固廢拆解場重金屬污染土壤的生物質炭生態修復研究

關鍵詞：生物質炭；重金屬含量；土壤修復效果；固廢拆解場；重金屬污染

前言

固廢拆解場作為處理廢舊電子產品、機械設備等固體廢棄物的重要場所，環境風險凸顯，尤其是重金屬污染問題已成為亟待解決的難題。在固廢拆解過程中，重金屬如鉛、鎘、鉻等可能通過滲漏、揮發等途徑進入土壤，對土壤生態環境構成嚴重威脅，不僅影響土壤肥力，破壞生態平衡，還可能通過食物鏈進人人體，危害人類健康。

傳統的土壤重金屬污染治理方法如物理化學修復和工程措施，雖能在一定程度上減少重金屬含量．但往往存在成本高、破壞土壤結構、易造成二次污染等弊端。因此，尋找一種經濟、環保且高效的修復技術顯得尤為重要。生物質炭作為一種新興的土壤改良劑，具有獨特的物理化學性質和廣泛的原料來源。生物質炭具有多孔結構、高比表面積和豐富的官能團，這些特性對重金屬離子具有較強的吸附和固定能力。同時，生物質炭還能改善土壤理化性質，提升土壤肥力和微生物活性，為土壤生態系統的恢復提供有力支持。因此，此研究旨在通過系統分析生物質炭對固廢拆解場重金屬污染土壤的修復效果，探討其生態修復機制，為重金屬污染土壤的治理提供新的思路和方法，為實際的重金屬污染土壤修復工作提供了有力的技術支撐，對于促進生態環境保護、保障人類健康具有深遠影響。

1實驗設計

1.1實驗區域選擇

選取固廢拆解場作為實驗區域，具體見圖1。

在重金屬污染土壤采樣區采集5份土壤樣本。需要注意的是，土壤樣本采樣位置與采樣深度保持一致，最大限度地縮小土壤樣本之間的差異性。與此同時，使用干凈、無污染的工具采集重金屬污染土壤樣品，并確保在處理和保存過程中避免二次污染。重金屬污染土壤樣品應保存在干燥、避光的地方，并盡快送至實驗室。將采集的重金屬污染土壤樣品進行破碎、過篩，去除其中的石塊、植物殘體等雜質，根據實驗要求進行土壤樣品的預處理，直至滿足實驗需求為止。

1.2生物質炭制備

生物質炭制備材料與制備設備選取結果如下所示：

1.2.1生物質炭制備材料

（1）玉米秸稈與棉花，來源為山東省泰安市；

（2）五水合硫酸銅；

（3）氯化鎘；

（4）高錳酸鉀；

（5）硝酸。

1.2.2生物質炭制備設備

（1）烘箱；

（2）WFX-IE2原子吸收分光光度計；

（3）單相異步電動機；

（4）雙溫區立式熱解爐，最高加熱溫度1200℃（lt;1h），電源AC 220V 50HZ，功率3KW，加熱元件電阻絲，熱電偶K型，加熱區長度400mm（兩個溫區），100*1000mm高純石英爐管，智能控溫儀可設置多段升降溫程序，控溫精度±1℃。

制備生物質炭的具體步驟如下：

原料準備：收集適量的玉米秸稈生物質材料，將其預先干燥并粉碎成適當的粒徑。

碳化預處理：對原料進行碳化熱解預處理，將原料中的揮發性物質釋放出來，使碳結構變得更加穩定。

熱解過程：將經過預處理的生物質原料放入熱解爐中，在加熱前，使用氮氣對反應室進行吹掃，以排除反應室內的空氣，創造一個無氧或低氧的惰性環境。在氮氣保護下，通過加熱方式熱解有機物，將其轉化為生物質炭、燃氣和焦油等產物。深入探究炭化溫度、炭化時間、氮氣流速以及升溫速率對生物炭產量影響，發現炭化溫度和炭化時間成為了顯著影響生物炭產量的主導因素，而相比之下，氮氣流速和升溫速率的調整對產量的直接影響較為有限。通過一系列的重復測試，確定了生物炭制備的最優化條件組合：在炭化過程中，將溫度設定為800℃±10℃，并在此溫度下維持恒溫60分鐘，同時保持氮氣流速為200mL/min以維持惰性環境，升溫速率則控制在5.0℃/min以確保熱解過程的平穩進行，最大化生物炭的產量。

冷卻與收集：熱解完成后，迅速將生物質炭從熱解爐中取出并冷卻，防止進一步燃燒。隨后，收集生物質炭并進行篩分和破碎。

由此，對得到的生物質炭進行SEM分析，如圖2所示：生成的生物質炭表面呈現不規則片、塊狀結構，有機質完全碳化，灰分較少、孔隙較為明顯，可有助于提高生物質炭負載重金屬的數量與穩定性。

