生物炭對生物滯留設施運行性能的影響研究進展

薛岳，陳垚，2，甘春娟，唐杰，劉臻，2

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 環境水利工程重慶市工程實驗室，重慶 400074；3.重慶市市政設計研究院有限公司，重慶 400012)

為解決城市化造成的城市內澇與徑流污染等問題，我國提出了海綿城市建設理念，旨在從源頭上通過低影響開發(LID)措施恢復開發前水文特征。作為一種源頭控制的LID措施，生物滯留系統主要通過填料土介質、植物和微生物的共同作用實現對污染物的去除。大量研究表明，傳統生物滯留系統填料土比較單一，常因填料土的理化性質和生物特性影響而表現出運行性能的不穩定[1]，如氮磷污染物去除效果的高度波動，因水力滲透性能惡化而造成填料土過早發生堵塞。為解決這一問題，研究學者對填料土的改良進行了廣泛研究，證實在填料土中添加沸石、椰殼-珍珠巖等改良劑不僅可改善水力過程，還可提高污染物去除效果[2]。

生物炭具有孔隙度高、比表面積大、表面具有大量負電荷等特性，施入土壤中可顯著改善土壤內部結構，提高土壤pH值[3]，強化土壤的持水性能，促進雨水下滲[4]；生物炭還可通過吸附徑流中的含氮污染物來提高土壤中的速效養分含量[5]。此外，生物炭在磷、重金屬和病原微生物去除上，同樣具有顯著效果。為探明生物炭作為生物滯留設施填料土改良劑的可行性，總結了生物炭對生物滯留設施中水力性能和植物生長的影響，綜述分析了國內外生物炭強化型生物滯留系統對重金屬、營養物和病原微生物的去除特性研究進展，最后對生物炭強化生物滯留技術進行了展望，以期為生物炭在生物滯留設施中的應用提供參考。

1 生物炭的文獻計量分析

關鍵詞是文章的核心，對關鍵詞的計量分析，不僅有助于快速了解該領域的研究熱點，且可預測未來的研究方向。運用VOSviewer軟件，檢索2018年～2021年3月的文獻，對生物炭關鍵詞進行聚類分析，以圓的大小表示研究熱度，以曲線代表熱點間的聯系，不同形狀代表不同的聚類。聚類Ⅰ的核心內容為有關作物產量(植物生長)的研究，如楊彩迪等[6]添加生物炭在酸性土壤中進行實驗，探明對作物產量的影響，研究表明稻殼生物炭在改良酸性土壤理化性質和提高作物產量方面存在積極影響；聚類Ⅱ的核心內容為有關重金屬的研究，如孫彤等[7]實驗結果表明，施入鈣基改性后的生物炭于弱堿性Cd污染土壤中，不僅改善了土壤環境質量，而且降低了Cd在植物體內富集；聚類Ⅲ的核心內容為有關吸附機理的研究，如李仕友等[8]討論和總結了不同方法改性的生物炭，發現改性后的生物炭對廢水中重金屬吸附效果較好，最大可實現99.81%的去除率；聚類Ⅳ的核心內容為有關熱解的研究，在 400 ℃下，在城市污泥中分別添加花生殼、玉米芯和稻草等，利用間歇式反應釜，制備多種污泥-生物質生物炭，實驗表明，污泥-生物質生物炭在多方面性能優于污泥生物炭，且有發展成為土壤改良劑或肥料緩釋載體的潛力[9]；聚類Ⅴ的核心內容為有關生物炭理化性質的研究，如張沙沙等[10]利用水稻秸稈生物質炭為供試材料，探究生物質炭對富集磷鎘土壤中磷和鎘的形態變化過程及其影響因素，結果表明生物質炭施入富集磷鎘土壤中可實現磷活化與鎘鈍化的效果(圖1)。

