污泥生物炭作為土壤改良劑的研究進展與展望

王芷馨 王儉 李鑫

（遼寧大學環境學院，遼寧沈陽 110036）

1 引言

污泥作為污水處理過程中產生的副產物，對環境和經濟造成嚴重負擔。污泥是一種污染物的集合體，含有有機物、無機物、微生物等多種成分，其中存在大量有害有機物、累積的重金屬和病原體，如果處理不當，可能會導致嚴重的環境破壞和二次污染，因此污水污泥處理的難度很大［1］。近年來，熱解已成為污水污泥處理的一種新方式。高溫可以有效殺死病原微生物，將污水污泥量降至最低，并最終產生污泥生物炭。生物炭具有多層多孔結構、高碳含量和豐富的官能團，可作為土壤改良劑進行土壤修復。它已被證明能有效改善土壤質量，提高土壤水分保持力和養分含量，還可以減少重金屬污染和有機污染，對土壤的化學和生物性質產生積極影響。添加生物炭可以增加土壤生物量和土壤酶活性，增加農田作物產量，具有較高的生態效益和經濟效益［2］。因此，將污泥生物炭應用于污染土壤治理是一種經濟環保的土壤修復方法，符合以廢治廢的治理思路。

本文介紹了污泥生物炭的制備方法與性質，探討了污泥生物炭施入土壤后對土壤重金屬污染、有機物污染及理化性質等方面的作用，分析了污泥生物炭作為土壤改良劑的可行性和潛在的危險，并對污泥生物炭研究與應用的方向進行了展望，對促進污泥資源化利用、修復污染土壤具有現實意義。

2 污泥生物炭的制備

2.1 污泥生物炭的制備方法

為了提高污泥在土壤表面使用的效果和安全性，其在用于土壤改良之前必須經過充分的處理。污泥熱解是將污水污泥置于惰性氣氛中發生的熱降解過程，是一種成熟的能夠使污水污泥有效利用的方法。發生熱解的溫度范圍為300～1 000 ℃，可將污水污泥轉化為固定碳、灰分、生物油、可燃氣體和水蒸氣［3］。熱解可使污泥體積大幅減少，并去除污泥中的病原體和有害化合物，使重金屬元素固定其中，從而減少浸出。通過熱解獲得的污泥生物炭不含病原體，并且保留了碳和營養元素。污泥可通過多種熱解方法轉化為污泥生物炭，主要包括常規熱解法（300～1 000 ℃，＞1 h）、微波裂解法（0.3～300 GHz）、烘焙法（200～300 ℃，10～60 min）、氣化法（＞700 ℃）和水熱碳化法（180～250 ℃和1～4 MPa）［4］。溫度較低的熱處理對生物炭的性能沒有顯著提高，而氣化法產生的生物炭產量通常非常低。因此，烘焙和氣化不適合用于生產生物炭。根據熱解速率，可將熱解過程分為慢速熱解和快速熱解。快速熱解通常使用高于300 ℃/s的高加熱速率加熱，慢速熱解是在300～700 ℃的溫度范圍內緩慢熱解，加熱速率為0.1～1.0 ℃/s，可產生大量的生物炭。相比之下，快速熱解過程在400～600 ℃之間時，具有較高的生物油產量［5］。因此，快速熱解更多地用于生產生物油，而慢速熱解通常用來制備功能性污泥生物炭。

2.2 影響污泥生物炭質量的因素

2.2.1 污泥原料

生物炭的組成很大程度上取決于生產生物炭的原料，相比于木質素生物炭，污泥生物炭的碳含量較低，但N，P，Na 和Mg 元素含量較高，可以有效提高土壤肥力。污泥的成分包括有機化合物、氮磷化合物、無機鹽、病原體和水［6］。污水處理過程中，污水性質、污水負荷量、處理階段和處理工藝的不同都會對污泥成分產生影響，因此其組成和特性比傳統的生物質要多變得多，會對污泥生物炭的性質產生很大影響。

