污泥热解转化生物炭修复改良重金属污染土壤研究进展

污泥热解转化生物炭修复改良重金属污染土壤研究进展

吴瑞琦 1，谢礼科 2，王志朴 3*（通讯作者），舒新前 4**

1新疆环境保护科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830011； 2中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，克拉玛依 834000； 3中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院，克拉玛依 834000 ； 4中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 10083

摘要：本文就污泥热解制备生物炭的性质、在重金属污染土壤修复改良方面的作用机制、环境风险及应用潜力展开综述，分析了污泥热解制备生物炭修复改良重金属污染土壤的研究现状和存在问题，并提出了今后研究的重点和发展方向。

关键词：热解 重金属 土壤污染 污泥生物炭

经济与城市化的快速发展，导致我国每年产生数量巨大的城镇生活污泥。我国生活污泥处置主要采用焚烧、填埋、还田等方法，造成了一定的环境污染和环境风险。污泥热解能减少污泥体积，杀死污泥中的病原体和寄生虫，消除污泥处置的环境污染和环境风险[1],同时生产生物能源（生物油、气）及生物炭，是极具应用前景的污泥处置方法。且污泥生物炭可以提高土壤通气性、渗透性，增加土壤肥力，吸附钝化土壤中的重金属，降低植物对重金属的吸收，且具有成本低、操作简单、见效快的特点，特别适合大面积中、低浓度重金属污染土壤的修复和改良。

本文立足于污泥热解制备生物炭修复改良重金属污染土壤，就污泥热解制备生物炭的基本性质、作用机制、环境风险及应用潜力等方面进行了论述，并对城镇生活污泥热解制备生物炭修复改良重金属污染土壤的未来研究做出展望。

1污泥生物炭的性质

污泥生物炭是污水处理厂污泥在无氧条件高温热解制备生物油、生物气后的剩余产物。

污泥生物炭主要组成元素C、O、H、S，含碳量在70%以上 [2]，还富集了植物营养元素 N、P、K及重金属元素Pb、Cd、Cr等[2]，通常呈碱性，同时具有比表面积大、孔隙发达，表面富含羧基、羟基等活性官能团[2]，热稳定性较高的特征。

目前，普遍认可污泥生物炭来源与热解温度是影响污泥生物炭性质的主要因素[2] 。在污泥来源一致的情况下，热解温度对污泥生物炭的特性起着决定性的作用。

2污泥生物炭修复改良重金属污染土壤的机制

污泥生物炭对土壤中重金属的修复机制十分复杂，不仅与污泥生物炭的性质有关，还与重金属的种类、土壤体系、植物根系以及降雨等气候因素有关，需要进行深入的研究。污泥

生物炭与土壤中重金属相互作用的机制有1）络合作用。重金属与污泥生物炭表面的活性官能团（羧基、羟基）发生络合反应[3]。2）共沉淀作用。污泥在处理过程中吸收了大量的次生矿物质，这些物质在热解过程中附载在污泥生物炭上形成活性位可以吸附大量重金属形成共沉淀[3]。需要特别说明的是pH增高有利于共沉淀的发生，这主要是由于碱性增强与重金属竞争活性位的H+减少的缘故。羧基与重金属的结合作用远强于羟基。当碱性增强时与羟基结合的重金属会首先解析出来发生共沉淀。3）氧化还原作用。污泥生物炭表面的有机官能团具有还原性，能够作为电子供体将Cr6+还原为Cr3+，Cr3+通过共沉淀作用稳定化，而Cr3+要比 Cr6+的毒性小很多。污泥生物炭含有的Fe、Al氧化物具有氧化性，可与As发生氧化还原反应，将低价As氧化成高价As,达到降低生物毒性的效果。4）离子交换。重金属与-ROMe中的离子交换出来，发生离子交换作用[3]。5）物理吸附。重金属离子通过分子间引力的作用吸附在污泥生物炭表面[4]。这部分作用力比较小，基本上可以忽略不计。

