量的电导率应小于2 mS/cm（体积比为1︰5 的水提取液），pH 值6.5～7.0，铵态氮量0.1%左右。
图3 草木灰水稻基质和营养土所育水稻秧苗的比较
2.2 用草木灰制作蔬菜育苗基质的技术
我国目前常用的蔬菜育苗基质多是有机基质或混合基质[71-88]，如岩棉、细蛭石、草炭、锯木屑等。以草木灰为主体材料制作出无机育苗基质鲜有报道。国内引进的工厂化育苗设施大都采用草炭、蛭石（体积比为2︰1）配制的复合基质，草炭虽是优良基质，但其资源分布不均匀，质量差异大，受产地所限，长途运输会增加育苗成本，且草炭为不可再生的自然资源，淮安市及邻近地区也无可开采的草炭资源，因此，当地菜农使用的育苗基质（表3）大多为食用菌残余物、腐熟秸秆、酒糟等，其原料来源复杂，组成常不稳定，应用效果参差不齐。
表3 市售基质和草木灰蔬菜基质主要性状比较
草木灰质地轻，分散性强，持水量高，毛管孔隙发达而通气孔隙率低。在适当含水条件下，草木灰可以正常装入育苗穴盘，但浇水时，穴盘中的草木灰不耐水流冲击，浇水的水滴稍大，草木灰便会从穴盘中被水流冲走，而且一旦浇水量过多，穴盘中的草木灰又极易随下渗水流从穴盘底孔流失，这种性状使其不可能直接用作蔬菜育苗基质。要用提钾后的草木灰制作蔬菜育苗基质，首先必须改变草木灰的物理性状，使其具有一定结构。针对草木灰的特点和不同作物对育苗基质的要求，采用脱盐、调酸、配肥和加胶改善结构等措施，可用草木灰制作出适合不同蔬菜品种的育苗基质。
图4 是草木灰基质所育西瓜苗的效果。使用草木灰基质在小白菜、辣椒、西瓜、南瓜、番茄、棉花、甘蓝等作物上进行育苗试验的结果表明，其育苗效果与市售育苗基质相近[89-95]，某些方面性状还优于商品育苗基质，如种子出苗率较高、发病株率较低。
图4 草木灰基质和市售基质所育西瓜苗对比
2.3 草木灰制作育苗基质的效益分析
按每个生物质发电厂年使用秸秆20 万t、年处理草木灰20 000 t、并先提取钾素后制作基质来计算，提钾后的草木灰可配制育苗基质约7 万m3，如果将其全部用于机插秧育秧，可供4.67 万hm2水稻育秧之需。如果按基质120 元/m3计，产值约850 万元，经济效益显著。
草木灰是一项值得开发的资源，研究开发其有效利用途径是发展生物质发电事业必需面对的课题。草木灰提取钾素，在技术上，难度不大；
生产上，投入不会过多；
产品销售上，市场广阔；
经济效益上，应该有所收益。随着机插秧面积的迅速推广和设施蔬菜种植规模的扩大，对育苗基质的需求也日益增加，草木灰提钾并制作成水稻和蔬菜育苗基质，可彻底解决生物质发电厂草木灰难以处理的现状，使生物质发电技术得以完善并有利于其推广，同时利于水稻机插秧技术和蔬菜种苗产业的发展。目前项目组只进行了中等规模装置的应用试验，大规模生产时的配套机械的选用，尚无经验，也缺乏这方面的知识，有待与相关发电厂配合研究与完善。
提钾后的草木灰制作育苗基质的最大障碍是必需中和其碱性。造成草木灰呈强碱性反应的主要物质是钙镁氧化物。钙镁氧化物的溶解度低，在提钾过程中溶出量有限，绝大部分留存于草木灰中。在已进行的育苗基质调配时，采用以硫酸亚铁为主的调酸剂，这在楚州区的生物质发电厂应用是可行的，因为当地有可廉价获得的废弃资源可供利用。当此项资源供不应求时，如何中和草木灰的碱性物质，仍值得研究完善。
将草木灰水稻基质应用于漂浮育秧[96]，也取得了良好效果。本团队仍在对草木灰水稻育苗基质的配方进行持续优化，草木灰的其他利用途径仍有待发掘。
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