生物炭對土壤重金屬污染修復研究

摘要 土壤污染是我國當前面臨的一項嚴峻的土地利用、糧食安全和生態(tài)環(huán)境問題，重金屬污染由于其穩(wěn)定性強、不易遷移、難以降解以及含有毒性成分等特點，嚴重危害土壤系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)。生物炭由于其自身比表面積、孔隙率較大以及官能團豐富等特點，對土壤重金屬污染修復具有顯著的效果。研究了生物炭對土壤重金屬修復機理，綜述了不同生物炭及改性生物炭復合材料對土壤重金屬修復和改良情況，并結合實際，提出了加強針對多種重金屬污染的生物炭修復技術研究和加強修復土壤重金屬污染之后的土地利用研究等展望及建議。

關鍵詞 生物炭;土壤修復;重金屬污染;土壤

中圖分類號 X53文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）21-0012-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.21.004

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Biochars Remediation of Heavy Metal Pollution in Soil

HE Zhenjia

（Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.，Ltd.， Xian， Shaanxi 710075）

Abstract Soil pollution is a serious problem of land use， food security and ecological environment in China. Due to its strong stability， difficulty in migration， degradation and toxic components， heavy metal pollution seriously endangers the soil system and ecological system.Due to its large specific surface area， porosity and abundant functional groups， biochar has a significant effect on soil heavy metal pollution remediation.In this paper， the mechanism of biochar on the repair of heavy metals in soil was studied，the repair and improvement situation of soil heavy metals by different biochar and modified biochar composites were reviewed，and combined with the actual situation， the paper put forward some prospects and suggestions for strengthening the research on biochar repair technology for various heavy metal pollution and strengthening land use research after remediation of soil heavy metal pollution.

Key words Biochar;Soil remediation;Heavy metal pollution;Soil

作者簡介 何振嘉（1988—），男，陜西西安人，工程師，碩士，從事土地工程方面研究。

收稿日期 2019-07-22

由于我國經(jīng)濟迅猛增長，推動了工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，同時，礦產(chǎn)開發(fā)、冶煉、化肥施用以及化工產(chǎn)業(yè)等廢水、廢氣、廢渣的大量外排，所攜帶的重金屬成分通過徑流、空氣降塵以及隨土壤遷移等方式，土壤中重金屬污染程度逐年加劇[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國已有超過2 000萬hm2土地受Hg、Zn、Pb以及Cd等重金屬的污染[3]，由此引起糧食作物減產(chǎn)、土地利用程度降低以及嚴重的生態(tài)環(huán)境危害。由于重金屬污染持久性強、不易遷移、降解難度大以及具有高毒性，對土壤生態(tài)系統(tǒng)和地下水循環(huán)系統(tǒng)會產(chǎn)生極大的破壞，且通過生物循環(huán)系統(tǒng)對人體健康安全造成很大程度的影響[4-5]。目前，針對土壤重金屬污染的治理措施主要有物理、化學、生物及復合修復技術，但此類修復方式大多存在除污效率低下、操作復雜及投入成本較高等缺陷[6-8]。生物炭是一種將農(nóng)業(yè)廢棄木材及秸稈等在缺氧情況下經(jīng)熱解炭化形成的高含碳固態(tài)物，可利用其較大的比表面積、較高的陽離子交換容量和發(fā)達的孔隙率進行土壤重金屬污染物吸附和固定，并能有效改善土壤理化性質和減少溫室氣體排放[9-10]，具有無污染、經(jīng)濟投入低以及治理土壤重金屬污染效果顯著等特點，在土壤重金屬修復領域具有廣闊的應用前景。