2.2.2 溫度

溫度是影響生物炭結構和物理、化學、生物性質的一個非常重要的熱力學參數。高溫（500～1 000 ℃）下制備的生物炭表面積較大，孔隙結構豐富，而較低的熱解溫度會使生物炭吸附能力降低［7］。碳是污泥生物質中最主要的元素，碳按形式可分為有機碳和無機碳。污水污泥中礦物質成分較高，且礦物成分比有機碳具有更高的熱穩定性，因此在燒制過程中的質量損失較小，礦物質成分的富集超過了碳化程度，導致污泥生物炭的碳含量隨著熱解溫度的升高而降低［8］，而生物炭中Ca，K 和P 等元素的濃度隨著溫度的升高而增加。

生物炭的pH 也隨熱解溫度的變化而變化。Yuan 等［9］發現，在300 ℃時產生的生物炭pH 為酸性，而在400～700 ℃時產生的生物炭pH 為堿性，可能是由于碳酸鹽和有機酸的崩解。

CEC（陽離子交換能力）表示生物炭吸附陽離子的能力，生物炭的CEC 值主要取決于生物炭表面含氧官能團的數量和分布［10］。灰分的主要成分是可溶性堿金屬鹽和礦物成分等。研究表明，灰分含量越高的生物質的CEC 值越高。因此，污泥生物炭的CEC值往往較高，這可能是因為污泥中的堿金屬在熱解過程中促進了生物炭表面含氧官能團的形成［11］。

2.2.3 加熱速率和保留時間

加熱速率對生物炭結構以及生物油和沼氣的生產有重要影響。更快的加熱速度會使生物油的產量增加，而緩慢的加熱速率更有利于生物炭的生產［12］。從保留時間來看，與慢速熱解相比，快速熱解對生物炭中C ∶O 比值的影響較小，但據報道，在慢速熱解的情況下，生物炭表面積顯著增加［13］。

3 污泥生物炭在土壤改良中的應用

與填埋、焚燒或直接用于農業等方法相比，將污水污泥轉化為生物炭是處理污水污泥的一種經濟有效的方法。生物炭孔隙率高、微觀結構豐富、營養元素含量高，在土壤改良中有多種功能，如固定土壤中的碳、減少溫室氣體排放、改善土壤質量以及吸附土壤中有毒物質等。生物炭價格低廉，可以使用熱化學方法從各種廢物中獲得，具有較好的經濟可行性。

3.1 改善土壤物理性質

土壤容重是表征土壤物理性質的重要指標。降低土壤容重可以改善土壤結構，促進養分的釋放和保持。土壤孔隙為土壤動植物提供了必要的空間和氧氣，并影響水的轉化、儲存和利用。Laird 等［14］研究證明，向土壤中添加生物炭可以顯著降低土壤容重并增加總孔隙度。Dokoohaki 等［15］研究發現，相對于對照組，添加生物炭的土壤都顯示出孔隙率增加，飽和度和田間容量的含水量增加，土壤物理質量得到改善。Verheijen 等［16］研究發現，在土壤中添加生物炭可以有效降低土壤容重，并增加最大土壤持水量，且對砂質土的效果更顯著。總之，生物炭可以改變土壤孔隙度和孔隙分布，改善土壤孔隙連通性，增加水分和空氣循環，有效提高土壤保水性。

