生物炭對(duì)生物滯留設(shè)施運(yùn)行性能的影響研究進(jìn)展

薛岳，陳垚，2，甘春娟，唐杰，劉臻，2

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 環(huán)境水利工程重慶市工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400012)

為解決城市化造成的城市內(nèi)澇與徑流污染等問題，我國(guó)提出了海綿城市建設(shè)理念，旨在從源頭上通過低影響開發(fā)(LID)措施恢復(fù)開發(fā)前水文特征。作為一種源頭控制的LID措施，生物滯留系統(tǒng)主要通過填料土介質(zhì)、植物和微生物的共同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的去除。大量研究表明，傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)填料土比較單一，常因填料土的理化性質(zhì)和生物特性影響而表現(xiàn)出運(yùn)行性能的不穩(wěn)定[1]，如氮磷污染物去除效果的高度波動(dòng)，因水力滲透性能惡化而造成填料土過早發(fā)生堵塞。為解決這一問題，研究學(xué)者對(duì)填料土的改良進(jìn)行了廣泛研究，證實(shí)在填料土中添加沸石、椰殼-珍珠巖等改良劑不僅可改善水力過程，還可提高污染物去除效果[2]。

生物炭具有孔隙度高、比表面積大、表面具有大量負(fù)電荷等特性，施入土壤中可顯著改善土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高土壤pH值[3]，強(qiáng)化土壤的持水性能，促進(jìn)雨水下滲[4]；生物炭還可通過吸附徑流中的含氮污染物來提高土壤中的速效養(yǎng)分含量[5]。此外，生物炭在磷、重金屬和病原微生物去除上，同樣具有顯著效果。為探明生物炭作為生物滯留設(shè)施填料土改良劑的可行性，總結(jié)了生物炭對(duì)生物滯留設(shè)施中水力性能和植物生長(zhǎng)的影響，綜述分析了國(guó)內(nèi)外生物炭強(qiáng)化型生物滯留系統(tǒng)對(duì)重金屬、營(yíng)養(yǎng)物和病原微生物的去除特性研究進(jìn)展，最后對(duì)生物炭強(qiáng)化生物滯留技術(shù)進(jìn)行了展望，以期為生物炭在生物滯留設(shè)施中的應(yīng)用提供參考。

1 生物炭的文獻(xiàn)計(jì)量分析

關(guān)鍵詞是文章的核心，對(duì)關(guān)鍵詞的計(jì)量分析，不僅有助于快速了解該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，且可預(yù)測(cè)未來的研究方向。運(yùn)用VOSviewer軟件，檢索2018年～2021年3月的文獻(xiàn)，對(duì)生物炭關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析，以圓的大小表示研究熱度，以曲線代表熱點(diǎn)間的聯(lián)系，不同形狀代表不同的聚類。聚類Ⅰ的核心內(nèi)容為有關(guān)作物產(chǎn)量(植物生長(zhǎng))的研究，如楊彩迪等[6]添加生物炭在酸性土壤中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探明對(duì)作物產(chǎn)量的影響，研究表明稻殼生物炭在改良酸性土壤理化性質(zhì)和提高作物產(chǎn)量方面存在積極影響；聚類Ⅱ的核心內(nèi)容為有關(guān)重金屬的研究，如孫彤等[7]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施入鈣基改性后的生物炭于弱堿性Cd污染土壤中，不僅改善了土壤環(huán)境質(zhì)量，而且降低了Cd在植物體內(nèi)富集；聚類Ⅲ的核心內(nèi)容為有關(guān)吸附機(jī)理的研究，如李仕友等[8]討論和總結(jié)了不同方法改性的生物炭，發(fā)現(xiàn)改性后的生物炭對(duì)廢水中重金屬吸附效果較好，最大可實(shí)現(xiàn)99.81%的去除率；聚類Ⅳ的核心內(nèi)容為有關(guān)熱解的研究，在 400 ℃下，在城市污泥中分別添加花生殼、玉米芯和稻草等，利用間歇式反應(yīng)釜，制備多種污泥-生物質(zhì)生物炭，實(shí)驗(yàn)表明，污泥-生物質(zhì)生物炭在多方面性能優(yōu)于污泥生物炭，且有發(fā)展成為土壤改良劑或肥料緩釋載體的潛力[9]；聚類Ⅴ的核心內(nèi)容為有關(guān)生物炭理化性質(zhì)的研究，如張沙沙等[10]利用水稻秸稈生物質(zhì)炭為供試材料，探究生物質(zhì)炭對(duì)富集磷鎘土壤中磷和鎘的形態(tài)變化過程及其影響因素，結(jié)果表明生物質(zhì)炭施入富集磷鎘土壤中可實(shí)現(xiàn)磷活化與鎘鈍化的效果(圖1)。