圖1 2018～2021年生物炭研究關鍵詞知識圖譜

2 生物炭對水力性能的影響

2.1 水力滲透性

生物炭對土壤水力過程的改善效果與土壤質地類型和生物炭粒徑有關。Trifunovic等[11]研究表明添加生物炭可有效改善土壤滲透性能，但隨著粒徑小于土壤空隙的細顆粒生物炭比例的增加，土壤滲透性能反而逐漸下降。齊瑞鵬等[12]通過土壤柱實驗發現，生物炭的添加雖對質地較黏的土壤(塿土)水分入滲能力有促進作用，但對質地較輕的土壤(風沙土)水分入滲反而有減小作用，且入滲作用效果受生物炭粒徑和添加量影響。也有研究發現，施加生物炭可使黏土土壤的滲透性提高328%，卻造成有機土壤的滲透性降低了67%。岑睿等[13]研究發現，在黏土深度0～40 cm中施加30 t/hm2的生物炭量時，土壤入滲率增加44.6%，且含水率可增加8.9%。雖然填料土中添加生物炭可改善水力過程，并增加土壤累積滲透量和滲透速率，但研究表明生物炭對土壤水力性能的作用效果隨施加年限增加而逐漸減弱[14]。因此，若將生物炭作為生物滯留設施填料土的改良劑，未來應重點關注施加生物炭對填料土水力性能作用效果的衰減曲線，明確生物炭使用壽命。

2.2 持水性

場次降雨的自然屬性決定了生物滯留系統干濕交替的強度和頻率，長期干旱和高溫曝曬等極端天氣會造成設施內填料土含水率很低甚至出現干旱狀態，而干旱土壤在場次降雨徑流重新濕潤下極易發生氮素淋洗現象[15]。因此，生物滯留設施中填料土的持水能力對系統運行性能起著十分關鍵的作用。填料土的持水性不僅取決于填料孔隙的分布和連通性，還受土壤粒徑、質地類型和有機質含量的限制。生物炭的添加可改善水分和養分的持留能力，從而提高土壤肥力。干旱條件下，隨著土壤變干和基質含量的增加，生物炭微孔結構中將不斷出現水和可溶性營養物質的溢出[16]，表明施加生物炭可增加干旱期土壤含水率的有效性。張阿鳳等[17]研究發現，施用生物炭能夠提高土壤的持水性，進而促進旱地作物的生長。如在含水率為25%的土壤中施入3%的生物炭，可提高土壤163%的持水率。但也有研究指出，雖然在干旱土壤中添加生物炭會增加18%的土壤有效水，但在肥沃土壤中生物炭的添加幾乎對土壤持水能力沒有促進作用，并且在黏質土壤中有效水含量反而隨生物炭的添加而減少[16]。由于生物滯留設施對填料土的水力滲透性能和有機質含量均有一定的要求，通常為有機質含量不高的壤質砂土、砂質壤土和壤土等[18]。因此，在生物滯留設施填料土中施加生物炭，可有效增加土壤孔隙度，降低土壤容重，進而改善土壤的持水性能，提高系統抵抗極端干旱環境的能力，還可增加土壤有效養分，改善植物生長狀況。

3 生物炭對植物生長的影響

植物作為生物滯留設施的景觀呈現元素，是設施重要的標志物，同時也是設施處理性能的重要貢獻者。植物主要通過同化和根系過濾，作為微生物載體；其主要由根部氧氣釋放和分泌物滲出，對發展具有不同生態位的微生物群落營造有利的微環境，可極大地促進污染物的去除[19]。可見，植物不僅影響設施的景觀效應，還關系到設施的運行性能，而其生長狀況取決于填料土水分和有效養分含量。為保證植物生長所需養分，通常在填料土中添加堆肥混合物或有機覆蓋物，但研究發現高有機質的填料土易造成生物滯留系統氮磷營養物的淋洗，為此，澳大利亞水敏感城市研究中心建議將填料土中的有機質含量控制在5%以內[20]。針對這一問題，相關研究學者嘗試在填料土中添加生物炭以促進植物的生長。研究證實，與不添加生物炭的對照相比，施入生物炭可顯著促進植物生長，且地上和地下部分的生物量都更高[21]。原因可能是生物炭釋放出各種營養物質，如P、K、N、Mg和Ca(主要是原料和解吸后的廢水)，以及生物炭改良填料土使之孔隙率增加，從而改善氧氣條件，這些因素均有利于植物生長[22]。因此，在填料土中添加生物炭，不僅為植物提供營養物質，提高土壤的保水性，還可協助植物抵抗干旱和生物脅迫等不利條件，對植物的生長起到積極作用[23]。劉凱傳等[24]研究結果也證實，在土壤中施加3%的污泥秸稈混合基生物炭后，有效促進了植物的生長。此外，生物炭還可調控植物根系構型，進而影響系統除污能力。徐福德等[25]研究表明添加生物炭可提高土壤基質的硝態氮含量，進而增加植物根系總根長和總根體積，促進植物根系生長。

