生物炭在土壤重金属污染修复中的应用

王俊楠

摘  要：土壤重金属污染已严重威胁人类的健康及生态环境安全，钝化修复以其高效、快速、廉价的特点受到了广泛的关注。生物炭（biochar）也称生物质炭，是指生物质在缺氧或无氧条件下热裂解得到的一类含炭的、稳定的、高度芳香化并含有大量酚羟基、羧基和羰基的固态物质，生物炭具备良好的吸附特性及稳定性，在钝化修复重金属污染方面具有较大的应用潜力。文章介绍了生物炭的理化性质以及近年来国内外有关生物炭修复重金属污染土壤的研究进展，最后对生物炭在治理土壤重金属污染方面提出了展望。

关键词：生物炭;重金属;修复

中图分类号：X53 文献标志码：A         文章编号：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

近年来，由于人口的不断增长、工业生产规模的不断扩大，导致了我国土壤重金属污染加剧。目前，我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染耕地面积近2000万公顷，约占总耕地面积的1/5[1]。农业部数据显示，我国每年因重金属污染而减产粮食1000多万吨，被重金属污染的粮食每年多达1200万吨[2]。重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性和治理难且周期长等特点[3]。一方面，重金属污染会导致农作物减产，另一方面重金属污染物可以在土壤中长期累积，对土壤生态系统和地下水造成严重危害，而且可以通过植物体进入食物链，严重威胁人类健康。

目前，治理土壤重金属污染的方法有物理、化学、生物修复等方法。添加土壤重金属钝化剂的原位修复方法因其可操作性强、实施成本低、可大面积推广等优点被广泛关注。生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化固态物质，具有较大的比表面积和发达的孔隙率，表面含有大量的官能团和负电荷，对重金属离子有较强的吸附固定能力，并且能够改善土壤理化性质。是一种新型、绿色、经济、资源化的重金属钝化修复材料。

本文综述了生物炭的制备方法和基本特性，结合国内外有关生物炭的研究进展对土壤中重金属钝化修复等方面进行了总结，为今后对生物炭修复重金属污染土壤的研究提供参考意义。最后提出生物炭吸附土壤中重金属的未来研究方向和生物炭在重金属污染土壤修复中的应用及前景。

2 生物炭的基本性质

制备生物炭的原料多种多样，包括农林废弃物、城市污水处理厂污泥、动物排泄物等。按照反应温度、停留时间和加热速率的不同可分为三种制备方法。表1列出了三种常见的制备方法。生物炭的性质与制备温度、时间、原材料等密切相关。

2.1 元素组成

生物炭主要由C、H、O、N四种元素组成，C元素含量最高。这些元素是构成生物炭芳香型结构和烷基的主要成分。原料不同及热解温度都会对生物炭的元素组成和含量造成较大影响。对不同烧制温度下玉米秸秆生物炭的性质研究发现，随烧制温度升高，碳元素含量也不断升高，氧元素和氢元素含量下降。陈乐等发现随着热解温度的升高谷壳炭、秸秆炭、药渣炭N含量均逐渐降低，相反生物炭的P含量随着热解温度的升高均逐渐增加。

2.2 生物炭的表面官能团

高浓度含氧官能团的存在被认为是生物炭对重金属吸附能力一个重要指标。饶潇潇等制备的花生壳生物炭含有丰富的表面官能团，热解温度升高使羟基数量大幅减少，烃基逐渐消失，芳香化程度增强。高凯芳等研究裂解温度对生物炭表面官能团的影响，发现烷烃基随裂解温度升高而缺失，甲基（-CH3）和亚甲基（-CH2）逐渐消失，而芳香族化合物增加，芳香化程度增强。这些性质有利于提高生物炭对土壤中重金屬的修复固定。

3 生物炭修复土壤重金属污染的效果

3.1 生物炭对土壤重金属有效态含量的影响

在评价重金属污染土壤的环境质量时，我们常采用不同的提取剂对土壤中重金属的有效态进行提取，以反映土壤重金属的毒性和生物有效性。利用秸秆生物炭修复土壤中的Pb、Cd、Zn，将秸秆生物炭（5%）作为钝化材料添加到重金属污染的土壤中，研究表明，秸秆生物炭处理的土壤TCLP提取态Pb、Cd、Zn分别降低了10.44%、19.79%、5.02%，有效降低了土壤重金属的毒性。孙慧等施用水稻秸秆生物炭能使土壤TCLP有效态Cd含量降低42.07%～45.12%，与海泡石混合施用后降低幅度最高达到56.58%。

3.2 生物炭对土壤重金属形态的影响

欧盟BCR连续提取法将土壤中重金属形态分为弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态。弱酸提取态容易被植物吸收，对作物危害较大;可还原态在氧化还原条件下稳定性差，对农作物存在潜在危害;可氧化态一般不易被植物吸收利用，当土壤氧化还原电位发生变化时，可使少部分重金属溶出;残渣态重金属很稳定，对土壤重金属迁移和生物可利用性不大。利用水稻秸秆在500℃條件下制备生物炭，将其施入Pb、Cd重金属复合污染的土壤中培养30天。结果表明，当生物炭添加量为5%时，弱酸提取态、可还原态和可氧化态Pb含量明显降低，残渣态Pb含量显著增加。王哲等用玉米秸秆生物炭施入重金属污染的矿区土壤中，研究发现，添加生物炭后可显著降低土壤中酸可提取态Pb、Cu、Zn、Mn的含量，显著增加残渣形态。

4 展望

我国拥有丰富的废弃生物质资源，较常见的有稻壳、秸秆、甘蔗渣、畜禽粪便、木材加工剩余物、生活垃圾等，大量的生物质资源没有得到有效的利用。生物炭的添加在一定程度上可以降低土壤中重金属的移动性和生物有效性，但单一的生物炭对某些重金属污染物的吸附能力有限，不能对复合污染重金属污染达到预期的修复效果，在环境应用中受到了一定的局限性。日后需要进一步研究复合生物炭材料或改性生物炭对多种不同类型重金属的吸附钝化效果。生物炭对土壤重金属污染的修复属于原位钝化修复技术，没有将重金属从土壤中分离开来，长时间以来，可能有重金属重新释放的危险。目前，关于磁化改性生物炭已经在水体中金属污染中展开了应用研究，达到了固液分离的目的。所以未来我们可以将磁性生物炭用于土壤重金属污染的修复治理工作中去，修复完成之后，利用磁铁将吸附重金属的生物炭从土壤中剥离。

参考文献：

[1]申瑞玲，郝云龙，蒋士飞.土壤重金属污染现状及其治理方法[J].西部资源，2014（6）：137-139.

[2]樊霆，叶文玲，陈海燕.等.农田土壤重金属污染状况及修复技术研究[J].生态环境学报，2013，22（10）：1727-1736.

[3]曹勤英，黄志宏.污染土壤重金属形态分析及其影响因素研究进展[J].生态科学，2017，36（6）：222-232.

[4]张博，张静.土壤重金属污染微生物修复技术简述[J].科技创新与应用，2016（16）：172.

[5]黄怡佳，毛东梅.土壤重金属污染及防治措施[J].科技创新与应用，2016（26）：151.

[6]刘洋.浅议土壤重金属污染及其防治措施[J].科技创新与应用，2016（22）：167.