1 生物炭對土壤重金屬污染修復機理

生物炭比表面積較大，且擁有豐富的官能團和孔隙結構，通過生物炭表面攜帶負電荷的表面絡合、離子交換以及靜電作用，對土壤中重金屬元素進行吸附固定，降低重金屬污染物在土壤中的擴散程度和有毒害物質的遷移[11-12]。表面吸附是在生物炭分子與重金屬離子間范德華力共同的作用下產(chǎn)生的，比表面積和孔隙率越大，其之間的范德華力也越大，對重金屬的吸附作用也越強。生物炭表面擁有豐富的含氧官能團，通過官能團中氧原子的孤電子會結合重金屬離子形成形態(tài)穩(wěn)定的絡合物，對重金屬離子的固定作用顯著。有研究發(fā)現(xiàn)，Cu、Pb、Ag、Al等均能被生物炭表面絡合反應固定[13-14]。生物炭可以通過其含有的含氧官能團影響土壤中重金屬進行氧化還原作用，通過離子交換改變土壤理化性質，降低土壤生物毒性[15-16]。生物炭中由于含有大量的可溶性碳酸鹽和磷酸鹽等成分，會與土壤中的重金屬元素發(fā)生化學反應，通過生產(chǎn)相應的化學鹽等物質進行沉淀;另外，有研究表明，對土壤施加生物炭，會導致土壤pH偏堿性，會結合土壤中的Zn、Pb及Cd等生成氫氧化物沉淀[17-18]。

2 生物炭在土壤重金屬污染修復中的應用

由于土壤環(huán)境的復雜性和重金屬污染穩(wěn)定性強、不易發(fā)生遷移等特點，生物炭吸附法處理土壤重金屬污染具有更加突出的優(yōu)勢。周金波等[19]研究了水稻秸稈制備的生物炭對土壤Cd的吸附作用，結果表明，生物炭對Cd元素的固定效果顯著，且提高了作物產(chǎn)量。侯艷偉等[20]研究了不同秸稈生物炭施用量對土壤重金屬累積和富集系數(shù)的影響，結果表明，在生物炭施用后，Pb、Cd的富集系數(shù)減小，而As富集系數(shù)增大。王丹丹等[21]研究了不同溫度條件下牛糞制備的生物炭對Cd去除效果的影響，結果表明，牛糞生物炭制備溫度越高，土壤pH則越高，對Cd的吸附作用也越顯著。王紅等[22]研究了水葫蘆生物炭對土壤Pb和Zn吸附性能的影響，結果表明，生物炭制備問題與對重金屬的吸附性能成正比，生物炭添加量越大，對Pb和Zn的吸附作用越顯著。周強等[23]研究了稻殼生物炭對Zn吸附作用的影響，結果表明，施用生物炭與對Zn的吸附性呈正相關關系，制備溫度越低，對Zn吸附的活性越高。秦婷婷等[24]研究了花椰菜生物炭對土壤Pb的影響，結果表明，生物炭攜帶的陽離子越多，越不利于對Pb的吸附。Houben等[25]研究發(fā)現(xiàn)生物炭施用對降低土壤中重金屬Pb、Zn的生物有效性顯著。Fellet等[26]研究指出，生物炭施用對減少植物體內(nèi)的重金屬元素效果也十分顯著。馬建偉等[27]研究了不同材料生物炭對土壤中Cu、Hg、Ni以及Cr的影響，結果表明生物炭可顯著降低土壤中Cu和Zn的含量。張藝騰等[28]研究了300 ℃條件下制備雞糞生物炭對土壤Cu和Zn形態(tài)以及植物吸收的影響，結果表明，雞糞生物炭施用既可促進作物生長，抑制Zn的釋放，又對土壤Cu和Zn固定效果明顯，降低了植物對Cu和Zn的吸收。生物炭施加量顯著影響土壤重金屬固定特性，但針對不同重金屬污染土地現(xiàn)狀，應選擇適宜的污染土壤修復方式，否則會對作物造成減產(chǎn)或毒害作物[29]。

