生物質(zhì)炭在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用探究

王璐

摘 要 為探究生物質(zhì)炭在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用，從比表面積、表面官能團(tuán)、表面結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)4個(gè)方面分析了生物質(zhì)炭的性質(zhì)，提出了土壤重金屬污染物治理工作中使用生物質(zhì)炭的策略，即生物質(zhì)炭與植物修復(fù)法結(jié)合使用、化學(xué)淋洗法與生物質(zhì)炭修復(fù)法結(jié)合使用、改良土壤性能，以期為重金屬污染土壤修復(fù)工作貢獻(xiàn)力量。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)炭;重金屬土壤;修復(fù)

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.23.103

土壤污染治理一直是一個(gè)世界性的難題。生物質(zhì)炭具有孔隙率大、比表面積大的特點(diǎn)，其表面附著帶電荷的含氧含氮官能，能將污染土壤中的重金屬陽(yáng)離子和有機(jī)污染物吸附、固化，還能提升土壤營(yíng)養(yǎng)及保水性能，促進(jìn)土壤微生物良好共生等，從而固化土壤污染物，降低農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收，是一種優(yōu)良的土壤污染治理材料?；诖?，針對(duì)生物炭在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行探析。

1 土壤重金屬污染物治理概述

土壤中的重金屬污染物通常來(lái)自于工業(yè)排放的廢料、填埋的生活垃圾、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的化肥農(nóng)藥等。重金屬污染物會(huì)伴隨著雨水進(jìn)入土壤深層或者地下水中，進(jìn)而在農(nóng)作物和水體中大量積累。長(zhǎng)期食用重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品，會(huì)使得重金屬在人體內(nèi)蓄積量不斷增加，危害人體健康[1]。

當(dāng)前，重金屬污染物處理的主要方法分為物理方法、化學(xué)方法和生物方法3類，這些方法都是通過(guò)降低重金屬污染物的活性達(dá)到降低危害程度的目的。其中，物理方法和化學(xué)方法適用于輕度重金屬污染土壤，它們修復(fù)的規(guī)模較小、治理周期比較短，但是會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和土壤微生態(tài)產(chǎn)生影響，還可能造成二次污染。生物方法產(chǎn)生二次污染的可能性較小、經(jīng)濟(jì)成本低，因此也被廣為接受。

2 生物質(zhì)炭的性質(zhì)

2.1 比表面積

生物質(zhì)炭表面疏松多孔，可以有效吸收廢棄物。研究顯示，生物質(zhì)炭的比表面積與溫度有關(guān)：裂解溫度越高，比表面積越大?；罨部梢栽黾由镔|(zhì)炭的比表面積，增強(qiáng)生物質(zhì)炭的吸收能力。例如，氧化后的生物質(zhì)炭，在吸水能力和保持養(yǎng)分能力上都有所提升。

2.2 表面官能團(tuán)

生物質(zhì)炭表面有豐富的官能團(tuán)，如羰基、羧基、酸酐、內(nèi)酯及酚羥基等，這些官能團(tuán)增強(qiáng)了生物質(zhì)炭的吸附性能。研究顯示，官能團(tuán)越豐富，生物質(zhì)炭的吸水性能越好。隨著溫度的升高，生物質(zhì)炭表面的官能團(tuán)活性會(huì)下降，進(jìn)而導(dǎo)致其產(chǎn)生較低的電荷量，最終使得其保水性能和吸收性能下降[2]。例如，當(dāng)秸稈碳的裂解溫度不斷上升，達(dá)到650 ℃時(shí)，土壤的飽水率也會(huì)隨之下降。另外，官能團(tuán)再次氧化后，可以產(chǎn)生更多官能團(tuán)，進(jìn)而增加生物質(zhì)炭的吸收量。

2.3 表面結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)炭的表面結(jié)構(gòu)呈多孔狀，這種多孔的表面結(jié)構(gòu)使其具有較大的比表面積，也使其具有較強(qiáng)的吸附性能。從化學(xué)微結(jié)構(gòu)層面觀察，其表面多為扭曲的芳香環(huán)片層，且呈現(xiàn)密集堆積狀態(tài)。使用紅外光譜觀察生物質(zhì)炭的表面結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，羧基、羥基芳香性官能團(tuán)是其典型結(jié)構(gòu)。生物質(zhì)炭以穩(wěn)定的芳香化結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，因此生物質(zhì)炭狀態(tài)較為穩(wěn)定。應(yīng)用于土壤污染治理，生物質(zhì)炭不容易被微生物降解，所以可以高效率地吸收土壤中的污染物質(zhì)，還可以通過(guò)吸收空氣中的氧氣，提高土壤的含氧量。

2.4 表面性質(zhì)

2.4.1 元素組成

制備生物質(zhì)炭的原材料性質(zhì)決定了生物質(zhì)炭的組成元素?？傮w來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)炭的主要組成元素為氧、碳、氮等，其中碳元素分布最廣泛[3]，通常生物質(zhì)炭的60%組成元素都是碳。除了上述3種元素，生物質(zhì)炭中還富含微量的金屬氧化物，如Fe3O4、ZnO、MnO2等。這些物質(zhì)的構(gòu)成比例，主要取決于制備生物質(zhì)炭的裂解溫度，裂解溫度越高，其碳含量越高，氧、氮的含量越低。

