生物質炭在重金屬污染土壤修復中的應用探究

王璐

摘 要 為探究生物質炭在重金屬污染土壤修復中的應用，從比表面積、表面官能團、表面結構、表面性質4個方面分析了生物質炭的性質，提出了土壤重金屬污染物治理工作中使用生物質炭的策略，即生物質炭與植物修復法結合使用、化學淋洗法與生物質炭修復法結合使用、改良土壤性能，以期為重金屬污染土壤修復工作貢獻力量。

關鍵詞 生物質炭;重金屬土壤;修復

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.23.103

土壤污染治理一直是一個世界性的難題。生物質炭具有孔隙率大、比表面積大的特點，其表面附著帶電荷的含氧含氮官能，能將污染土壤中的重金屬陽離子和有機污染物吸附、固化，還能提升土壤營養及保水性能，促進土壤微生物良好共生等，從而固化土壤污染物，降低農作物對重金屬的吸收，是一種優良的土壤污染治理材料。基于此，針對生物炭在重金屬污染土壤修復中的應用進行探析。

1 土壤重金屬污染物治理概述

土壤中的重金屬污染物通常來自于工業排放的廢料、填埋的生活垃圾、農業生產中使用的化肥農藥等。重金屬污染物會伴隨著雨水進入土壤深層或者地下水中，進而在農作物和水體中大量積累。長期食用重金屬含量超標的農產品，會使得重金屬在人體內蓄積量不斷增加，危害人體健康[1]。

當前，重金屬污染物處理的主要方法分為物理方法、化學方法和生物方法3類，這些方法都是通過降低重金屬污染物的活性達到降低危害程度的目的。其中，物理方法和化學方法適用于輕度重金屬污染土壤，它們修復的規模較小、治理周期比較短，但是會對土壤結構和土壤微生態產生影響，還可能造成二次污染。生物方法產生二次污染的可能性較小、經濟成本低，因此也被廣為接受。

2 生物質炭的性質

2.1 比表面積

生物質炭表面疏松多孔，可以有效吸收廢棄物。研究顯示，生物質炭的比表面積與溫度有關：裂解溫度越高，比表面積越大?；罨部梢栽黾由镔|炭的比表面積，增強生物質炭的吸收能力。例如，氧化后的生物質炭，在吸水能力和保持養分能力上都有所提升。

2.2 表面官能團

生物質炭表面有豐富的官能團，如羰基、羧基、酸酐、內酯及酚羥基等，這些官能團增強了生物質炭的吸附性能。研究顯示，官能團越豐富，生物質炭的吸水性能越好。隨著溫度的升高，生物質炭表面的官能團活性會下降，進而導致其產生較低的電荷量，最終使得其保水性能和吸收性能下降[2]。例如，當秸稈碳的裂解溫度不斷上升，達到650 ℃時，土壤的飽水率也會隨之下降。另外，官能團再次氧化后，可以產生更多官能團，進而增加生物質炭的吸收量。

2.3 表面結構

生物質炭的表面結構呈多孔狀，這種多孔的表面結構使其具有較大的比表面積，也使其具有較強的吸附性能。從化學微結構層面觀察，其表面多為扭曲的芳香環片層，且呈現密集堆積狀態。使用紅外光譜觀察生物質炭的表面結構發現，羧基、羥基芳香性官能團是其典型結構。生物質炭以穩定的芳香化結構呈現，因此生物質炭狀態較為穩定。應用于土壤污染治理，生物質炭不容易被微生物降解，所以可以高效率地吸收土壤中的污染物質，還可以通過吸收空氣中的氧氣，提高土壤的含氧量。

2.4 表面性質

2.4.1 元素組成

制備生物質炭的原材料性質決定了生物質炭的組成元素?？傮w來說，生物質炭的主要組成元素為氧、碳、氮等，其中碳元素分布最廣泛[3]，通常生物質炭的60%組成元素都是碳。除了上述3種元素，生物質炭中還富含微量的金屬氧化物，如Fe3O4、ZnO、MnO2等。這些物質的構成比例，主要取決于制備生物質炭的裂解溫度，裂解溫度越高，其碳含量越高，氧、氮的含量越低。

2.4.2 pH值

生物質炭通常呈堿性，其碳酸鹽含量越高，pH值越大[4]。生物質炭的制備原材料對其pH值具有重要影響，原材料的堿性越強，生物質炭的堿性就越強，如農村農作物秸稈的堿性比禽畜糞便的堿性弱，所以農作物秸稈制成的生物質炭堿性也比禽畜糞便制成的生物質炭堿性弱。

