生物炭修復(fù)污染土壤的研究進展

李忱昊

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 遼寧阜新 123000）

引言

生物炭（biochar）是一類富含碳素的黑色固體物質(zhì)，其含碳量一般在60%以上，在缺氧或無氧條件下由各種生物有機質(zhì)經(jīng)高溫?zé)峤庵瞥?。在熱解過程中產(chǎn)生眾多含氧官能團如羧基、羥基以及其他羧酸酯結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)令生物炭的吸附能力和抗氧化能力極為優(yōu)秀。制備生物炭的原料來源廣泛，早在幾百年前巴西亞馬遜河流域的印第安人就利用動植物有機體來制備生物炭，以增加土壤生產(chǎn)力。

1 生物炭在土壤修復(fù)中的應(yīng)用

隨著生物炭更多地應(yīng)用在改良土壤性質(zhì)和提高土壤碳含量上，越來越多的學(xué)者開始重視其在修復(fù)有機污染土壤中的作用。代快等[1]用煙桿生物炭探究烤煙土壤中多種農(nóng)藥殘留的去除效果，實驗發(fā)現(xiàn)在施加生物炭后三種農(nóng)藥在煙葉中的含量均隨著植株生育期的推進而減少，三種農(nóng)藥的施藥安全間隔期也較未施生物炭對照組明顯縮短，但施藥100 天后，生物炭處理的土壤中農(nóng)藥降解率卻低于未處理土壤，農(nóng)藥殘留可能會影響后茬作物的生長。對農(nóng)藥降解產(chǎn)物在土壤中的遷移研究中，發(fā)現(xiàn)施加生物炭可阻止農(nóng)藥降解產(chǎn)物在土壤中的移動。高玉玲等[2]對生物炭去除殺蟲劑的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可在水溶液中去除91%殺撲磷，這對生物炭去除農(nóng)藥等有機污染物提供了依據(jù)。

隨著工業(yè)發(fā)展，在制作各種化工產(chǎn)品的過程中會有意或無意向環(huán)境中排放諸如多環(huán)芳烴等有機污染物，利用生物炭的吸附能力治理此類污染也是近年來的研究方向。張晗等[3]研究了生物炭對菲的吸附特性，以荔枝樹枝、水稻和小麥秸稈為原料制備生物炭，利用元素分析儀對生物炭所含碳、氫、氧、氮含量進行分析，并用全自動比表面分析儀測定其比表面積，并采用傅立葉紅外光譜表征，進行吸附試驗，發(fā)現(xiàn)在600℃下制備的生物炭的碳含量最高，隨著燒制過程中熱解溫度的升高，原料中（O+N）/C 原子比逐漸降低，表明大量含氧官能團會遭到破壞。600℃下三種生物炭的比表面積順序為：荔枝樹枝＞小麥＞水稻，與吸附順序一致，表明生物炭巨大的比表面積是提高對有機污染物“菲”吸附能力的重要因素。葉益辰等[4]在600℃下用油菜秸稈燒制生物炭和磷酸改性生物炭，進而制作改性生物炭-LDHs（Mg-Al-NO3）復(fù)合材料，對雙酚A 進行吸附試驗，結(jié)果表明除了改性生物炭的吸附能力較未改性生物炭有大幅提升外，該復(fù)合材料在酸堿性不同的環(huán)境下表現(xiàn)有差異，其在弱酸性條件下的吸附能力強于弱堿性環(huán)境，該復(fù)合材料有吸附時間短、環(huán)境友好且原料價廉易得等優(yōu)點，但同時存在制作程序繁瑣等缺點有待改進。