圖1 2018～2021年生物炭研究關(guān)鍵詞知識(shí)圖譜

2 生物炭對(duì)水力性能的影響

2.1 水力滲透性

生物炭對(duì)土壤水力過程的改善效果與土壤質(zhì)地類型和生物炭粒徑有關(guān)。Trifunovic等[11]研究表明添加生物炭可有效改善土壤滲透性能，但隨著粒徑小于土壤空隙的細(xì)顆粒生物炭比例的增加，土壤滲透性能反而逐漸下降。齊瑞鵬等[12]通過土壤柱實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加雖對(duì)質(zhì)地較黏的土壤(塿土)水分入滲能力有促進(jìn)作用，但對(duì)質(zhì)地較輕的土壤(風(fēng)沙土)水分入滲反而有減小作用，且入滲作用效果受生物炭粒徑和添加量影響。也有研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭可使黏土土壤的滲透性提高328%，卻造成有機(jī)土壤的滲透性降低了67%。岑睿等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在黏土深度0～40 cm中施加30 t/hm2的生物炭量時(shí)，土壤入滲率增加44.6%，且含水率可增加8.9%。雖然填料土中添加生物炭可改善水力過程，并增加土壤累積滲透量和滲透速率，但研究表明生物炭對(duì)土壤水力性能的作用效果隨施加年限增加而逐漸減弱[14]。因此，若將生物炭作為生物滯留設(shè)施填料土的改良劑，未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注施加生物炭對(duì)填料土水力性能作用效果的衰減曲線，明確生物炭使用壽命。

2.2 持水性

場(chǎng)次降雨的自然屬性決定了生物滯留系統(tǒng)干濕交替的強(qiáng)度和頻率，長(zhǎng)期干旱和高溫曝曬等極端天氣會(huì)造成設(shè)施內(nèi)填料土含水率很低甚至出現(xiàn)干旱狀態(tài)，而干旱土壤在場(chǎng)次降雨徑流重新濕潤(rùn)下極易發(fā)生氮素淋洗現(xiàn)象[15]。因此，生物滯留設(shè)施中填料土的持水能力對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能起著十分關(guān)鍵的作用。填料土的持水性不僅取決于填料孔隙的分布和連通性，還受土壤粒徑、質(zhì)地類型和有機(jī)質(zhì)含量的限制。生物炭的添加可改善水分和養(yǎng)分的持留能力，從而提高土壤肥力。干旱條件下，隨著土壤變干和基質(zhì)含量的增加，生物炭微孔結(jié)構(gòu)中將不斷出現(xiàn)水和可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溢出[16]，表明施加生物炭可增加干旱期土壤含水率的有效性。張阿鳳等[17]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠提高土壤的持水性，進(jìn)而促進(jìn)旱地作物的生長(zhǎng)。如在含水率為25%的土壤中施入3%的生物炭，可提高土壤163%的持水率。但也有研究指出，雖然在干旱土壤中添加生物炭會(huì)增加18%的土壤有效水，但在肥沃土壤中生物炭的添加幾乎對(duì)土壤持水能力沒有促進(jìn)作用，并且在黏質(zhì)土壤中有效水含量反而隨生物炭的添加而減少[16]。由于生物滯留設(shè)施對(duì)填料土的水力滲透性能和有機(jī)質(zhì)含量均有一定的要求，通常為有機(jī)質(zhì)含量不高的壤質(zhì)砂土、砂質(zhì)壤土和壤土等[18]。因此，在生物滯留設(shè)施填料土中施加生物炭，可有效增加土壤孔隙度，降低土壤容重，進(jìn)而改善土壤的持水性能，提高系統(tǒng)抵抗極端干旱環(huán)境的能力，還可增加土壤有效養(yǎng)分，改善植物生長(zhǎng)狀況。

