将造纸废渣在小时级别内进行腐熟处理，以生产蜂窝状控释肥料

纸浆废渣经碱性热活化过硫酸盐技术转化为富里酸类有机肥（HPWR），其含量达364 mg/g。将HPWR与云母土、尿素及改性淀粉复合制备出蜂窝状缓释肥料（HAUM），并采用氨基硅油（ASO）涂层形成HAUM@ASO。实验表明该肥料在释放尿素（R²=0.9809）和FLA（R²=0.9679）时符合一级动力学模型，同时显著增加有益微生物（γ-阿米巴、拟杆菌等），且在田间及盆栽试验中显著促进菠菜和生菜生长。本研究为纸浆废渣资源化提供“零废弃”解决方案，并开发新型高效低耗肥料模型。

蔡东青|王双|王琳英|宋泽荣|朱彦萍|游子瑜|徐金晶|王艳|朱万吉|张荣军|赵攀|卢晓峰|范慧群|王东方

华东大学环境科学与工程学院，中国上海201620

摘要

造纸废弃物残渣（PWR）是造纸行业中产生的固体废弃物，传统的处理方法需要占用大量土地。在这项研究中，通过过硫酸盐的碱性热活化技术，创新地将PWR转化为类黄腐酸（FLA）有机肥料。有趣的是，在经过腐殖化的PWR（HPWR）中，FLA的含量可达到364毫克/克。随后，将HPWR与凹凸棒土、尿素和改性淀粉粘合剂混合，制备出具有厘米级通道的蜂窝状FLA肥料（HAUM），以节省劳动力。为了提高HAUM的稳定性，使用氨基硅油（ASO）作为其涂层剂，制备出尿素和FLA的控释肥料（HAUM@ASO）。尿素的释放速率（R²）为0.9809，FLA的释放速率（R²）为0.9679，这与第一个动力学模型相符。同时，经过HAUM@ASO处理后，有益细菌（γ-变形虫、拟杆菌门、α-变形虫和硝化螺菌）的数量显著增加。在田间和盆栽实验中，均证实了HAUM@ASO对小白菜和生菜的促生长效果。因此，这项工作不仅为PWR的资源化利用提供了“零废物”解决方案，还开发了一种高效、低成本的施肥新模式，具有环境和农业应用价值。

引言

造纸废弃物残渣（PWR）是造纸行业中产生的固体废弃物，其中有机物质（纤维素、木质素）占50%（Haile等人，2021；Zambare和Christopher，2020）。然而，传统的PWR处理方法（填埋）会占用大量土地，且有机物的分解会污染地下水和土壤（Furszyfer Del Rio等人，2022；Verma，2023）。面对对废弃物填埋的严格限制（如欧盟的《废物框架指令》），造纸厂需要整合废弃物处理流程以实现“零废物”目标（欧盟委员会和理事会，2018）。研究表明，通过过硫酸盐的碱性热活化，纤维素和木质素可以转化为类黄腐酸（FLA）有机物质（Wang等人，2025a）。FLA是一种可溶性有机酸混合物，含有多种含氧官能团（如羧基、酚羟基、甲氧基等），可以直接被作物吸收（Bu等人，2020；Deng等人，2019）。尽管已有将造纸废水/残渣转化为肥料的相关研究（Hongsong Zhou等人，2025；Liu等人，2021；Kumar Singh等人，2021），但PWR的主要用途仍然是建筑材料和生物材料（Jia等人，2024a；John等人，2022；Mo等人，2016）。因此，这为PWR在农业领域的资源化利用提供了一个创新思路。

此外，在农业领域，过量施肥会导致效率低下，并引发严重的农业非点源污染（Bostian等人，2021；Cao等人，2022）。近年来，控释肥料的研究与开发在提高肥料利用效率和降低成本方面发挥了重要作用（Beig等人，2022；Tu等人，2021）。其中，凹凸棒土作为一种绿色、低成本且高效的肥料控释剂，受到了广泛关注（Kaur等人，2025；Liu等人，2023）。由于其丰富的羟基和强大的吸附能力，凹凸棒土可作为有效的载体（Kuang等人，2024），从而有效减少肥料损失并提高利用效率。

