Biowęgiel odpowiedzią na aktualne problemy ochrony środowiska

• Autorzy: Malińska K

Warianty tytułu

EN

Biochar - a response to current environmental issues

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Narastające problemy ochrony środowiska związane z postępującą degradacją gleb, nasilającymi się skutkami zmian klimatycznych, produkcją energii oraz zagospodarowaniem odpadów wymagają poszukiwania nowych, skuteczniejszych i tańszych rozwiązań. Jednym z proponowanych rozwiązań aktualnych problemów w obszarze ochrony środowiska jest biowęgiel, czyli karbonat otrzymany w procesie pirolizy biomasy roślinnej oraz odpadów organicznych. Biowęgiel i jego zastosowanie nie jest rozwiązaniem nowym - od wieków stosowany był w rolnictwie. Jednakże w ostatnich latach jego właściwości i potencjalne zastosowania „odkrywane” są na nowo i obecnie można stwierdzić, że tradycyjnie znany karbonat, w odpowiedzi na współczesne potrzeby i zastosowania w obszarze ochrony środowiska, zyskał nową „markę” i funkcjonuje jako biowęgiel. Substraty do produkcji biowęgla obejmują zróżnicowaną grupę materiałów, do której należą: rośliny energetyczne, odpady leśne, biomasa rolnicza, osady ściekowe, organiczna frakcja odpadów komunalnych czy pozostałości z przetwórstwa rolno-spożywczego. Wybór substratów uzależniony jest m.in. od właściwości fizykochemicznych (np. zawartości wody i substancji organicznej, rozmiaru cząstek), potencjalnego zastosowania (np. do produkcji energii, na cele rolnicze, do usuwania zanieczyszczeń), aspektów logistycznych oraz procesu pirolizy i jego parametrów. Biowęgiel dzięki takim właściwościom fizykochemicznym, jak wysoka zawartość węgla organicznego w formie stabilnej i substancji mineralnych, znacznie rozwiniętej porowatości i powierzchni właściwej, może być z powodzeniem wykorzystywany: w bioenergetyce jako paliwo odnawialne; do sekwestracji węgla w glebie; w procesie kompostowania jako materiał strukturalny czy dodatek ograniczający emisję amoniaku; w produkcji nawozów organicznych na bazie biowęgla; do poprawy właściwości gleb użytkowanych rolniczo; do usuwania zanieczyszczeń z roztworów wodnych, ścieków komunalnych i przemysłowych, oraz gazów procesowych; w remediacji gleb zanieczyszczonych związkami organicznymi i nieorganicznymi, oraz do ograniczania zanieczyszczenia wód podziemnych i powierzchniowych poprzez retencję np. składników biogennych w glebie. Wykorzystanie biowęgla w ochronie środowiska niesie ze sobą wiele korzyści, m.in. takich, jak możliwość zastąpienia paliw kopalnych paliwem odnawialnym, poprawę właściwości gleb, np. zwiększenie ilości węgla w glebie czy pojemności wodnej gruntu, ograniczenie zużycia nawozów organicznych i nieorganicznych oraz środków ochrony roślin, a tym samym ryzyka zanieczyszczenia wód podziemnych i powierzchniowych. Pomimo wielu rozpoznanych korzyści, produkcja biowęgla oraz wprowadzanie go do środowiska naturalnego może również nieść ze sobą pewne zagrożenia. Mogą one dotyczyć m.in. intensywnego pozyskiwania biomasy z upraw, a tym samym prowadzić do degradacji gleb, wprowadzania toksycznych związków, np. WWA, dioksyn i furanów, do środowiska glebowego, co wpływa negatywnie na żywe organizmy i może prowadzić do zanieczyszczenia wód podziemnych. Co więcej, właściwości fizykochemiczne biowęgla otrzymanego z różnych substratów, jak również procesy i mechanizmy długookresowego wpływu na środowisko naturalne, nie zostały jeszcze w pełni poznane. Dalsze kierunki badań powinny więc obejmować m.in. opracowanie systemu klasyfikacji biowęgli otrzymanych z różnych substratów w oparciu o ich właściwości fizykochemiczne i kryteria zastosowań, analizę możliwości optymalizacji parametrów procesu pirolizy w celu uzyskania pożądanych właściwości biowęgla dla różnych zastosowań w ochronie środowiska, ocenę wpływu stosowania biowęgla na środowisko naturalne w dłuższej perspektywie czasowej, określenie występowania potencjalnych zagrożeń związanych z wprowadzeniembiowęgla do środowiska, analizę kosztów produkcji biowęgla oraz dostępności substratów przydatnych do jego produkcji oraz kosztów stosowania biowęgla, np. do produkcji energii, remediacji zanieczyszczonych gruntów, poprawy właściwości gleb czy też usuwania zanieczyszczeń ze ścieków komunalnych i przemysłowych.