3 生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

植物作為生物滯留設(shè)施的景觀呈現(xiàn)元素，是設(shè)施重要的標(biāo)志物，同時(shí)也是設(shè)施處理性能的重要貢獻(xiàn)者。植物主要通過同化和根系過濾，作為微生物載體；其主要由根部氧氣釋放和分泌物滲出，對(duì)發(fā)展具有不同生態(tài)位的微生物群落營(yíng)造有利的微環(huán)境，可極大地促進(jìn)污染物的去除[19]。可見，植物不僅影響設(shè)施的景觀效應(yīng)，還關(guān)系到設(shè)施的運(yùn)行性能，而其生長(zhǎng)狀況取決于填料土水分和有效養(yǎng)分含量。為保證植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，通常在填料土中添加堆肥混合物或有機(jī)覆蓋物，但研究發(fā)現(xiàn)高有機(jī)質(zhì)的填料土易造成生物滯留系統(tǒng)氮磷營(yíng)養(yǎng)物的淋洗，為此，澳大利亞水敏感城市研究中心建議將填料土中的有機(jī)質(zhì)含量控制在5%以內(nèi)[20]。針對(duì)這一問題，相關(guān)研究學(xué)者嘗試在填料土中添加生物炭以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。研究證實(shí)，與不添加生物炭的對(duì)照相比，施入生物炭可顯著促進(jìn)植物生長(zhǎng)，且地上和地下部分的生物量都更高[21]。原因可能是生物炭釋放出各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如P、K、N、Mg和Ca(主要是原料和解吸后的廢水)，以及生物炭改良填料土使之孔隙率增加，從而改善氧氣條件，這些因素均有利于植物生長(zhǎng)[22]。因此，在填料土中添加生物炭，不僅為植物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高土壤的保水性，還可協(xié)助植物抵抗干旱和生物脅迫等不利條件，對(duì)植物的生長(zhǎng)起到積極作用[23]。劉凱傳等[24]研究結(jié)果也證實(shí)，在土壤中施加3%的污泥秸稈混合基生物炭后，有效促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)。此外，生物炭還可調(diào)控植物根系構(gòu)型，進(jìn)而影響系統(tǒng)除污能力。徐福德等[25]研究表明添加生物炭可提高土壤基質(zhì)的硝態(tài)氮含量，進(jìn)而增加植物根系總根長(zhǎng)和總根體積，促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)。

雖然生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)有諸多的積極作用，但也不可忽視其負(fù)面效應(yīng)。第一，由于生物炭具有極強(qiáng)的吸附能力，若施用過量，易吸附過多的土壤有效養(yǎng)分而影響植物生長(zhǎng)[23]；第二，由于生物炭一般呈堿性，施用后會(huì)改變土壤的pH值，植物雖可通過自身的調(diào)節(jié)功能適應(yīng)堿性環(huán)境，但當(dāng)土壤堿性超過植物自身的離子調(diào)節(jié)濃度和酸堿度平衡時(shí)，植物生長(zhǎng)就會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至造成植物死亡[26]。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)生物炭制備條件和施用量等方面的研究。

