生物炭在土壤重金屬污染修復(fù)中的應(yīng)用

王俊楠

摘? 要：土壤重金屬污染已嚴(yán)重威脅人類的健康及生態(tài)環(huán)境安全，鈍化修復(fù)以其高效、快速、廉價的特點受到了廣泛的關(guān)注。生物炭（biochar）也稱生物質(zhì)炭，是指生物質(zhì)在缺氧或無氧條件下熱裂解得到的一類含炭的、穩(wěn)定的、高度芳香化并含有大量酚羥基、羧基和羰基的固態(tài)物質(zhì)，生物炭具備良好的吸附特性及穩(wěn)定性，在鈍化修復(fù)重金屬污染方面具有較大的應(yīng)用潛力。文章介紹了生物炭的理化性質(zhì)以及近年來國內(nèi)外有關(guān)生物炭修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)展，最后對生物炭在治理土壤重金屬污染方面提出了展望。

關(guān)鍵詞：生物炭;重金屬;修復(fù)

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）17-0162-02

Abstract： Heavy metal pollution in soil has seriously threatened human health and ecological environmental safety. Passivation remediation has attracted extensive attention because of its high efficiency， rapid and cheap characteristics. Biochar， also known as bio-carbon， refers to a class of solid substances containing carbon， stable， highly aromatic and containing a large number of phenolic hydroxyl， carboxyl and carbonyl groups， which are produced by pyrolysis of biomass under anoxic or anaerobic conditions. Biochar has good adsorption characteristics and stability， and has great potential in passivation and remediation of heavy metal pollution. The physical and chemical properties of biochar and the remediation of heavy metals by biochar at home and abroad in recent years were introduced. The research progress of polluted soil and the prospect of biochar in controlling heavy metal pollution in soil were put forward.

Keywords： biochar; heavy metals; remediation

1 概述

近年來，由于人口的不斷增長、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致了我國土壤重金屬污染加劇。目前，我國受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染耕地面積近2000萬公頃，約占總耕地面積的1/5[1]。農(nóng)業(yè)部數(shù)據(jù)顯示，我國每年因重金屬污染而減產(chǎn)糧食1000多萬噸，被重金屬污染的糧食每年多達(dá)1200萬噸[2]。重金屬污染具有隱蔽性、長期性、不可逆性和治理難且周期長等特點[3]。一方面，重金屬污染會導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，另一方面重金屬污染物可以在土壤中長期累積，對土壤生態(tài)系統(tǒng)和地下水造成嚴(yán)重危害，而且可以通過植物體進(jìn)入食物鏈，嚴(yán)重威脅人類健康。

目前，治理土壤重金屬污染的方法有物理、化學(xué)、生物修復(fù)等方法。添加土壤重金屬鈍化劑的原位修復(fù)方法因其可操作性強(qiáng)、實施成本低、可大面積推廣等優(yōu)點被廣泛關(guān)注。生物炭是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化固態(tài)物質(zhì)，具有較大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙率，表面含有大量的官能團(tuán)和負(fù)電荷，對重金屬離子有較強(qiáng)的吸附固定能力，并且能夠改善土壤理化性質(zhì)。是一種新型、綠色、經(jīng)濟(jì)、資源化的重金屬鈍化修復(fù)材料。

本文綜述了生物炭的制備方法和基本特性，結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)生物炭的研究進(jìn)展對土壤中重金屬鈍化修復(fù)等方面進(jìn)行了總結(jié)，為今后對生物炭修復(fù)重金屬污染土壤的研究提供參考意義。最后提出生物炭吸附土壤中重金屬的未來研究方向和生物炭在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用及前景。

2 生物炭的基本性質(zhì)

制備生物炭的原料多種多樣，包括農(nóng)林廢棄物、城市污水處理廠污泥、動物排泄物等。按照反應(yīng)溫度、停留時間和加熱速率的不同可分為三種制備方法。表1列出了三種常見的制備方法。生物炭的性質(zhì)與制備溫度、時間、原材料等密切相關(guān)。

2.1 元素組成

生物炭主要由C、H、O、N四種元素組成，C元素含量最高。這些元素是構(gòu)成生物炭芳香型結(jié)構(gòu)和烷基的主要成分。原料不同及熱解溫度都會對生物炭的元素組成和含量造成較大影響。對不同燒制溫度下玉米秸稈生物炭的性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，隨燒制溫度升高，碳元素含量也不斷升高，氧元素和氫元素含量下降。陳樂等發(fā)現(xiàn)隨著熱解溫度的升高谷殼炭、秸稈炭、藥渣炭N含量均逐漸降低，相反生物炭的P含量隨著熱解溫度的升高均逐漸增加。

2.2 生物炭的表面官能團(tuán)