1.3實驗方案制定

以采集的固廢拆解場重金屬污染土壤樣本與制備的生物質炭為基礎，設置五個實驗組，具體如下所示：

（1）實驗組一：固廢拆解場重金屬污染土壤樣本；

（2）實驗組二：固廢拆解場重金屬污染土壤樣本+5%生物質炭；

（3）實驗組三：固廢拆解場重金屬污染土壤樣本+10%生物質炭；

（4）實驗組四：固廢拆解場重金屬污染土壤樣本+20%生物質炭；

（5）實驗組五：固廢拆解場重金屬污染土壤樣本+40%生物質炭。

待30d后，測定土壤樣本中的重金屬含量、理化性質與微生物活性，分析生物質炭對于重金屬污染土壤的生態修復性能。

1.4測定項目與方法

此研究主要分為三個方面的測定項目，分別是土壤樣本中的重金屬含量、理化性質以及微生物活性。以下是對每個項目具體測定步驟的描述：

土壤樣本中的重金屬含量測定：選擇酸溶法將土壤中的重金屬元素轉化為可溶態。完成土壤樣品的消解后過濾。利用原子吸收光譜法測定。

1.4.1土壤理化性質測定

（1）土壤pH值測定步驟：稱取約10克土壤樣品，與適量蒸餾水混合后加入指示劑，使用pH計測定土壤溶液的pH值。

（2）土壤有機質含量測定步驟：將土壤樣品破碎、混合，并過篩。將樣品加熱置于油浴中，去除易揮發的組分后，用容量法測定殘渣中的硫酸鹽，根據質量差計算有機質含量。

（3）土壤總氮含量測定步驟：將土壤樣品與適量酸混合后進行消煮處理，然后使用蒸餾法測定氮含量。

1.4.2土壤微生物活性測定

（1）土壤微生物數量測定：稱取約1克土壤樣品，與適量無菌水混合并稀釋至適宜濃度，涂布在支持不同類型微生物生長的培養基上，并對不同菌落數量進行計數。

（2）土壤酶活性測定：提取土壤酶并通過熒光法測定其活性。

2實驗結果分析

2.1不同劑量生物質炭對土壤重金屬含量的影響分析

通過實驗獲得不同劑量生物質炭應用后，土壤樣品中重金屬含量數據，見表1。

如表1所示，隨著生物質炭施用劑量的增加，土壤中重金屬含量呈現先降低后升高的趨勢。在較低劑量的生物質炭作用下，土壤中的重金屬離子能夠被生物質炭吸附，致使重金屬含量下降。引起此種變化的主要原因是：生物質炭孔隙較多，故具有眾多的吸附位點，能夠對重金屬離子進行有效吸附。然而，當生物質炭的劑量增加到一定程度時，自身吸附性能達到極限，致使土壤重金屬含量出現上升現象。

2.2不同劑量生物質炭對土壤理化性質的影響分析

通過實驗獲得不同劑量生物質炭應用后，土壤理化性質數據，見圖3。

根據圖3所示的數據，隨著生物質炭施用劑量的增加，土壤pH值呈現先升高后降低的趨勢。初始階段，生物質炭中有機官能團的釋放導致土壤pH升高，但當生物質炭劑量達到一定程度時，其中的堿性物質可能已經飽和，使土壤pH的提升幅度減小。在較低劑量下，有機質的增加量不大，但仍能對土壤肥力產生積極影響；隨著劑量的增加，有機質含量顯著上升。然而，當生物質炭的劑量達到一定程度后，由于土壤對有機質的容納能力有限，進一步增加劑量無法進一步提升有機質含量。此外，總氮含量在生物質炭施用過程中呈現先降低后升高的趨勢。初始階段，土壤pH的上升有利于氮固定和轉化，導致總氮含量降低；然而，隨著劑量的增加以及生物質炭中的氮元素釋放，總氮含量開始逐漸上升。這些結果表明，在生物質炭的施用中，劑量是一個重要的影響因素。適量施用生物質炭可以有效改善土壤pH值、增加有機質含量。然而，過量的施用可能會達到劑量上限，無法進一步提高土壤性質和養分含量。

2.3不同劑量生物質炭對土壤微生物活性的影響分析

通過實驗獲得不同劑量生物質炭應用后，土壤微生物活性數據，見圖4。

如圖4所示，隨著生物質炭的增加，土壤中的微生物數量和酶活性呈現先增后減的趨勢。生物質炭提供了良好的微生境和營養物質，有助于微生物生長。然而，過量生物質炭會導致土壤理化性質變差，營養物質減少，限制微生物生長。同樣，土壤酶活性在適量生物質炭下得到提升，但過量生物質炭可能導致pH值極端變化，降低酶活性。因此，生物質炭的合適劑量對維持土壤微生物活性和酶活性至關重要。

綜合上述實驗結果來看，使用20%生物質炭最有利于土壤的理化性質和微生物活性，重金屬降解效果最好。

生物質炭通過其多孔結構、高比表面積和豐富的官能團，借助范德華力將重金屬離子吸附在生物質炭表面，對重金屬離子具有較強的吸附能力。在短期內，如果雨水強度較大，可能會沖刷掉生物質炭表面的部分未牢固結合的重金屬離子，導致一定程度的重金屬泄露。但這種泄露量通常較小，且隨著雨水的稀釋，對環境的直接影響有限。在制定修復方案時，應充分考慮當地的氣候條件、水文地質條件等環境因素對修復效果的影響，通過在表面種植植被抵御雨水沖刷，以減少雨水對生物質炭修復效果的影響。

3結束語

文章聚焦于固廢拆解場地受重金屬污染的土壤，探索了生物質炭作為生態修復材料的潛力。實驗成果顯著，揭示了20%添加量的生物質炭在降低土壤中重金屬濃度方面的卓越效果。機制在于生物質炭通過強大的吸附能力，顯著減少了重金屬的可溶與遷移性，并利用豐富的有機官能團與重金屬形成穩定絡合物，有效固定重金屬。此外，生物質炭還積極改善了土壤的理化性質，提升了有機質含量與肥力，調節土壤pH至適宜植物生長的中性范圍。更重要的是，它促進了土壤微生物群落的繁榮與代謝活性，增強了微生物對重金屬的轉化與固定能力，為土壤生態系統的全面恢復奠定了堅實基礎。綜上，20%生物質炭的應用策略為重金屬污染土壤的生態修復提供了高效、可持續的途徑。