4 生物炭對(duì)除污特性的影響

4.1 重金屬

降雨徑流中的重金屬污染物主要以顆粒態(tài)和溶解態(tài)兩種形態(tài)存在，生物滯留系統(tǒng)對(duì)顆粒態(tài)重金屬的去除主要通過填料土的過濾和沉淀作用，而對(duì)溶解態(tài)重金屬則主要通過填料土的吸附和植物吸收作用途徑去除[2]。生物滯留設(shè)施對(duì)重金屬的去除很大程度上取決于填料土的吸附能力和植物根系的吸收能力，而植物根系又取決于填料土的持水性和有效養(yǎng)分供給情況。因此，在生物滯留設(shè)施中施用生物炭對(duì)填料土進(jìn)行改良，不僅可增強(qiáng)填料土對(duì)重金屬的吸附能力，還可強(qiáng)化植物對(duì)重金屬的富集和吸附能力，改變植物抗重金屬脅迫的生理特性，進(jìn)而促進(jìn)植物根系對(duì)重金屬的吸收[27]。但生物炭對(duì)植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)不同重金屬的影響有所不同。如Zheng等[28]研究發(fā)現(xiàn)豆秸和稻草生物炭可以降低植物體內(nèi)Cd和Zn含量，而對(duì)Pb無影響；Rodriguez等[29]也有相似的研究結(jié)果。同時(shí)，生物炭對(duì)植物吸收重金屬的影響還與土壤質(zhì)地有關(guān)。Rees等[30]研究表明添加生物炭可降低酸性和堿性土中植物地上部的重金屬含量，若添加5%的生物炭可提高酸性土中植物根部和地上部的 Cd和Zn含量，而在堿性土中可顯著提高植物對(duì)Zn的吸收。由表1可知，植物對(duì)重金屬的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過程受生物炭種類、施用量、重金屬種類和土壤質(zhì)地等因素影響，而植物對(duì)重金屬吸收能力的增加可能是由于生物炭可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高根比表面積，進(jìn)而提高其對(duì)重金屬的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力，但其中具體機(jī)理還需深入研究。

表1 生物炭對(duì)植物吸收重金屬的影響情況

4.2 營(yíng)養(yǎng)物

4.3 病原微生物

生物炭已被證明可有效地去除雨水徑流中的病原微生物，徑流中的病原微生物可通過生物滯留系統(tǒng)填料土的截留和吸附作用，以及微生物之間的捕食與競(jìng)爭(zhēng)等途徑得以去除[43]，并受植物類型、溫度、填料土性質(zhì)及微生物間的競(jìng)爭(zhēng)捕食關(guān)系等影響[44]。相關(guān)研究表明，在生物滯留設(shè)施內(nèi)添加生物炭，可提高系統(tǒng)對(duì)病原微生物的去除能力，尤其是可顯著提高對(duì)大腸埃希氏菌去除率[45]。但填料土施用生物炭后對(duì)病原微生物的去除能力受生物炭的粒徑、熱解溫度和原料類型等因素影響，如在填料土中添加改性后的生物炭，可顯著提高系統(tǒng)對(duì)大腸桿菌的去除效率，去除率從35%提升至92%～98%[46]，與未改性的生物炭對(duì)微生物去除率相比，生物炭改性系統(tǒng)的性能可提高2倍以上。此外，生物炭對(duì)病原微生物的去除能力還會(huì)因生物炭表面生物膜的形成而受到抑制[47]，也會(huì)因有機(jī)物對(duì)生物炭吸附點(diǎn)位的競(jìng)爭(zhēng)，以及吸附有機(jī)物后生物炭與細(xì)胞間靜電斥力的增加而造成除菌率的下降[48]。因此，未來應(yīng)加強(qiáng)有機(jī)污染物共存條件下生物炭除菌作用機(jī)制研究，以降低生物炭表面生物膜形成或吸附點(diǎn)位競(jìng)爭(zhēng)的可能性。

5 結(jié)語與展望

在生物滯留設(shè)施填料土中施入生物炭的研究已引起國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣大關(guān)注，相關(guān)研究已證實(shí)生物炭可顯著改善生物滯留設(shè)施的運(yùn)行性能，如改善填料土的水力性能，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生積極作用，通過對(duì)植物根系構(gòu)型的調(diào)控作用促進(jìn)污染物的去除，改變植物抗重金屬脅迫的生理特性進(jìn)而促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過程，還可利用生物炭表面活性基團(tuán)和陽離子提高系統(tǒng)對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)物和病原微生物的去除效果。但探明在生物滯留設(shè)施中生物炭作用機(jī)制與使用壽命，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)最優(yōu)參數(shù)等仍是未來的重點(diǎn)研究方向，以解決生物炭作用效果衰減問題，并抑制有機(jī)污染物共存下生物炭表面生物膜的形成。