污泥生物炭對土壤和水體環(huán)境中重金屬吸附固定的研究進(jìn)展

龔 寬，陳寒松，朱文斌，康冰霞，黎心怡，鄭紹成，

（1.浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004；2.浙江師范大學(xué)行知學(xué)院，浙江 蘭溪 321100）

隨著工農(nóng)業(yè)的蓬勃發(fā)展，大量重金屬隨著采礦、廢氣排放、污水灌溉等活動(dòng)進(jìn)入土壤和水體中，環(huán)境中的重金屬無法被微生物降解，反而會(huì)隨食物鏈和生物放大作用進(jìn)入人體，引發(fā)癌癥，甚至是死亡。因此，環(huán)境中重金屬污染的治理與修復(fù)一直是研究熱點(diǎn)。與此同時(shí)，污水處理廠的剩余污泥產(chǎn)生量連年增長。將污泥制成生物炭能充分發(fā)揮污泥的剩余價(jià)值，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙贏的有效途徑。污泥生物炭是指高溫?zé)o氧條件下利用污泥制備的固態(tài)碳基材料，具有比表面積較大、孔隙結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)豐富等特點(diǎn)，可用于大范圍修復(fù)重金屬污染的土壤，且修復(fù)過程不會(huì)對土壤組分和結(jié)構(gòu)造成破壞。同時(shí)，其具有操作簡便、投加量小、價(jià)廉易得和吸附容量大的特點(diǎn)，在水體重金屬去除方面受到越來越多的關(guān)注。

1 污泥生物炭的制備及改性

1.1 污泥生物炭的制備

熱解是指在缺氧條件下加熱，最終將有機(jī)物分解并生成固體殘?jiān)倪^程，污泥在特定條件下熱解即可制備污泥生物炭。根據(jù)熱解過程中不同的加熱方式，生物炭的制備方法可分為水熱炭化法、微波熱解法和常規(guī)熱解法等，如表1 所示。

3種方法制備的污泥生物炭具體特點(diǎn)如表1 所示。污泥在不同的碳化條件下形成的生物炭特點(diǎn)差異較大，在應(yīng)用過程中，通常需要根據(jù)具體環(huán)境特點(diǎn)及功能要求選擇合適的制炭方法。例如，若需要污泥生物炭具有穩(wěn)定的碳結(jié)構(gòu)和較高的堿度，則污泥生物炭制備時(shí)應(yīng)選擇熱解溫度較高、反應(yīng)時(shí)間較長的工藝；若在修復(fù)過程中需要強(qiáng)化官能團(tuán)與金屬離子間的配位作用或是增強(qiáng)有機(jī)組分對重金屬離子的絡(luò)合吸附，則應(yīng)選擇低溫短時(shí)的干燥熱解或是選擇水熱碳化等反應(yīng)條件較溫和、對有機(jī)物破壞較少的制備工藝。總之，針對重金屬的性質(zhì)與修復(fù)環(huán)境特點(diǎn)，選擇與之相對應(yīng)的污泥生物炭，是高效解決重金屬污染問題的關(guān)鍵。

表1 生物炭的制備方法比較

1.2 污泥生物炭的改性

為解決污泥生物炭孔隙結(jié)構(gòu)欠發(fā)達(dá)、比表面積不足和表面官能團(tuán)含量低等缺點(diǎn)，很多研究者提出改性生物炭來改變其表面物化性質(zhì)，從而增強(qiáng)其對重金屬的吸附能力。改性方法可分為物理法、化學(xué)法和生物法，具體包括球磨、酸改性、堿改性、浸漬法改性、紫外輻射、生物改性以及蒸汽改性等，也可以是幾種改性方法的聯(lián)合使用，改性后的生物炭對重金屬具有更好的結(jié)合能力。不同生物炭改性方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)如表2 所示。

表2 不同生物炭改性方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)

改性方法通過增大生物炭的比表面積、孔容積，增加含氧官能團(tuán)種類和數(shù)量，提高表面負(fù)電荷密度，達(dá)到提升原始生物炭吸附性能的目的。得到的改性生物炭具備性能高效、價(jià)格低廉、環(huán)境友好的特點(diǎn)，在包括環(huán)境修復(fù)在內(nèi)的諸多領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

2 污泥生物炭在重金屬污染土壤和水體修復(fù)中的應(yīng)用

2.1 污染土壤修復(fù)應(yīng)用

土壤中污泥生物炭和原污泥的添加均能提高土壤的pH、總有機(jī)碳（TOC）含量和陽離子交換量（CEC）。但相比污泥，污泥生物炭在降低土壤重金屬的可移動(dòng)性和淋溶風(fēng)險(xiǎn)方面表現(xiàn)更加突出。此外，加入污泥生物炭的土壤中，植物對于重金屬的吸收量更低。通常，污泥生物炭對重金屬的作用機(jī)理主要有6 種，即物理吸附作用、氧化還原、陽離子交換作用、陽離子-π鍵作用、表面沉淀作用和表面配位作用，如圖1 所示。