2.4.3 表面交換性能

生物質炭可以改變土壤的土壤陽離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC），進而增強土壤肥力。CEC值由土壤表面所帶的負電荷量決定，負電荷量越多，CEC值越大，則土壤肥力越強。例如，土壤有機膠體的CEC值介于100～300 cmol（+）·kg-1，而無機膠體的CEC值則低。生物質炭具有較高的CEC值，所以它可以改善土壤質量。另外，生物質炭被微生物氧化，氧化后的表面部分也可以融入土壤中，提升土壤的質量。

3 土壤重金屬污染物治理中使用生物質炭的策略

3.1 生物質炭與植物修復法結合使用

將生物質炭與植被修復法結合使用，可以增強土壤重金屬污染物治理效果。生物質炭致密的孔隙結構和其表面帶電官能團，均能對土壤中的重金屬有一定的吸附和固化作用，而植物修復只是通過根系完成此過程。植物修復過程比較緩慢，其見效時間長，而生物質炭則可以起到催化劑的作用。添加生物質炭后，土壤肥力增強，土壤中微生物的活性增加，促進植物根系生長，最終使得植物修復效率提升。這兩種修復方法混合使用，是當前土壤重金屬污染物治理的重要方法[5]。

3.2 化學淋洗法與生物質炭修復法結合使用

化學淋洗是治理重金屬污染物的重要方式，淋洗液可以與土壤中的重金屬發生化學反應，進而將重金屬固化或者轉化成其他對人體不產生危害的物質。吸附或固化過程結束后，將淋洗液回收，使用生物質炭吸附淋洗液中的重金屬污染物質，淋洗液即可重復使用，多次循環后，土壤中的重金屬含量將大大降低[6]?；瘜W淋洗法操作簡單，適用于大規模的土壤污染治理工程。化學淋洗液具有一定的污染性質，如果操作不當，很可能使得土壤遭受二次污染，因此如何選取高效的化學淋洗液也是化學土壤治理工作中需要研究的重要問題。例如，治理砷金屬污染，在土壤中加入FeO的效果比較明顯。

3.3 應用于改良土壤性能

生物質炭表面具有大量的孔隙，可以吸收空氣中的氧氣。又由于生物質炭表面附著有大量帶負電荷的官能團，所以在土壤中加入生物質炭可以加速土壤中的微生物繁殖活動，改變土壤的酸堿性質，提升土壤肥力，并增強土壤的保水性能。生物質炭呈堿性，它在吸收重金屬后可以將其轉化為碳酸鹽、硝酸鹽等，使得重金屬物質被固化，既降低了土壤中的重金屬含量，也保持了土壤的性質和肥力[7]。

4 結語

隨著土壤污染問題越來越嚴重，各部門都在積極尋找治理土壤污染的方法。而隨著科學技術的發展，特別是生物學的發展，生物處理技術以其高效、不會導致二次污染的優勢，受到了土壤污染治理行業的關注。近幾年，生物治理法在土壤修復工作中應用越來越廣泛。生物質炭作為生物治理方法中的一種新方法，以其獨特的優勢在土壤重金屬治理中發揮了重要作用。生物質炭用于污染土壤修復領域有著巨大的潛力，但由于目前的相關研究僅限于室內的短期盆栽或室內培養上，如何長期應用在田間試驗還有待進一步研究。另外，使用綠色環保的生物質炭作為吸附材料添加到土壤中來吸附重金屬污染物，既能保障糧食安全，也能提升附體廢棄物的利用率，如何結合土壤污染類型、污染程度和治理工作量來選擇最為合適的生物質炭以達到高效穩定的修復效果，將是土壤修復的未來研究方向。

參考文獻：

[1] 孫康，繆存標，何躍.生物質炭在重金屬污染土壤修復中的應用研究現狀[J].生物質化學工程，2017（4）：66-74.

[2] 王靜，牟珍珍，雷瑪特，等.生物質炭對重金屬污染土壤修復的研究進展[J].湖北農業科學，2018（14）：71-87.

[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] 汪宜敏，唐豆豆，張曉輝.玉米秸稈炭對紅壤鎘吸附及養分含量、賦存形態的影響[J].農業環境科學學報，2017，36（12）：2445-2452.

[5] 趙青青，王海波，史靜.生物質炭對Cd污染土壤根基為團聚體Cd形態轉化的影響[J].環境科學研究，2018，31（3）：555-561.

[6] 王艷偉，李書鵬，康紹果，等.中國工業污染場地修復發展狀況分析[J].環境工程，2017，35（10）：175-178.

[7] 彭錢梅，黃運湘.生物質炭表面特性及其對土壤重金屬污染的修復效應[J].湖南農業科學，2019（1）：105-109.

[8] 鄒力熒，余江濤.改性生物質炭對重金屬Cd的吸附作用研究進展[J].應用化工，2019，48（10）：2495-2498.

（責任編輯：趙中正）