生物炭在土壤重金屬污染修復中的應用
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摘 要：土壤重金屬污染已嚴重威脅人類的健康及生態環境安全，鈍化修復以其高效、快速、廉價的特點受到了廣泛的關注。生物炭（biochar）也稱生物質炭，是指生物質在缺氧或無氧條件下熱裂解得到的一類含炭的、穩定的、高度芳香化并含有大量酚羥基、羧基和羰基的固態物質，生物炭具備良好的吸附特性及穩定性，在鈍化修復重金屬污染方面具有較大的應用潛力。文章介紹了生物炭的理化性質以及近年來國內外有關生物炭修復重金屬污染土壤的研究進展，最后對生物炭在治理土壤重金屬污染方面提出了展望。
關鍵詞：生物炭;重金屬;修復
中圖分類號：X53 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）17-0162-02
Abstract： Heavy metal pollution in soil has seriously threatened human health and ecological environmental safety. Passivation remediation has attracted extensive attention because of its high efficiency， rapid and cheap characteristics. Biochar， also known as bio-carbon， refers to a class of solid substances containing carbon， stable， highly aromatic and containing a large number of phenolic hydroxyl， carboxyl and carbonyl groups， which are produced by pyrolysis of biomass under anoxic or anaerobic conditions. Biochar has good adsorption characteristics and stability， and has great potential in passivation and remediation of heavy metal pollution. The physical and chemical properties of biochar and the remediation of heavy metals by biochar at home and abroad in recent years were introduced. The research progress of polluted soil and the prospect of biochar in controlling heavy metal pollution in soil were put forward.
Keywords： biochar; heavy metals; remediation
1 概述
近年來，由于人口的不斷增長、工業生產規模的不斷擴大，導致了我國土壤重金屬污染加劇。目前，我國受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染耕地面積近2000萬公頃，約占總耕地面積的1/5[1]。農業部數據顯示，我國每年因重金屬污染而減產糧食1000多萬噸，被重金屬污染的糧食每年多達1200萬噸[2]。重金屬污染具有隱蔽性、長期性、不可逆性和治理難且周期長等特點[3]。一方面，重金屬污染會導致農作物減產，另一方面重金屬污染物可以在土壤中長期累積，對土壤生態系統和地下水造成嚴重危害，而且可以通過植物體進入食物鏈，嚴重威脅人類健康。
目前，治理土壤重金屬污染的方法有物理、化學、生物修復等方法。添加土壤重金屬鈍化劑的原位修復方法因其可操作性強、實施成本低、可大面積推廣等優點被廣泛關注。生物炭是由生物質在完全或部分缺氧的情況下經熱解炭化產生的一類高度芳香化固態物質，具有較大的比表面積和發達的孔隙率，表面含有大量的官能團和負電荷，對重金屬離子有較強的吸附固定能力，并且能夠改善土壤理化性質。是一種新型、綠色、經濟、資源化的重金屬鈍化修復材料。
本文綜述了生物炭的制備方法和基本特性，結合國內外有關生物炭的研究進展對土壤中重金屬鈍化修復等方面進行了總結，為今后對生物炭修復重金屬污染土壤的研究提供參考意義。最后提出生物炭吸附土壤中重金屬的未來研究方向和生物炭在重金屬污染土壤修復中的應用及前景。