另外，石油及石油烴對土壤的污染也逐漸成為一大治理難題。石麗芳等[5]在利用生物炭對遼河油田受污染土壤進行了修復(fù)研究，取實驗土壤測定其碳?xì)浠衔铩⒎枷阕寤衔锖坎⒎治銎涫芪廴境潭?，用玉米、蘆葦、松針制成生物炭，與不加生物炭的空白組對照并分析不同生物炭對石油污染土壤的修復(fù)效果。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在進行到40 天時，蘆葦生物炭對土壤中石油烴的降解效果好于其余兩種生物炭，且隨時間變化差距逐漸增大，而玉米、松針生物炭對石油烴的去除效率是空白對照的兩倍，同樣有較出色的去除能力。但是對于石油污染物質(zhì)中最難降解的非烴類物質(zhì)，三種生物炭雖使該污染物含量有所下降，但總的來說去除能力不太理想。王艷杰等[6]也對該地石油烴污染土壤進行過研究，選取當(dāng)?shù)爻Ｒ姷挠衩捉斩捵鳛樯锾吭?，配施以NH4NO3和K2HPO4兩種養(yǎng)料，對修復(fù)前后土壤的理化性質(zhì)比較中發(fā)現(xiàn)，添加玉米秸稈碎屑、生物炭和養(yǎng)料后使土壤質(zhì)量大為提高。同時研究發(fā)現(xiàn)修復(fù)后土壤更有利于微生物繁殖生長，能刺激微生物對土壤中石油烴的分解，從而增強土壤修復(fù)能力。然而同上個研究案例相同，生物炭對非烴類石油污染物降解能力依舊較低。姜宇等[7]用牛糞生物炭展開對石油烴污染土壤修復(fù)研究，確定出牛糞生物炭最佳投加量為50g/kg，牛糞生物炭降解石油烴的最佳pH 為7.0 左右，最佳降解溫度為30℃左右，對于降解時間的確定，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過150 天后降解率趨于平緩，但具有長期效應(yīng)。

由于生物炭原料價廉易得、含碳率高，具有巨大的比表面積、發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的理化性質(zhì)等特點，其被廣泛用作土壤改良劑，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。柴文武相關(guān)研究表明，在施加農(nóng)作物秸稈生物炭后，葡萄園土壤容重降低，含水量增加，且在第二年之后實現(xiàn)增產(chǎn)，葡萄質(zhì)量也有所提高；Yuan 等[8]在研究中發(fā)現(xiàn)，用蠶豆、大豆、花生、綠豆秸稈制成的生物炭使紅壤pH 值分別提高了0.59、0.89、0.95、1.05，而且研究還發(fā)現(xiàn)豆科秸稈制備的生物炭對紅壤酸度的改良效果要優(yōu)于非豆科植物制備的生物炭；曾曉玉等[9]對溫室酸化土壤研究表明，當(dāng)生物炭與土壤質(zhì)量比為5:100時，土壤陽離子交換量、交換性鹽基總量和有機碳的質(zhì)量顯著增加，這將極大提高土壤緩沖能力、提高酸化土壤的pH，從而提高土壤質(zhì)量。

2 生物炭對重金屬污染土壤的修復(fù)

我國是農(nóng)業(yè)大國，糧食問題是關(guān)乎我國國計民生的頭等大事，因此耕地質(zhì)量對糧食安全的重要程度不言而喻。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國耕地約有1/6 左右受重金屬污染，其中鎘、鎳、汞、砷、鉛是污染土壤的主要重金屬。隨著我國對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境重視程度提高，對重金屬污染土壤的研究也越來越深，生物炭的應(yīng)用則為解決土壤重金屬污染提供了新思路。

黏土礦物具有很好的吸附重金屬的能力，很多研究將黏土礦物與生物炭相結(jié)合投入到治理土壤重金屬污染當(dāng)中，二者對鉛鎘復(fù)合污染的修復(fù)能力較好，單一的黏土礦物材料能更好地處理鉛污染土壤，單一生物炭材料修復(fù)鎘污染土壤更強。除了不同材料與生物炭復(fù)合治理，兩種及以上生物炭相結(jié)合同樣能夠?qū)ν寥乐秀U的修復(fù)起到良好效果。利用不同技術(shù)對生物炭進行改性以期增強其修復(fù)能力，用秸稈生物炭和酸性礦山廢水（AMD）生成的鐵絮體作為原料，利用化學(xué)改性和紫外輻射聯(lián)用技術(shù)兩種方法聯(lián)合制作改性生物炭，再用正交試驗來確定最佳改性條件，用BET-N2 法、紅外光譜分析（FTIR 技術(shù)）、掃描電鏡測試（SEM）等方法對改性生物炭的形貌特征、孔隙結(jié)構(gòu)以及表面化學(xué)性質(zhì)進行表征，發(fā)現(xiàn)改性試劑最佳配比為CS2用量1mL、ZnSO4·7H2O 用量2 mL、NaOH 用量8mL，其主要依靠化學(xué)吸附，對Pb（II）主要的吸附機理為離子交換和螯合作用。