3.2 增加土壤養分

土壤養分對植物生長起著重要作用，施用生物炭可以提高土壤養分的有效性和植物對養分的吸收率。Yue 等［17］研究表明，施用生物炭后，土壤全氮、有機碳、黑碳、速效磷和速效鉀含量均顯著增加；由于植物礦質營養的改善，種植草的干物質隨著生物炭添加量的增加而成比例增加。Major 等［18］實驗表明，在玉米—大豆輪作的土壤中持續施用生物炭，玉米籽粒產量在第一年沒有顯著增加，在隨后3 年中，相比對照地塊產量分別增加28%，30%和140%。Figueiredo 等［19］進行了為期4 年的評估，研究了污泥生物炭對土壤磷庫的影響。在最初的2 年里，污泥生物炭使土壤全磷和無機磷含量分別增加了約2.4倍與2.5 倍。污泥生物炭也使土壤有效磷含量在第一個種植季增加了8.5 倍。即使在前2 個種植季，土壤有效磷仍維持在7.4 倍水平。向土壤中添加生物炭已被證明可以減少氮的淋失，提高氮的利用效率。Chen 等［20］研究證明，添加生物炭引起的吸附容量增加，在促進－N/NH3－N 的吸附和降低NH3揮發方面發揮了更重要的作用。

3.3 土壤重金屬的固定

污泥生物炭在土壤中陽離子金屬的固定方面具有突出的性能，這主要歸因于污泥生物炭中灰分的豐富含量［21］。生物炭中豐富的磷酸鹽和羥基是有效的金屬離子配體。Gonzaga 等［22］研究發現，在沙質污染土壤中添加生物炭可以提高土壤pH，有效地固定銅。He 等［23］研究發現，污泥生物炭能固定污染土壤中的鉛和銅，但對鋅、鎘和砷的固定作用不大，且在兩年的老化過程中，生物炭和土壤之間的相互作用改變了土壤與生物炭顆粒上的金屬種類。Fang 等［24］研究發現，添加1%～5%污泥生物炭可有效降低土壤酸性萃取液中總Cr 和Cr（Ⅵ）水平，還可以將土壤中的As（Ⅲ）氧化為流動性較差的As（Ⅴ）。

3.4 土壤中有機污染物的固定和降解

生物炭越來越多地用于多種土壤有機污染修復領域。生物炭去除有機污染物的效率取決于生物炭和污染物的性質，生物炭的負電荷、灰分、孔隙率和有機碳含量與其吸附效果密切相關［25］。Zielińska等［26］研究發現，生物炭降低了土壤中自由溶解（Cfree）和生物可接觸（Cbioacc）多環芳烴的含量，與Cbioacc多環芳烴相比，Cfree 多環芳烴的減少水平更高。Tang 等［27］研究發現，污泥生物炭衍生的可溶性有機物與其他類型的生物炭相比具有更高的腐殖化程度，因此，可對多環芳烴化合物表現出更高的吸附能力。還有研究發現，礦物質的存在對生物炭吸附有機污染物有間接影響。例如，礦物質會影響生物炭中有機物的空間排列和熱解過程中芳香結構的形成，從而影響生物炭的吸附行為。

3.5 調節土壤pH

生物炭的pH 在4～12 之間，其堿性特性可在施用后直接影響土壤的pH。生物炭添加到土壤后，在水的作用下可以與土壤中的H＋和Al3＋交換，降低其在土壤中的離子濃度。Nielsen 等［28］研究證明，添加生物炭可使土壤pH 從4.59 增加到4.86。Hossain 等［29］研究發現，生物炭可使土壤pH 從4.3 增加到4.6，且使農作物的產量提高64%。

3.6 對土壤生物的影響

生物炭可以為土壤微生物提供生物有效碳源和氮源，以刺激微生物生物量并影響微生物群落結構［30］。特別是在污泥基生物炭中，脂肪族碳含量較高，對土壤微生物的生長和代謝具有顯著的促進作用。生物炭表面含有易分解的碳源和氮源，有利于細菌分解，而且其多孔結構可能為微生物提供有利的微場所，從而增加土壤中藻類、細菌、真菌和土壤動物的數量［31］。Pandey 等［32］將生物炭連續施用土壤2年，研究證明生物炭的添加導致土壤生物量碳和土壤生物量氮增加，表明生物炭的添加促進了整個微生物種群的生長。Zheng 等［33］在酸性水稻中連續施加生物炭4 年后，土壤物理和化學性質發生了顯著變化，微生物群落組成也發生了改變。添加生物炭導致微生物生物量增加，但代謝熵和酶活性降低，這表明微生物的碳利用效率提高。Khodadad 等［34］研究了不同生物炭對微生物群落結構變化的影響，結果表明，低溫和高溫制備的生物炭均降低了土壤微生物多樣性，而增加了細菌的相對豐度。