根据中华人民共和国自然资源部的数据，经济果树约占耕地的15.8%（2021年）。传统的施肥方法是通过穴施或沟施进行，但这些方法存在劳动消耗大、肥料利用率低和破坏土壤结构等缺点（Ma等人，2022；Šarauskis等人，2019；Tröster等人，2019）。因此，需要开发一种新的施肥方法来促进经济果树的生长。具有厘米级通道的蜂窝状肥料不仅可以保留雨水，还能控制肥料的释放（Cai等人，2024a）。通过将HPWR与凹凸棒土混合制备蜂窝状FLA有机肥料，然后直接施用，可以大大节省劳动力。

本研究通过结合HPWR、凹凸棒土、尿素和改性淀粉粘合剂制备出蜂窝状FLA肥料（HAUM@ASO），并进一步用氨基硅油（ASO）进行涂层（Cai等人，2024a）。为了确定最佳的腐殖化条件，研究了温度以及K₂S₂O₈/KOH的比例和添加量。同时，通过一系列表征方法分析了PWR的腐殖化机制，并探讨了HAUM@ASO中尿素和FLA的控释性能及其释放机制。通过蚯蚓实验评估了HAUM@ASO的生物安全性。最后，通过盆栽和田间实验验证了HAUM@ASO的促生长效果。这项研究为PWR的资源化利用提供了一种新策略，并介绍了一种简单的果树施肥方法，具有广泛的应用潜力。

材料与表征

材料与表征

有关材料与表征的详细信息，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、气相色谱-质谱（GC/MS）等显微方法及相关标准，请参见支持信息（文本S1）。每个实验在后续部分中均进行了三次重复。

PWR的腐殖化

首先，向10克PWR（含水量50%）中依次加入K₂S₂O₈（0.5克）和KOH（0.5克）

PWR的腐殖化

为了提高FLA的含量，研究了K₂S₂O₈与KOH的重量比。如图1A所示，随着KOH的添加（在W_K2S2O8:W_KOH = 1:1之前），FLA含量逐渐增加，并在W_K2S2O8:W_KOH = 1:1时达到最高含量364毫克/克。因此，K₂S₂O₈与KOH的最佳重量比为1:1，在后续部分中用K₂S₂O₈/KOH表示。在此过程中，K₂S₂O₈通过碱的作用（方程式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）被活化，从而生成大量

结论

在本研究中，通过过硫酸盐的碱性热活化技术将PWR腐殖化为FLA有机肥料（HPWR），实现了PWR的资源化利用。值得注意的是，在130°C下，当K₂S₂O₈的添加量为10%（W_K2S2O8:W_KOH = 1:1）时，FLA的含量可达364毫克/克。在腐殖化过程中，K₂S₂O₈促进了PWR的酰胺化、酯化、羧基化和芳香化反应，同时K₂S₂O₈被还原为K₂SO₄。

作者贡献声明

蔡东青：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目管理。 王双：撰写 – 初稿、软件处理、数据管理。 王琳英：软件处理、数据管理。 宋泽荣：撰写 – 审稿与编辑。 朱彦萍：方法学研究。 游子瑜：软件处理。 徐金晶：实验研究。 王艳：方法学研究。 朱万吉：实验研究。 张荣军：资源协调。 赵攀：资源协调。 卢晓峰：资源协调。 范慧群：资源协调。 王东方：撰写 – 审稿与编辑、验证。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了华东大学2025学科建设与研究能力提升项目（113-08-0241015）、泰山产业专家计划（tscy20251054）、安徽省生态环境厅（2025hb006）、国家自然科学基金（52370129）、上海农业科技创新项目（2024-02-08-00-12-F00031）、康奈尔大学基础研究基金（2232024D-17）的支持。