3 生物炭對土壤環(huán)境的影響

生物炭也可用來修復(fù)土壤鹽漬化等問題，但在該方面的相關(guān)研究較少，目前還處于探索階段。謝文達等[10]測定了添加生物炭后鹽漬化土壤的pH，發(fā)現(xiàn)生物炭對土壤pH 的變化具有緩沖能力，通過檢測電導(dǎo)率的變化發(fā)現(xiàn)生物炭對降低土壤中水溶性鹽分含量也有積極作用。韓劍宏等[11]的研究也表明，在土壤中單獨施加生物炭能提高土壤陽離子交換量，提高土壤養(yǎng)分含量。

生物炭的施用量是限制微生物代謝的一大因素，微生物對土壤中碳和磷的代謝能力隨著生物炭施用量的增加而降低，因此，過量施用生物炭造成土壤元素化學(xué)計量失衡是限制土壤微生物代謝磷的重要因素。另外生物炭還能夠增強蔗糖酶、堿性磷酸酶等土壤酶的活性，促進土壤中有機污染物的分解。

生物炭能夠解決因植物連作而導(dǎo)致的作物產(chǎn)量及質(zhì)量問題，李珍等[12]發(fā)現(xiàn)造成穿心蓮連作障礙的一大原因就是根際土壤中生物多樣性的下降和群落結(jié)構(gòu)的改變，而生物炭的添加能夠有效緩解這一障礙。楊敏等[13]提到煙草連作產(chǎn)生障礙的主要原因是長期種植煙草的土壤中會大量積累酚酸物質(zhì)，導(dǎo)致土壤中有益微生物生長受抑制，從而表現(xiàn)出對病原微生物的選擇性促進，以至于使土壤生態(tài)失衡，研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭明顯降低了土壤中酚酸類物質(zhì)的含量，為土壤微生物提供了良好的棲息地，有效提高了群落豐富度，避免了單一物種的大量繁殖，從而抑制了病原微生物的生長，緩解了煙草的連作障礙。馬麗等[14]施加生物炭提高了連續(xù)種植草莓的土壤中細(xì)菌與真菌的數(shù)量，同時發(fā)現(xiàn)根際微生物的數(shù)量和種類在生物炭添加量為0.30%時最豐富，此時的草莓根系也最發(fā)達，過多或過少添加都會導(dǎo)致連作障礙治理效果低下，因此對生物炭添加量的把控是解決土壤生態(tài)問題的關(guān)鍵之一。

結(jié)語

生物炭對土壤污染的修復(fù)主要依靠其物理化學(xué)特性，對重金屬、有機物等污染物進行吸附、絡(luò)合，使污染物在土壤中的遷移能力和生物有效性大為減弱，從而不易被作物利用，減小對人類健康的威脅。在對生物炭修復(fù)方法的研究上，單一施用生物炭固然能夠取得良好的修復(fù)效果，用生物炭與有機肥、微生物或不同種類的生物炭復(fù)合修復(fù)，其效果要優(yōu)于單一生物炭的施用。另外可以對生物炭改性以提高其性能，同時搭配其他修復(fù)方法如植物超量吸收、微生物分解等，對土壤污染修復(fù)也有出色表現(xiàn)。

由于在目前實驗室階段中生物炭的某些機理尚不明確，實驗只針對某一特定類型土壤，某種生物炭是否具備泛用性還有待探究。在生產(chǎn)過程中或產(chǎn)生其他有毒有害物質(zhì)，對環(huán)境造成的影響需作進一步評價。盡管生物炭原料價廉易得，但制作成本較高，產(chǎn)品價格能否被廣大農(nóng)民接受也值得思考，因此今后也應(yīng)當(dāng)對如何減少制作成本進行相關(guān)研究。