有研究表明，對生物炭添加改性材料，對提高生物炭比表面積及降低土壤中重金屬含量效果顯著。董雙快等[30]研究了鐵改性棉花秸稈生物炭對土壤As的影響，結果表明，鐵改性生物炭會引起土壤pH降低，增加了土壤中正電荷數(shù)量，土壤對As的吸附能力得到了增強，鐵改性能夠顯著提高生物炭固定As的能力。高瑞麗等[31]將生物炭和蒙脫石混合后，研究其對土壤重金屬污染的影響，結果表明，生物炭和蒙脫石混合處理顯著降低Cu、Pb、Zn、Cd在土壤中的遷移能力和有效態(tài)含量。楊蘭等[32]研究了油菜秸稈制備改性炭材料對土壤中Cd的影響，結果表明，NaOH、KMnO4、FeCl3改性炭材料均降低了土壤有效態(tài)Cd含量，原炭及NaOH、KMnO4改性生物炭有利于土壤pH的提高，與土壤有機碳和鹽基離子含量呈正相關關系，與土壤Cd活性形態(tài)含量呈負相關關系，而HNO3改性生物炭顯著降低了土壤pH，提高了土壤有效態(tài)和可交換態(tài)Cd含量，可促進土壤Cd生物有效性。于志紅等[33]研究了炭-錳復合材料和生物炭對砷（Ⅲ）的吸附性能的影響，結果表明，生物炭與炭-錳復合材料對砷（Ⅲ）的吸附均較迅速，而炭-錳復合材料的吸附能力較生物炭單獨施加更為顯著。吳萍萍等[34]研究了負載鐵前后的小麥秸稈生物炭對復合污染土壤中Cd、Cu、As淋失量及賦存形態(tài)的影響，結果表明，負載鐵生物炭能夠不同程度地降低Cd、Cu和As的淋失及其有效態(tài)含量，促進了其向穩(wěn)定態(tài)轉化，對于修復土壤復核污染和As污染效果顯著。牛曉叢等[35]研究了酵素渣和秸稈生物炭復合對土壤重金屬修復的效果，結果表明，酵素渣和秸稈生物炭對土壤pH、土壤過氧化氫酶活性、陽離子交換量以及固體廢物毒性浸出試驗提取態(tài)Pb、Cd、Zn均有不同程度的影響，而酵素渣對Zn、Cd的鈍化修復效果優(yōu)于秸稈生物炭。朱司航等[36]研究了不同比例納米羥基磷灰石與小麥秸稈生物炭混合對土壤重金屬銅的吸附能力，結果表明，生物炭表面附著納米羥基磷灰石可以提高生物炭的熱穩(wěn)定性，生物炭改性材料可使Cu的最大吸附速率提高100%以上。于志紅等[37]將不同生物炭-錳氧化物復合材料作為吸附材料研究其對紅壤吸附銅的能力影響，結果發(fā)現(xiàn)，生物炭-錳氧化物復合材料含量越大，對土壤Cu吸附量越大，但對pH無較大影響，同時，該復核材料溫度越高，對土壤Cu吸附能力也越強。

3 展望

近年來，國內(nèi)對污損土地尤其是受重金屬污染的土地修復投入了大量的財力和人力，同時對重金屬污染修復機理和技術進行了廣泛研究，發(fā)現(xiàn)利用作物秸稈、動物糞便及農(nóng)業(yè)林業(yè)廢棄樹木制備生物炭均可顯著對Cu、Pb、Ag、Al、Zn、Cd等重金屬進行吸附，同時對提高土壤pH、改善土壤理化特性和降低土壤酶化程度效果明顯。對單一的生物炭材料進行改性復配，能更大程度地提高其對重金屬污染修復和土壤修復的效果和能力。利用生物炭進行保持水土、減少土壤養(yǎng)分流失、降低溫室氣體外排、固定土壤中重金屬物質等達到污損土壤修復是可行且具有廣闊前景。但結合相關研究可以看出，目前對重金屬污染土壤的修復主要集中于單一污染或重金屬成分較少的土壤，而實際生產(chǎn)生活中，往往遇到的土壤污染問題較為復雜，多為幾種或以上重金屬污染物同時存在，在利用生物炭進行吸附固定時，不僅要考慮其對不同種類重金屬污染物的修復，還要考慮不同重金屬之間可能出現(xiàn)的協(xié)同、抵觸和屏蔽等作用。另外，大量研究圍繞生物炭或改性生物炭對土壤重金屬污染物吸附及固定的影響，但在土壤修復時間成本和財物成本方面以及修復后土壤中作物生長狀況和產(chǎn)量、品質的研究較少，因此今后的研究要以修復土壤重金屬污染之后的土地利用情況為主，全面地實現(xiàn)生物炭多層次利用。

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