EN

In recent years the most pressing environmental issues include widespread degradation of soil, global climate change, production of energy and management of waste. Therefore, there is a need for new more efficient and affordable methods that would allow for addressing all of these issues. Biochar and its properties could be a response to current environmental challenges. Biochar is a solid carbon-rich product referred to as charcoal obtained from pyrolysis of various biomass feedstock. Biochar is not a new idea as it has been applied in agriculture for centuries. However, its properties and potential applications are being “rediscovered” now, and traditionally known charcoal was “rebranded” to biochar to address the needs and applications for environment protection. There is a diversified group of feedstock materials that can be used for production of biochar including energy crops, forestry residues, agricultural biomass, sewage sludge, biodegradable fraction of municipal waste and food processing residues. Selection of a feedstock material depends on physical and chemical properties (i.e. moisture content, organic matter content, particle size, etc.), potential applications (i.e. energy production, agriculture, removal of contaminants, etc.), biomass provision and logistics, and also pyrolysis technology and process parameters. Biochar due to its properties such as high content of stable organic carbon and minerals, high porosity and surface area can be applied for bioenergy production, sequestration of carbon in soil, composting and production of biochar-based composts and fertilizers, improvement of soil properties, removal of contaminants from liquid solutions, municipal and industrial wastewater. Also, treatment of post-processing gases, remediation of soil contaminated with organic and inorganic compounds, and reduction of contamination of groundwater and surface water through retention of nutrients in soil can be obtained using biochar. Applications of biochar have a number of benefits for protection of natural environment including substitution of fossil fuels, improvement of soils through increase in carbon content or water holding capacity, reduction of organic and inorganic fertilizers and pesticides, and thus mitigation of groundwater and surface water contamination. Despite the great potential of biochar and numerous benefits of its applications, production of biochar and its introduction to soil may also pose some threats. These threats may include intensive biomass production that could lead to competition with land or food production, degradation of soil, contamination of soil with toxic compounds, e.g. PAHs, dioxins and furans which have negative effects on biota and cause contamination of groundwater. It has to be pointed out that some of the physical and chemical properties of biochars produced from different feedstock materials as well as processes and mechanisms behind the biochar-soil interactions, and also long-term effects of biochar on natural environment are still not fully understood and explained. Therefore, future research should focus on development of a biochar classification system based on physical and chemical properties and selected applications, evaluation of pyrolysis parameters in order to engineer biochars with required properties for selected applications, assessment of biochar effects on natural environment in long-term perspective, environmental risk assessment of various types of biochars, cost analysis for biochar production, biomass provision and applications for environmental protection, e.g. production of energy, remediation of contaminated soil, improvement of agricultural soil, and removal of contaminants from municipal and industrial wastewater.

Słowa kluczowe

PL

biowęgiel; biokarbonat; agrokarbonat; karbonat; piroliza; sekwestracja węgla w glebie; biomasa; odpady organiczne; ograniczenie emisji gazów cieplarnianych; kompostowanie; odzysk energii

EN

biochar; biocarbonate; agrichar; charcoal; pyrolysis; carbon sequestration in soil; biomass; organic waste; mitigation of GHG emissions; composting; energy recovery

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2012
• Tom: T. 15, nr 4
• Strony: 387--403
• Opis fizyczny: Bibliogr. 51 poz.

