關(guān)于生物炭修復(fù)土壤重金屬污染的研究進展

史 娜

（河南大學(xué)邁阿密學(xué)院，河南 開封 475000）

近年來，土壤重金屬污染問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計，我國已有近10%的耕地受到重金屬污染。所以土壤重金屬污染問題亟需解決。目前，研究出的有效修復(fù)技術(shù)包括植物修復(fù)、化學(xué)沉淀等，這些技術(shù)具有耗時長、成本高和可能造成二次污染等特點。因此，有學(xué)者提出使用相對穩(wěn)定、經(jīng)濟環(huán)保的生物炭材料，將其施入土壤，既能提高土壤的物化或生物特性、降低土壤酸化的危害，還可以增加土壤的保水性和養(yǎng)分有效性等，進而提高農(nóng)作物產(chǎn)量。因此，被推薦作為修復(fù)受重金屬污染土壤的一種有益的改良劑。

1 生物炭的制備及基本特征

生物炭是一種將動植物有機殘體在低氧或缺氧條件下，高溫干餾并熱解炭化所形成的一種高度芳香化的難熔性土壤改良劑。常用的制備方法是熱裂解技術(shù)，依據(jù)制備過程中不同的熱解溫度、速率和停留時間，將其分為慢速熱裂解、快速熱裂解、氣化和水熱炭化。

生物炭有巨大的比表面積和孔隙度，表面大量負電荷和較高的電荷密度促使其良好地吸附重金屬和有機污染物等。將生物炭施入土壤后，能有效提高土壤pH值和肥力，降低土壤重金屬含量，進而減輕土壤中的重金屬的毒害。

2 生物炭在土壤重金屬污染中的修復(fù)機理

生物炭特征的變化及土壤性質(zhì)的不同會影響生物炭在土壤重金屬污染中的作用，從而影響重金屬的遷移和生物炭改良土壤后的生物利用度，主要通過兩方面的作用：第一，金屬與生物炭之間的直接作用；第二，影響土壤特性，從而間接影響金屬可用性。

2.1 直接作用

2.1.1 物理吸附、離子交換

生物炭對重金屬的吸附主要與其比表面積和孔隙度有關(guān)。Qian Tingting[1]等吸附實驗表明，在堿性、高溫（550℃～650℃）環(huán)境制備的小麥秸稈炭具有更強的吸附能力，所以認為堿性條件促進生物炭對重金屬離子的吸附固定。

2.1.2 生物炭表面具有較高的陽離子交換量和大量酸性官能團，可提供H+與重金屬進行離子交換

趙碩[2]等采用盆栽試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加高溫秸稈生物炭導(dǎo)致黑土陽離子交換量降低；施入高溫秸稈生物炭后，交換性Ca2+含量下降，交換性K+和Mg2+含量上升。

2.1.3 絡(luò)合、沉淀作用

Harvey[3]等發(fā)現(xiàn)低溫制備的生物炭表面富含官能團中的氫、氮、氧、磷、硫可作為配位原子與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，更加有效快速地固定重金屬，降低重金屬的遷移性及毒害作用。且生物炭中含有大量的可溶性碳酸鹽與土壤中的重金屬反應(yīng)，產(chǎn)生不溶性化學(xué)鹽等物質(zhì)進行沉淀。

除與重金屬的直接作用外，生物炭還通過改善土壤條件、提高土壤的pH值等方式，間接作用于重金屬。

2.2 間接作用

生物炭對不同類型重金屬的遷移能力影響不同。MengJun[4]等添加3%的稻草和豬糞混合制備的生物炭時，對土壤中Pb2+濃度降低幅度最大；混合比例為3∶1制得的生物炭對重金屬的固化作用最好。大多數(shù)研究表明，向重金屬污染的土壤中施用生物炭，能降低重金屬的生物有效性及毒性，提高微生物的豐度及活性，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，從而減輕重金屬帶來的毒害。

3 生物炭應(yīng)用的潛在風(fēng)險

先前的許多研究都強調(diào)生物炭應(yīng)用的好處，而生物炭應(yīng)用中的風(fēng)險值得進一步探究，如改良后的生物炭可能會將所含的有毒物質(zhì)（如多氯二苯并二惡英）引入土壤，影響植物生長和土壤微生物群落。Li[5]等研究發(fā)現(xiàn)，使用老化的生物炭可以增加玉米中乙草胺的積累，這是由于老化生物炭的吸附能力下降。另外，由于生物炭密度低，施入土壤可能會產(chǎn)生粉塵。Li[6]等實驗表明用2%核桃殼生物炭處理過的土壤的粉塵排放量高于對照組，且粉塵排放量隨施用量增大而增加。人們可能會吸入生物炭粉塵，導(dǎo)致呼吸道炎癥。而且不存在空氣時，熱解產(chǎn)生的生物炭中多環(huán)芳烴易在蔬菜中積累，使人類飲食暴露的風(fēng)險增加，進而增加癌癥風(fēng)險。

基于上述生物炭應(yīng)用的潛在風(fēng)險，要對制備過程中產(chǎn)生的廢氣進行適當(dāng)處理和凈化，并且注意施入堿性土壤時的種類及用量。

4 結(jié)語與展望

生物炭作為一種新型高效的有機吸附材料，廣泛的應(yīng)用既能有效解決我國工農(nóng)業(yè)廢棄物資源再利用問題，又實現(xiàn)土壤的綜合治理與改善。

但當(dāng)前大多數(shù)研究都鮮有涉及其消極影響和應(yīng)用風(fēng)險。目前開展的很多試驗是室內(nèi)及短期的，缺乏說服力；結(jié)合相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，對于重金屬污染土壤的修復(fù)主要集中在單一污染或土壤重金屬含量較少。故使用生物炭進行固定時，有必要考慮其對不同種類重金屬污染物的修復(fù)效果。因此今后的研究要側(cè)重于修復(fù)土壤重金屬污染后的土地利用情況，全面實現(xiàn)生物炭的多層次利用。