雖然生物炭對植物生長有諸多的積極作用，但也不可忽視其負面效應。第一，由于生物炭具有極強的吸附能力，若施用過量，易吸附過多的土壤有效養分而影響植物生長[23]；第二，由于生物炭一般呈堿性，施用后會改變土壤的pH值，植物雖可通過自身的調節功能適應堿性環境，但當土壤堿性超過植物自身的離子調節濃度和酸堿度平衡時，植物生長就會受到嚴重影響，甚至造成植物死亡[26]。因此，今后應加強生物炭制備條件和施用量等方面的研究。

4 生物炭對除污特性的影響

4.1 重金屬

降雨徑流中的重金屬污染物主要以顆粒態和溶解態兩種形態存在，生物滯留系統對顆粒態重金屬的去除主要通過填料土的過濾和沉淀作用，而對溶解態重金屬則主要通過填料土的吸附和植物吸收作用途徑去除[2]。生物滯留設施對重金屬的去除很大程度上取決于填料土的吸附能力和植物根系的吸收能力，而植物根系又取決于填料土的持水性和有效養分供給情況。因此，在生物滯留設施中施用生物炭對填料土進行改良，不僅可增強填料土對重金屬的吸附能力，還可強化植物對重金屬的富集和吸附能力，改變植物抗重金屬脅迫的生理特性，進而促進植物根系對重金屬的吸收[27]。但生物炭對植物吸收轉運不同重金屬的影響有所不同。如Zheng等[28]研究發現豆秸和稻草生物炭可以降低植物體內Cd和Zn含量，而對Pb無影響；Rodriguez等[29]也有相似的研究結果。同時，生物炭對植物吸收重金屬的影響還與土壤質地有關。Rees等[30]研究表明添加生物炭可降低酸性和堿性土中植物地上部的重金屬含量，若添加5%的生物炭可提高酸性土中植物根部和地上部的 Cd和Zn含量，而在堿性土中可顯著提高植物對Zn的吸收。由表1可知，植物對重金屬的吸收轉運過程受生物炭種類、施用量、重金屬種類和土壤質地等因素影響，而植物對重金屬吸收能力的增加可能是由于生物炭可促進植物生長，提高根比表面積，進而提高其對重金屬的吸收轉運能力，但其中具體機理還需深入研究。

表1 生物炭對植物吸收重金屬的影響情況

4.2 營養物

4.3 病原微生物

生物炭已被證明可有效地去除雨水徑流中的病原微生物，徑流中的病原微生物可通過生物滯留系統填料土的截留和吸附作用，以及微生物之間的捕食與競爭等途徑得以去除[43]，并受植物類型、溫度、填料土性質及微生物間的競爭捕食關系等影響[44]。相關研究表明，在生物滯留設施內添加生物炭，可提高系統對病原微生物的去除能力，尤其是可顯著提高對大腸埃希氏菌去除率[45]。但填料土施用生物炭后對病原微生物的去除能力受生物炭的粒徑、熱解溫度和原料類型等因素影響，如在填料土中添加改性后的生物炭，可顯著提高系統對大腸桿菌的去除效率，去除率從35%提升至92%～98%[46]，與未改性的生物炭對微生物去除率相比，生物炭改性系統的性能可提高2倍以上。此外，生物炭對病原微生物的去除能力還會因生物炭表面生物膜的形成而受到抑制[47]，也會因有機物對生物炭吸附點位的競爭，以及吸附有機物后生物炭與細胞間靜電斥力的增加而造成除菌率的下降[48]。因此，未來應加強有機污染物共存條件下生物炭除菌作用機制研究，以降低生物炭表面生物膜形成或吸附點位競爭的可能性。

5 結語與展望

在生物滯留設施填料土中施入生物炭的研究已引起國內外研究學者的廣大關注，相關研究已證實生物炭可顯著改善生物滯留設施的運行性能，如改善填料土的水力性能，對植物生長產生積極作用，通過對植物根系構型的調控作用促進污染物的去除，改變植物抗重金屬脅迫的生理特性進而促進植物對重金屬的吸收和轉運過程，還可利用生物炭表面活性基團和陽離子提高系統對氮磷營養物和病原微生物的去除效果。但探明在生物滯留設施中生物炭作用機制與使用壽命，并提出相應的設計最優參數等仍是未來的重點研究方向，以解決生物炭作用效果衰減問題，并抑制有機污染物共存下生物炭表面生物膜的形成。