Twórcy

autor

Malińska K

• Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Środowiska ul. Brzeźnicka 60A, 42-200 Częstochowa

Bibliografia

• [1] Igliński B., Buczkowski R., Cichosz M., Technologie bioenergetyczne, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 2009.
• [2] Lewandowski W.M., Radziemska E., Ryms M., Ostrowski P., Nowoczesne metody termochemiczne konwersji biomasy w paliwa gazowe, ciekłe i stałe, Proceedings of ECOpole, 2010, 4(2).
• [3] Bis Z., Biowęgiel - powrót do przeszłości, szansa dla przyszłości, Czysta Energia 2012, 6.
• [4] Matovic D., Biochar as a viable carbon sequestration option: Global and Canadian perspective, Energy 2011, 36, 2011-2016.
• [5] Jaworski J., Biowęgiel. Kontekst ponownego ‘odkrycia’ zastosowania węgla drzewnego w agrokulturze oraz jego potencjalne znaczenie odnośnie kryzysów globalnych, a także ruch społeczny z tym związany (przedsiębiorstwa, organizacje, konferencje, źródła informacji online) http://www.sibg.org.pl/UserFiles/File/opracowanie%20biowegiel%20kontekst% 20znaczenie%20ruch%20spoleczny.pdf (09.05.2012).
• [6] Lehman J., Joseph S. (ed). Biochar for Environmental Management: Science and Technology, Earthscan, London 2009.
• [7] Lehman J., Bio-energy in the black, Frontiers in Ecology and the Environment 2007, 5(7), 381- 387.
• [8] Raport. International Biochar Initiative http://www.biochar-international.org/biochar (10.05.2012) .
• [9] Laird D.A., Brown R.C., Amonette J.E., Lehmann J., Review of the pyrolysis platform for coproducing bio-oil and biochar., Biofuels, Bioproducts, Biorefining 2009, 3, 547-562.
• [10] Verheijen F.G.A., Jeffery S., Bastos A.C., van der Velde M., Diafas I., Biochar Application to Soils - A Critical Scientific Review of Effects on Soil Properties, Processes and Functions. EUR 24099 EN, Office for the Official Publications of the European Communities, http://eusoils.jrc.ec.europa.eu/esdb_archive/eusoils_docs/other/eur24099.pdf (10.05.2012).
• [11] Kwapinski W., Byrne C.M.P., Kryachko E., Wolfram P., Adley C., Leahy J.J., Novotny E.H., Hayes M.H.B., Waste Biomass Valorization 2010, 1, 177-189.
• [12] Sanchez M.E., Lindao E., Margaleff D., Martinez O., Moran A., Pyrolysis of agricultural residues from rape and sunflower: production and characterization of bio-fuels and biochar soil management. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 2009, 85, 142-144.
• [13] Song W., Guo M. Quality variations of poultry litter biochar generated at different pyrolysis temperatures, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 2012, 94, 138-145.
• [14] Ibarrola R., Shackely S., Hammond J., Pyrolysis biochar systems for recovering biodegradable materials: a life cycle carbon assessment. Waste Management 2012, 32, 859-868.
• [15] Bird M.I., Wurster C.M., de Paula Silva P.H., Bass A.M., de Nys R., Algal biochar - production and properties, Bioresource Technology 2011, 102, 1886-1891.
• [16] Laine J., Perspective of the preparation of agrichars using fossil hydrocarbon coke, Renewable and Sustainable Energy Reviews 2012, 16, 5597-5602.
• [17] Krull E., Biochar - its role in crop nutrition. http://www.grdc.com.au/Research-and- Development/Research-Updates/2010/02/Biochar-its-role-in-crop-nutrition (09.05.2012).
• [18] McHenry M. P., Agricultural bio-char production, renewable energy generation and farm carbon sequestration in Western Australia: Certainty, uncertainty and risk, Agriculture, Ecosystems and Environment 2009, 129, 1-7.