污泥生物炭施于土壤中后，能够改善土壤理化性质，恢复土壤功能，提高农作物产量。污泥生物炭改良土壤的作用主要包括以下几个方面：1）污泥生物炭的微孔结构和低密度的特性，能够降低土壤容重，提高土壤通气性、渗透性和保水能力，并为微生物提供栖息处，其有机质为微生物提供食源，从而促进土壤微生物的多样性[5]；2）表面富集的功能团能够提高土壤阳离子交换能力（CEC）和肥料使用效率[5]；3）污泥生物炭呈碱性，能够调节土壤的酸碱度，降低Al3+、 Mn2+对植物的毒害作用[6]；4）污泥生物炭中富集了N、P、K等植物生长必须的营养元素[12]，增加了土壤肥力，其微孔结构还可以减少肥料的流失，有利于保持长效机制，起到肥料缓释的作用，节省肥力[4]；5）由于污泥生物炭黑色多孔物质，能够吸收太阳能，并通过微孔结构把热能蓄积起来，保持土壤温度，适合温室土壤的改良[6]。

3污泥生物炭在重金属污染土壤修复改良中的应用潜力

目前，我国约有300多万ha的农田由于严重污染而不能继续使用，约占到我国全部可利用耕地的2.5%[7]。根据《全国土壤污染状况调查公报》，我国土壤Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。特别是矿区附近农田土壤均不同程度的受到重金属污染。土壤重金属污染往往伴随着土壤功能的退化，因此对于重金属污染土壤的治理应该修复与改良并重。污泥生物炭具有土壤改良和重金属修复的双重功能，开展的相关应用研究详见表1。

表1 污泥生物炭对重金属污染土壤的修复改良应用

污泥生物炭不仅对单一重金属污染的土壤具有修复功能，对于重金属复合污染的土壤也具有良好的修复效果。作为富碳的芳香类化合物，化学性质稳定，能在环境中长时间的稳定存在，持久有效的吸附钝化土壤中的重金属。富集重金属的污泥生物炭施用于土壤有可能加重土壤重金属污染的风险，这是制约污泥生物炭实际使用的重要因素。污泥中包含的Pb、Cd、Zn、 Ni、Cr、Hg等重金属绝大部分富集在污泥生物炭中，经过热解富集后，Pb、Cd、Zn、Cr均超过了生物炭施用标准IBI(the International Biochar Intiative Biochar Standard) 和 EBC(the European Biochar Certificate Guidelines)[12]。污泥生物炭用于修复重金属污染土壤必须将重金属浓度限制在相关标准允许的范围内。此外，污泥中P也富集在污泥生物炭中，在淋溶作用下有可能造成水体的富营养化。污泥与其它生物质的协同热解是优化污泥生物炭重金属吸附性能、降低其环境风险的重要手段，受到越来越多的重视。

污泥生物炭能够提高土壤通气行、持水能力、渗透性、增加土壤肥力，平衡酸碱、促进土壤团聚颗粒形成，进而提高植物产量。由于污泥生物炭主要为多环芳香烃结构，其在土壤环境中可以稳定的存在上百年时间[76]，可以持久的发挥作用，减少土壤改良成本。污泥与其它生物质协同热解是制备性能更加优良土壤改良材料的重要途径。

4 结论

污泥热解能够消除污泥不合理处置带来的环境污染，实现“变废为宝”，生产生物油、生物气（主要成分为CO）及用于土壤修复改良的生物炭。但是，污泥不同于秸秆、木屑等生物质，生活污泥组成十分复杂，生物油中往往含有大量的O、N、S等元素[77]，导致生物油品质大大降低，在实际使用前需要去除，会造成使用成本的上升。污泥无机成分高，生物油的产率低，进一步限制了污泥热解的产业化发展。此外，一些易挥发的金属元素，如As、Se、Hg等，在热解过程中会挥发进入生物气；Pb、Cd、Cr、Zn、Ni等重金属则富集在生物炭中。虽然，生物炭中重金属主要以植物难以利用的形态存在，但生物炭用于土壤修复时，往往投加量较大，累积影响仍然会有加重土壤污染的风险。另外一些难降解有毒持久有机污染物也可能富集到生物炭中，成为潜在的环境风险源，而针对难降解有毒持久有机污染物在生物炭中的特征及环境风险尚没有得到足够的重视，需要深入的研究。污泥热解需要在提高油产率、提升油品质、降低环境风险方面寻求一条合理的途径。得益于秸秆等生物质的易得性、热解产物的优质性，通过污泥与生物质如秸秆、木屑等协同热解改善生物油品质、提高生物油产率、降低环境风险，同时获取性能优良的污泥生物炭用于重金属污染土壤的修复和改良是今后值得深入研究的方向之一。

参考文献

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通讯作者：王志朴，讲师，博士，研究方向为矿区环境与污染土壤修复。E-mail：wzpcumt@163.cn。