圖1 污泥生物炭與重金屬的作用機(jī)理

不同改性方法制備的污泥生物炭及其對重金屬的吸附性能如表3 所示。由此可以看出，改性生物炭能有效吸附土壤中的重金屬，降低重金屬對土壤和作物的安全威脅，提高作物產(chǎn)量。當(dāng)前，重金屬污染土壤修復(fù)的研究越加注重多種重金屬的復(fù)合污染，利用生物炭及各種改性生物炭修復(fù)多種重金屬復(fù)合污染的土壤有重大現(xiàn)實(shí)意義。值得注意的是，土壤中改性生物炭的礦化行為缺乏系統(tǒng)性研究，這些改性生物炭對土壤理化性質(zhì)和微生物群落組成及功能活性的長期效應(yīng)亟待深入關(guān)注。

表3 改性污泥生物炭吸附土壤中重金屬的類別及成效

2.2 污染水體修復(fù)應(yīng)用

污泥生物炭可以有效去除水體中的重金屬污染物，其主要機(jī)制有π 電子配位作用、靜電作用、質(zhì)子與離子交換作用、官能團(tuán)絡(luò)合作用、氧化還原作用以及形成金屬沉淀。污泥生物炭吸附去除重金屬一般是多種機(jī)制共同作用。此外，不同污泥生物炭吸附去除不同重金屬時(shí)，其吸附機(jī)制往往不同。因此，可以通過改性強(qiáng)化這幾種吸附機(jī)制，增大污泥生物炭對重金屬的吸附選擇性和吸附容量。不同來源和改性條件下制備的污泥生物炭對重金屬的吸附性能及吸附機(jī)理如表4 所示。

表4 改性污泥生物炭去除水中重金屬的性能和機(jī)理

由表4 可知，大部分污泥生物炭吸附重金屬符合二級動(dòng)力學(xué)模型，小部分符合一級動(dòng)力學(xué)模型或Elovich 模型，表明污泥生物炭吸附重金屬的行為以化學(xué)吸附為主，而吸附等溫線多數(shù)與Langmuir 模型符合，為單分子層吸附，少部分符合Freundlich 模型。需要注意的是，實(shí)際污水中同時(shí)含有多種重金屬和有機(jī)污染物，這些共存物的存在可能會(huì)影響污泥生物炭對特定重金屬的吸附效果。因此，要針對目標(biāo)污染物采用特定的改性方法，增強(qiáng)優(yōu)勢作用機(jī)制，以提高污泥生物炭去除特定污染物的效率。

3 結(jié)語

污泥制成生物炭解決了污泥處置難題，而且制得的生物炭又可用于吸附固化環(huán)境中的重金屬，形成了“以廢治廢”的治理體系，具有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，尤其是改性的污泥生物炭，可廣泛應(yīng)用于催化、儲能、土壤和水體修復(fù)等領(lǐng)域。正因如此，更應(yīng)指明污泥生物炭在實(shí)際推廣應(yīng)用中存在的諸多挑戰(zhàn)。

一是污泥生物炭的組成、表面結(jié)構(gòu)等受污泥組成的影響較大。不同污泥堆積場甚至同一污泥堆積場不同批次產(chǎn)生的污泥在水分、無機(jī)物和有機(jī)物組成和含量方面均不盡相同，由此制備的污泥生物炭的特性也大不相同，這些特性究竟取決于污泥中的何種組分或結(jié)構(gòu)仍需要進(jìn)一步研究。只有將污泥熱解的機(jī)理研究透徹，才能顯著提升污泥生物炭在相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

二是污泥生物炭重金屬含量較高，雖然研究者經(jīng)過形態(tài)分析和淋洗試驗(yàn)，得出其無環(huán)境釋放風(fēng)險(xiǎn)，但對于老化生物炭是否存在重金屬環(huán)境釋放風(fēng)險(xiǎn)，目前尚缺乏長期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

三是目前污泥生物炭應(yīng)用于修復(fù)重金屬污染土壤的研究大都停留在實(shí)驗(yàn)室階段，對實(shí)際農(nóng)田應(yīng)用的深入研究較為欠缺。當(dāng)前，我國農(nóng)田土壤重金屬污染比較嚴(yán)重，污泥生物炭的推廣必須經(jīng)受實(shí)際重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)的考驗(yàn)。因此，后續(xù)開展修復(fù)材料在實(shí)際重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)中的應(yīng)用研究很有必要。

四是水體污染通常是多種重金屬和有機(jī)化合物的復(fù)合污染，其相互影響機(jī)制較為復(fù)雜，要進(jìn)一步探明污泥生物炭在實(shí)際廢水復(fù)雜環(huán)境因子影響下對重金屬污染物的作用機(jī)制和吸附效果，為污泥生物炭及其改性產(chǎn)物應(yīng)用于實(shí)際廢水中的重金屬去除提供理論依據(jù)。