• [19] Hossain M.K., Strezov V., Chan K.Y., Ziolkowski A., Nelson P.F., Influence of pyrolysis temperature on production and nutrient properties of wastewater sludge biochar, Journal of Environmental Management 2011, 92, 223-228.
• [20] Lehmann J., Rilling M.C, Thies J., Masiello C.A., Hockaday W.C., Crowley D., Biochar effects on soil biota - A review. Soil Biotechnology and Biochemistry 2011, 43, 1812-1836.
• [21] Atkinson C.J., Fitzgerald J.D., Hipps N.A., Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils: review, Plant Soil 2010, 337, 1-18.
• [22] Husk B., Preliminary evaluation of biochar in a commercial farming operation in Canada. http://www.blue-leaf.ca/main-en/files/BlueLeaf_Biochar_Field_Trial_2008_fv.pdf (06.06.2011).
• [23] Chen Y-X., Huang X-D., Han Z-Y., Huang X., Hu B., Shi D-Z., Wu W-X., Effects of bamboo charcoal and bamboo vinegar on nitrogen conservation and heavy metals immobility during pig manure composting, Chemosphere 2010, 78, 1177-1181.
• [24] Materiały firmy FLUID http://fluid.pl/oferta/produkcja-i-sprzedaz-biowegla-marki-fluid-dlaenergetyki-zawodowej-i-rolnictwa/ (15.12.2012)
• [25] Sukiran M.A., Kheang L.S., Baker N.A., May C.Y., Production and characterization of biochar from the pyrolysis of empty fruit bunches. American Journal of Applied Sciences 2011, 8(10), 984-988.
• [26] Gheorghe C., Marculescu C., Badea A., Dinca C., Apostol T., Effect of pyrolysis conditions on bio-char production from biomass, Materiały konferencyjne, 3rd WSEAS International Conference on Renewable Energy Sources 2009, 239-241
• [27] Dach J., Wpływ dodatku rożnego rodzaju słomy na dynamikę procesu i wielkość emisji amoniaku z kompostowanych osadów ściekowych, Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering 2010, 55(2), 8-13.
• [28] Karhu K., Mattila T., Bergstrom I., Regina K., Biochar addition to agricultural soil increased CH4 uptake and water holding capacity - Results from a short-term pilot field study, Agriculture, Ecosystems and Environment 2011, 140, 309-313.
• [29] Downie A., Crosky A., Munroe P., Physical properties of biochar, [In:] Lehmann J., Joseph S. (ed.), Biochar for Environmental Management - Science and Technology, Earthscan, London 2009.
• [30] Van Zwieten L., Singh B., Joseph S., Kimber S., Cowei A., Chan K.Y., Biochar and emissions of non CO2 greenhouse gases from soil, [In:] Lehmann J., Joseph S. (ed.), Biochar for Environmental Management - Science and Technology, Earthscan, London 2009.
• [31] Dias B.O, Silva C.A., Higshikawa F.S., Roig A., Sanchez-Monedero M.A., Use of biochar as bulking agent for the composting of poultry manure: effect on organic matter degradation and humification, Bioresource Technology 2010, 101, 1239-1246.
• [32] Steiner C., Das K.C., Melear N., Lakly D., Reducing nitrogen loss during poultry litter composting using biochar, Journal of Environmental Quality 2010, 39 (4), 1236-1242.
• [33] Jindo K., Suto K., Matsumoto K., Garcia C., Sonoki T., Sanchez-Monedero M.A., Chemical and biochemical characterisation of biochar-blended compost prepared from poultry manure, Bioresource Technology 2012, 110, 396-404.
• [34] Schulz H.S., Glaser B.G., Compared biochar and compost effects on plant growth and soil factors as reported for three consequent greenhouse trial setups, Geophysical Research Abstracts 2012, 14, EGU 2012-1114.
• [35] Lehamnn J., Gaunt J., Rondon M., Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems, Mitig. Adapt. Strat. Glob Change 2006, 11, 395-419.
• [36] Vaccari F.P., Baronti S., Lugato E., Genesio L., Castaldi S., Fornasier F., Miglietta F., Biochar as a strategy to sequester carbon and increase yield in durum wheat, European Journal of Agronomy 2011, 34, 231-238.