2.4.2 pH值

生物質(zhì)炭通常呈堿性，其碳酸鹽含量越高，pH值越大[4]。生物質(zhì)炭的制備原材料對(duì)其pH值具有重要影響，原材料的堿性越強(qiáng)，生物質(zhì)炭的堿性就越強(qiáng)，如農(nóng)村農(nóng)作物秸稈的堿性比禽畜糞便的堿性弱，所以農(nóng)作物秸稈制成的生物質(zhì)炭堿性也比禽畜糞便制成的生物質(zhì)炭堿性弱。

2.4.3 表面交換性能

生物質(zhì)炭可以改變土壤的土壤陽(yáng)離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC），進(jìn)而增強(qiáng)土壤肥力。CEC值由土壤表面所帶的負(fù)電荷量決定，負(fù)電荷量越多，CEC值越大，則土壤肥力越強(qiáng)。例如，土壤有機(jī)膠體的CEC值介于100～300 cmol（+）·kg-1，而無(wú)機(jī)膠體的CEC值則低。生物質(zhì)炭具有較高的CEC值，所以它可以改善土壤質(zhì)量。另外，生物質(zhì)炭被微生物氧化，氧化后的表面部分也可以融入土壤中，提升土壤的質(zhì)量。

3 土壤重金屬污染物治理中使用生物質(zhì)炭的策略

3.1 生物質(zhì)炭與植物修復(fù)法結(jié)合使用

將生物質(zhì)炭與植被修復(fù)法結(jié)合使用，可以增強(qiáng)土壤重金屬污染物治理效果。生物質(zhì)炭致密的孔隙結(jié)構(gòu)和其表面帶電官能團(tuán)，均能對(duì)土壤中的重金屬有一定的吸附和固化作用，而植物修復(fù)只是通過(guò)根系完成此過(guò)程。植物修復(fù)過(guò)程比較緩慢，其見(jiàn)效時(shí)間長(zhǎng)，而生物質(zhì)炭則可以起到催化劑的作用。添加生物質(zhì)炭后，土壤肥力增強(qiáng)，土壤中微生物的活性增加，促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，最終使得植物修復(fù)效率提升。這兩種修復(fù)方法混合使用，是當(dāng)前土壤重金屬污染物治理的重要方法[5]。

3.2 化學(xué)淋洗法與生物質(zhì)炭修復(fù)法結(jié)合使用

化學(xué)淋洗是治理重金屬污染物的重要方式，淋洗液可以與土壤中的重金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而將重金屬固化或者轉(zhuǎn)化成其他對(duì)人體不產(chǎn)生危害的物質(zhì)。吸附或固化過(guò)程結(jié)束后，將淋洗液回收，使用生物質(zhì)炭吸附淋洗液中的重金屬污染物質(zhì)，淋洗液即可重復(fù)使用，多次循環(huán)后，土壤中的重金屬含量將大大降低[6]?；瘜W(xué)淋洗法操作簡(jiǎn)單，適用于大規(guī)模的土壤污染治理工程?；瘜W(xué)淋洗液具有一定的污染性質(zhì)，如果操作不當(dāng)，很可能使得土壤遭受二次污染，因此如何選取高效的化學(xué)淋洗液也是化學(xué)土壤治理工作中需要研究的重要問(wèn)題。例如，治理砷金屬污染，在土壤中加入FeO的效果比較明顯。

3.3 應(yīng)用于改良土壤性能

生物質(zhì)炭表面具有大量的孔隙，可以吸收空氣中的氧氣。又由于生物質(zhì)炭表面附著有大量帶負(fù)電荷的官能團(tuán)，所以在土壤中加入生物質(zhì)炭可以加速土壤中的微生物繁殖活動(dòng)，改變土壤的酸堿性質(zhì)，提升土壤肥力，并增強(qiáng)土壤的保水性能。生物質(zhì)炭呈堿性，它在吸收重金屬后可以將其轉(zhuǎn)化為碳酸鹽、硝酸鹽等，使得重金屬物質(zhì)被固化，既降低了土壤中的重金屬含量，也保持了土壤的性質(zhì)和肥力[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著土壤污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，各部門都在積極尋找治理土壤污染的方法。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是生物學(xué)的發(fā)展，生物處理技術(shù)以其高效、不會(huì)導(dǎo)致二次污染的優(yōu)勢(shì)，受到了土壤污染治理行業(yè)的關(guān)注。近幾年，生物治理法在土壤修復(fù)工作中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。生物質(zhì)炭作為生物治理方法中的一種新方法，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在土壤重金屬治理中發(fā)揮了重要作用。生物質(zhì)炭用于污染土壤修復(fù)領(lǐng)域有著巨大的潛力，但由于目前的相關(guān)研究?jī)H限于室內(nèi)的短期盆栽或室內(nèi)培養(yǎng)上，如何長(zhǎng)期應(yīng)用在田間試驗(yàn)還有待進(jìn)一步研究。另外，使用綠色環(huán)保的生物質(zhì)炭作為吸附材料添加到土壤中來(lái)吸附重金屬污染物，既能保障糧食安全，也能提升附體廢棄物的利用率，如何結(jié)合土壤污染類型、污染程度和治理工作量來(lái)選擇最為合適的生物質(zhì)炭以達(dá)到高效穩(wěn)定的修復(fù)效果，將是土壤修復(fù)的未來(lái)研究方向。

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（責(zé)任編輯：趙中正）