污泥生物炭对土壤和水体环境中重金属吸附固定的研究进展

龚 宽，陈寒松，朱文斌，康冰霞，黎心怡，郑绍成，

（1.浙江师范大学地理与环境科学学院，浙江 金华 321004；2.浙江师范大学行知学院，浙江 兰溪 321100）

随着工农业的蓬勃发展，大量重金属随着采矿、废气排放、污水灌溉等活动进入土壤和水体中，环境中的重金属无法被微生物降解，反而会随食物链和生物放大作用进入人体，引发癌症，甚至是死亡。因此，环境中重金属污染的治理与修复一直是研究热点。与此同时，污水处理厂的剩余污泥产生量连年增长。将污泥制成生物炭能充分发挥污泥的剩余价值，被认为是实现经济与环境双赢的有效途径。污泥生物炭是指高温无氧条件下利用污泥制备的固态碳基材料，具有比表面积较大、孔隙结构和官能团丰富等特点，可用于大范围修复重金属污染的土壤，且修复过程不会对土壤组分和结构造成破坏。同时，其具有操作简便、投加量小、价廉易得和吸附容量大的特点，在水体重金属去除方面受到越来越多的关注。

1 污泥生物炭的制备及改性

1.1 污泥生物炭的制备

热解是指在缺氧条件下加热，最终将有机物分解并生成固体残渣的过程，污泥在特定条件下热解即可制备污泥生物炭。根据热解过程中不同的加热方式，生物炭的制备方法可分为水热炭化法、微波热解法和常规热解法等，如表1 所示。

3种方法制备的污泥生物炭具体特点如表1 所示。污泥在不同的碳化条件下形成的生物炭特点差异较大，在应用过程中，通常需要根据具体环境特点及功能要求选择合适的制炭方法。例如，若需要污泥生物炭具有稳定的碳结构和较高的碱度，则污泥生物炭制备时应选择热解温度较高、反应时间较长的工艺；若在修复过程中需要强化官能团与金属离子间的配位作用或是增强有机组分对重金属离子的络合吸附，则应选择低温短时的干燥热解或是选择水热碳化等反应条件较温和、对有机物破坏较少的制备工艺。总之，针对重金属的性质与修复环境特点，选择与之相对应的污泥生物炭，是高效解决重金属污染问题的关键。

表1 生物炭的制备方法比较

1.2 污泥生物炭的改性

为解决污泥生物炭孔隙结构欠发达、比表面积不足和表面官能团含量低等缺点，很多研究者提出改性生物炭来改变其表面物化性质，从而增强其对重金属的吸附能力。改性方法可分为物理法、化学法和生物法，具体包括球磨、酸改性、碱改性、浸渍法改性、紫外辐射、生物改性以及蒸汽改性等，也可以是几种改性方法的联合使用，改性后的生物炭对重金属具有更好的结合能力。不同生物炭改性方法的原理和优缺点如表2 所示。

表2 不同生物炭改性方法的原理和优缺点

改性方法通过增大生物炭的比表面积、孔容积，增加含氧官能团种类和数量，提高表面负电荷密度，达到提升原始生物炭吸附性能的目的。得到的改性生物炭具备性能高效、价格低廉、环境友好的特点，在包括环境修复在内的诸多领域应用潜力巨大。

2 污泥生物炭在重金属污染土壤和水体修复中的应用

2.1 污染土壤修复应用

土壤中污泥生物炭和原污泥的添加均能提高土壤的pH、总有机碳（TOC）含量和阳离子交换量（CEC）。但相比污泥，污泥生物炭在降低土壤重金属的可移动性和淋溶风险方面表现更加突出。此外，加入污泥生物炭的土壤中，植物对于重金属的吸收量更低。通常，污泥生物炭对重金属的作用机理主要有6 种，即物理吸附作用、氧化还原、阳离子交换作用、阳离子-π键作用、表面沉淀作用和表面配位作用，如图1 所示。

图1 污泥生物炭与重金属的作用机理

不同改性方法制备的污泥生物炭及其对重金属的吸附性能如表3 所示。由此可以看出，改性生物炭能有效吸附土壤中的重金属，降低重金属对土壤和作物的安全威胁，提高作物产量。当前，重金属污染土壤修复的研究越加注重多种重金属的复合污染，利用生物炭及各种改性生物炭修复多种重金属复合污染的土壤有重大现实意义。值得注意的是，土壤中改性生物炭的矿化行为缺乏系统性研究，这些改性生物炭对土壤理化性质和微生物群落组成及功能活性的长期效应亟待深入关注。

表3 改性污泥生物炭吸附土壤中重金属的类别及成效

2.2 污染水体修复应用

污泥生物炭可以有效去除水体中的重金属污染物，其主要机制有π 电子配位作用、静电作用、质子与离子交换作用、官能团络合作用、氧化还原作用以及形成金属沉淀。污泥生物炭吸附去除重金属一般是多种机制共同作用。此外，不同污泥生物炭吸附去除不同重金属时，其吸附机制往往不同。因此，可以通过改性强化这几种吸附机制，增大污泥生物炭对重金属的吸附选择性和吸附容量。不同来源和改性条件下制备的污泥生物炭对重金属的吸附性能及吸附机理如表4 所示。

表4 改性污泥生物炭去除水中重金属的性能和机理

由表4 可知，大部分污泥生物炭吸附重金属符合二级动力学模型，小部分符合一级动力学模型或Elovich 模型，表明污泥生物炭吸附重金属的行为以化学吸附为主，而吸附等温线多数与Langmuir 模型符合，为单分子层吸附，少部分符合Freundlich 模型。需要注意的是，实际污水中同时含有多种重金属和有机污染物，这些共存物的存在可能会影响污泥生物炭对特定重金属的吸附效果。因此，要针对目标污染物采用特定的改性方法，增强优势作用机制，以提高污泥生物炭去除特定污染物的效率。

3 结语

污泥制成生物炭解决了污泥处置难题，而且制得的生物炭又可用于吸附固化环境中的重金属，形成了“以废治废”的治理体系，具有显著的环境效益和经济效益，尤其是改性的污泥生物炭，可广泛应用于催化、储能、土壤和水体修复等领域。正因如此，更应指明污泥生物炭在实际推广应用中存在的诸多挑战。

一是污泥生物炭的组成、表面结构等受污泥组成的影响较大。不同污泥堆积场甚至同一污泥堆积场不同批次产生的污泥在水分、无机物和有机物组成和含量方面均不尽相同，由此制备的污泥生物炭的特性也大不相同，这些特性究竟取决于污泥中的何种组分或结构仍需要进一步研究。只有将污泥热解的机理研究透彻，才能显著提升污泥生物炭在相应领域的应用价值。

二是污泥生物炭重金属含量较高，虽然研究者经过形态分析和淋洗试验，得出其无环境释放风险，但对于老化生物炭是否存在重金属环境释放风险，目前尚缺乏长期的试验数据支撑。

三是目前污泥生物炭应用于修复重金属污染土壤的研究大都停留在实验室阶段，对实际农田应用的深入研究较为欠缺。当前，我国农田土壤重金属污染比较严重，污泥生物炭的推广必须经受实际重金属污染农田土壤修复的考验。因此，后续开展修复材料在实际重金属污染农田土壤修复中的应用研究很有必要。

四是水体污染通常是多种重金属和有机化合物的复合污染，其相互影响机制较为复杂，要进一步探明污泥生物炭在实际废水复杂环境因子影响下对重金属污染物的作用机制和吸附效果，为污泥生物炭及其改性产物应用于实际废水中的重金属去除提供理论依据。