高濃度含氧官能團(tuán)的存在被認(rèn)為是生物炭對重金屬吸附能力一個重要指標(biāo)。饒瀟瀟等制備的花生殼生物炭含有豐富的表面官能團(tuán)，熱解溫度升高使羥基數(shù)量大幅減少，烴基逐漸消失，芳香化程度增強(qiáng)。高凱芳等研究裂解溫度對生物炭表面官能團(tuán)的影響，發(fā)現(xiàn)烷烴基隨裂解溫度升高而缺失，甲基（-CH3）和亞甲基（-CH2）逐漸消失，而芳香族化合物增加，芳香化程度增強(qiáng)。這些性質(zhì)有利于提高生物炭對土壤中重金屬的修復(fù)固定。

3 生物炭修復(fù)土壤重金屬污染的效果

3.1 生物炭對土壤重金屬有效態(tài)含量的影響

在評價重金屬污染土壤的環(huán)境質(zhì)量時，我們常采用不同的提取劑對土壤中重金屬的有效態(tài)進(jìn)行提取，以反映土壤重金屬的毒性和生物有效性。利用秸稈生物炭修復(fù)土壤中的Pb、Cd、Zn，將秸稈生物炭（5%）作為鈍化材料添加到重金屬污染的土壤中，研究表明，秸稈生物炭處理的土壤TCLP提取態(tài)Pb、Cd、Zn分別降低了10.44%、19.79%、5.02%，有效降低了土壤重金屬的毒性。孫慧等施用水稻秸稈生物炭能使土壤TCLP有效態(tài)Cd含量降低42.07%～45.12%，與海泡石混合施用后降低幅度最高達(dá)到56.58%。

3.2 生物炭對土壤重金屬形態(tài)的影響

歐盟BCR連續(xù)提取法將土壤中重金屬形態(tài)分為弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)。弱酸提取態(tài)容易被植物吸收，對作物危害較大;可還原態(tài)在氧化還原條件下穩(wěn)定性差，對農(nóng)作物存在潛在危害;可氧化態(tài)一般不易被植物吸收利用，當(dāng)土壤氧化還原電位發(fā)生變化時，可使少部分重金屬溶出;殘渣態(tài)重金屬很穩(wěn)定，對土壤重金屬遷移和生物可利用性不大。利用水稻秸稈在500℃條件下制備生物炭，將其施入Pb、Cd重金屬復(fù)合污染的土壤中培養(yǎng)30天。結(jié)果表明，當(dāng)生物炭添加量為5%時，弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)Pb含量明顯降低，殘渣態(tài)Pb含量顯著增加。王哲等用玉米秸稈生物炭施入重金屬污染的礦區(qū)土壤中，研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭后可顯著降低土壤中酸可提取態(tài)Pb、Cu、Zn、Mn的含量，顯著增加殘渣形態(tài)。

4 展望

我國擁有豐富的廢棄生物質(zhì)資源，較常見的有稻殼、秸稈、甘蔗渣、畜禽糞便、木材加工剩余物、生活垃圾等，大量的生物質(zhì)資源沒有得到有效的利用。生物炭的添加在一定程度上可以降低土壤中重金屬的移動性和生物有效性，但單一的生物炭對某些重金屬污染物的吸附能力有限，不能對復(fù)合污染重金屬污染達(dá)到預(yù)期的修復(fù)效果，在環(huán)境應(yīng)用中受到了一定的局限性。日后需要進(jìn)一步研究復(fù)合生物炭材料或改性生物炭對多種不同類型重金屬的吸附鈍化效果。生物炭對土壤重金屬污染的修復(fù)屬于原位鈍化修復(fù)技術(shù)，沒有將重金屬從土壤中分離開來，長時間以來，可能有重金屬重新釋放的危險。目前，關(guān)于磁化改性生物炭已經(jīng)在水體中金屬污染中展開了應(yīng)用研究，達(dá)到了固液分離的目的。所以未來我們可以將磁性生物炭用于土壤重金屬污染的修復(fù)治理工作中去，修復(fù)完成之后，利用磁鐵將吸附重金屬的生物炭從土壤中剝離。

參考文獻(xiàn)：

[1]申瑞玲，郝云龍，蔣士飛.土壤重金屬污染現(xiàn)狀及其治理方法[J].西部資源，2014（6）：137-139.

[2]樊霆，葉文玲，陳海燕.等.農(nóng)田土壤重金屬污染狀況及修復(fù)技術(shù)研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2013，22（10）：1727-1736.

[3]曹勤英，黃志宏.污染土壤重金屬形態(tài)分析及其影響因素研究進(jìn)展[J].生態(tài)科學(xué)，2017，36（6）：222-232.

[4]張博，張靜.土壤重金屬污染微生物修復(fù)技術(shù)簡述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（16）：172.

[5]黃怡佳，毛東梅.土壤重金屬污染及防治措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（26）：151.

[6]劉洋.淺議土壤重金屬污染及其防治措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（22）：167.