2 生物炭的基本性質
制備生物炭的原料多種多樣，包括農林廢棄物、城市污水處理廠污泥、動物排泄物等。按照反應溫度、停留時間和加熱速率的不同可分為三種制備方法。表1列出了三種常見的制備方法。生物炭的性質與制備溫度、時間、原材料等密切相關。
2.1 元素組成
生物炭主要由C、H、O、N四種元素組成，C元素含量最高。這些元素是構成生物炭芳香型結構和烷基的主要成分。原料不同及熱解溫度都會對生物炭的元素組成和含量造成較大影響。對不同燒制溫度下玉米秸稈生物炭的性質研究發現，隨燒制溫度升高，碳元素含量也不斷升高，氧元素和氫元素含量下降。陳樂等發現隨著熱解溫度的升高谷殼炭、秸稈炭、藥渣炭N含量均逐漸降低，相反生物炭的P含量隨著熱解溫度的升高均逐漸增加。
2.2 生物炭的表面官能團
高濃度含氧官能團的存在被認為是生物炭對重金屬吸附能力一個重要指標。饒瀟瀟等制備的花生殼生物炭含有豐富的表面官能團，熱解溫度升高使羥基數量大幅減少，烴基逐漸消失，芳香化程度增強。高凱芳等研究裂解溫度對生物炭表面官能團的影響，發現烷烴基隨裂解溫度升高而缺失，甲基（-CH3）和亞甲基（-CH2）逐漸消失，而芳香族化合物增加，芳香化程度增強。這些性質有利于提高生物炭對土壤中重金屬的修復固定。 3 生物炭修復土壤重金屬污染的效果
3.1 生物炭對土壤重金屬有效態含量的影響
在評價重金屬污染土壤的環境質量時，我們常采用不同的提取劑對土壤中重金屬的有效態進行提取，以反映土壤重金屬的毒性和生物有效性。利用秸稈生物炭修復土壤中的Pb、Cd、Zn，將秸稈生物炭（5%）作為鈍化材料添加到重金屬污染的土壤中，研究表明，秸稈生物炭處理的土壤TCLP提取態Pb、Cd、Zn分別降低了10.44%、19.79%、5.02%，有效降低了土壤重金屬的毒性。孫慧等施用水稻秸稈生物炭能使土壤TCLP有效態Cd含量降低42.07%～45.12%，與海泡石混合施用后降低幅度最高達到56.58%。
3.2 生物炭對土壤重金屬形態的影響
歐盟BCR連續提取法將土壤中重金屬形態分為弱酸提取態、可還原態、可氧化態和殘渣態。弱酸提取態容易被植物吸收，對作物危害較大;可還原態在氧化還原條件下穩定性差，對農作物存在潛在危害;可氧化態一般不易被植物吸收利用，當土壤氧化還原電位發生變化時，可使少部分重金屬溶出;殘渣態重金屬很穩定，對土壤重金屬遷移和生物可利用性不大。利用水稻秸稈在500℃條件下制備生物炭，將其施入Pb、Cd重金屬復合污染的土壤中培養30天。結果表明，當生物炭添加量為5%時，弱酸提取態、可還原態和可氧化態Pb含量明顯降低，殘渣態Pb含量顯著增加。王哲等用玉米秸稈生物炭施入重金屬污染的礦區土壤中，研究發現，添加生物炭后可顯著降低土壤中酸可提取態Pb、Cu、Zn、Mn的含量，顯著增加殘渣形態。
4 展望
我國擁有豐富的廢棄生物質資源，較常見的有稻殼、秸稈、甘蔗渣、畜禽糞便、木材加工剩余物、生活垃圾等，大量的生物質資源沒有得到有效的利用。生物炭的添加在一定程度上可以降低土壤中重金屬的移動性和生物有效性，但單一的生物炭對某些重金屬污染物的吸附能力有限，不能對復合污染重金屬污染達到預期的修復效果，在環境應用中受到了一定的局限性。日后需要進一步研究復合生物炭材料或改性生物炭對多種不同類型重金屬的吸附鈍化效果。生物炭對土壤重金屬污染的修復屬于原位鈍化修復技術，沒有將重金屬從土壤中分離開來，長時間以來，可能有重金屬重新釋放的危險。目前，關于磁化改性生物炭已經在水體中金屬污染中展開了應用研究，達到了固液分離的目的。所以未來我們可以將磁性生物炭用于土壤重金屬污染的修復治理工作中去，修復完成之后，利用磁鐵將吸附重金屬的生物炭從土壤中剝離。
參考文獻：
[1]申瑞玲，郝云龍，蔣士飛.土壤重金屬污染現狀及其治理方法[J].西部資源，2014（6）：137-139.
[2]樊霆，葉文玲，陳海燕.等.農田土壤重金屬污染狀況及修復技術研究[J].生態環境學報，2013，22（10）：1727-1736.
[3]曹勤英，黃志宏.污染土壤重金屬形態分析及其影響因素研究進展[J].生態科學，2017，36（6）：222-232.
[4]張博，張靜.土壤重金屬污染微生物修復技術簡述[J].科技創新與應用，2016（16）：172.
[5]黃怡佳，毛東梅.土壤重金屬污染及防治措施[J].科技創新與應用，2016（26）：151.
[6]劉洋.淺議土壤重金屬污染及其防治措施[J].科技創新與應用，2016（22）：167.
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