4 土壤中添加污泥生物炭的潛在風險

污泥生物炭中通常含有較高含量的重金屬污染物和有機污染物，將其添加到土壤后，污染物會向植物、土壤生物和其他環境元素遷移，將其應用于土壤改良和環境污染修復中會導致一定的生態、環境風險［35］。生物炭具有較大的比表面積、發達的孔隙網絡和眾多官能團，使其具有很強的吸附性能。因此，盡管生物炭中的污染物有擴散到周圍環境的風險，但生物炭的吸附性能往往會減少其擴散。但生物炭的土壤施用是一個長期過程，生物炭攜帶的污染物長期累積的潛在影響應引起重視［36］。

Jin 等［37］研究證明，原始污泥中6 種重金屬的潛在生態風險（RI）的最大值為667.7，表明如果直接應用于環境，土壤和水受污染的環境風險（RI＞600）很高。然而，在熱解后，所得生物炭的RI 大幅下降，但只有當溫度升高到600 ℃時，污泥生物炭的RI（109.1）才達到低潛在生態風險（RI<150）。污水污泥在熱解后會使其中的重金屬污染物變得更加集中，因此在將生物炭添加到土壤中后可能會造成環境影響。Méndez 等［38］研究證明，污泥熱解降低了Cu，Ni，Zn 和Pb 的植物有效性、流動形態和浸出風險。將污泥生物炭添加到土壤后培養200 d，與未添加生物炭的土壤相比，生物有效的Cu 含量高出1.5～1.6 倍，Ni含量高出3.0～3.5 倍，Pb 含量高出1.6～1.8 倍，Zn 含量高出1.2～1.5 倍。然而，與對照土壤相比，添加生物炭的土壤中的Cd 含量降低了7%～12%。多環芳烴是生物炭中最常見的污染物，屬于持久性有機污染物（POPs）之一。De la Rosa 等［39］在620 ℃條件下制備污泥生物炭，以10～40 t/hm2比例在土壤中添加生物炭，培養79 d 后，土壤的多環芳烴含量顯著增加。

5 結論與展望

制備生物炭是處理污水污泥的有效方法，污泥生物炭獨特的物理和化學性質在改良土壤方面具有巨大潛力。溫度是熱解過程中最重要的影響因素，它決定最終污泥生物炭的組成和性能。熱解可去除污泥氣味，減少體積，消滅病原體，消除污泥中的一部分污染物，降低重金屬生物利用度，能夠長期改善土壤的物理和化學性質，直接影響植物的生長和發育，提高作物產量。目前，關于污泥生物炭的實驗室制備相關的研究較多，施用生物炭后的土壤效應大多是基于室內、短期、小規模田間試驗或溫室栽培試驗，但有關污泥生物炭的大規模實際土壤應用較少，要充分了解生物炭在實際條件下的行為，還需要進一步研究自然條件下的農田土壤修復。今后應開展大規模、長期的田間試驗，研究長期添加生物炭對土壤的作用機理。

污泥生物炭也有一定的環境風險和負面影響。由于污泥生物炭中易累積含量較高的重金屬和有機污染物，在土壤中施用可能會造成一定程度的污染。在制備污泥生物炭過程中，高溫缺氧條件會導致溫室氣體排放，對環境產生一定的影響。除此之外，過量的生物炭添加量可能會對作物產量和土壤微生物活性產生抑制作用。