• [37] Ociepa A., Pruszek K., Lach J., Ociepa E., Influence of long-term cultivation of soils by means of manure and sludge on the increase of heavy metals content in soils, Chemia i Inżynieria Ekologiczna 2008 S, 15(1), 103-109.
• [38] Nigussie A., Kissi E., Misganaw M., Ambaw G., Effect of biochar application on soil properties and nutrient uptake of lettuces (Lactuca sativa) grown in chromium polluted soils, American- Eurasian Journal of Agricultural and Environmental Sciences 2012, 12(3), 369-376.
• [39] Sun K., Ro K., Guo M., Novak J., Mashayekhi H., Xing B., Sorption of bisphenol A, 17α-ethinyl estradiol and phenanthrene on thermally and hydrothermally produced biochars, Bioresource Technology 2011, 102, 5757-5763.
• [40] Yao Y., Gao B., Chen H., Jinag L., Inyang M., Zimmerman A.R., Cao X., Yang L., Xue Y., Li H., Adsorption of sulfamethoxazole on biochar and its impact on reclaimed water irrigation, Journal of Hazardous Materials 2012, 209-210, 408-413.
• [41] Tong X., Li J., Yuan J. Xu R., Adsorption of Cu(II) by biochars generated from three crop straws, Chemical Engineering Journal 2011, 172, 828-834.
• [42] Regmi P., Moscoso J.L.G., Kumar S., Cao X., Mao J., Scharfan G. Removal of copper and cadmium from aqueous solutions using switchgrass biochar produced via hydrothermal carbonization process, Journal of Environmental Management 109, 61-69.
• [43] Inyang M., Gao B., Yao Y., Xue Y., Zimmerman A.R., Pullammanappallil P., Cao X., Removal of heavy metals from aqueous solution by biochars derived from anaerobically digested biomass, Bioresource Technology 2012, 110, 50-56.
• [44] Mohan D., Rajput S., Singh V.K., Steele P.H., Pittman C.U., Modelling and evaluation of chromium remediation from water using low cost bio-char, a green adsorbent, Journal of Hazardous Materials 2011, 188, 319-333.
• [45] Zhang W., Guo M., Chow T., Bennet D.N., Rajagopalan N., Sorption properties of greenwaste biochar for two triazine pesticides, Journal of Hazardous Materials 2010, 181, 121-126.
• [46] Zhang P., Sun H., Yu L., Sun T., Adsorption and catalytic hydrolysis of carbaryl and antrazine on pig manure-derived biochars: impact of structural properties of biochars, Journal of Hazardous Materials 2013, 244-245, 217-224.
• [47] Spokas K.A., Koskinen W.C., Baker J.M., Reicosky D.C., Impacts of woodchip biochar additions on greenhouse gas production and sorption/degradation of two herbicides in a Minnesota soil, Chemosphere 77, 574-581.
• [48] Corenlissen G., Gustafsson O., Bucheli T.D., Jonker M.T.O., Koelmans A.A., Van Noort P.C.M. Extensive sorption of organic compounds to black carbon, coal, and kerogen in sediments and soils: Mechanisms and consequences for distribution, bioaccumulation, and biodegradation, Environmental Science & Technology 2005, 39, 6881-6895.
• [49] Beesely L., Moreno-Jimenez E., Gomez-Eyles J.L., Harris E., Robinson B., Sizmur T., A review of biochars’ potential role in the remediation, revegetation and restoration of contaminated soils, Environmental Pollution 2011, 159, 3269-3282.
• [50] Beesley L., Moreno-Jimenez E., Gomez-Eyles J.L., Effects of biochar and greenwaste compost amendments on mobility, availability and toxicity of inorganic and organic contaminants in a multi-element polluted soil, Environmental Pollution 2010, 158 (6), 2282-2287.
• [51] Yu X-Y., Ying G-G., Kookana R.S., Reduced uptake of pesticides with biochar additions to soil, Chemosphere 2009, 76, 665-671.