污泥生物炭作为土壤改良剂的研究进展与展望

王芷馨 王俭 李鑫

（辽宁大学环境学院，辽宁沈阳 110036）

1 引言

污泥作为污水处理过程中产生的副产物，对环境和经济造成严重负担。污泥是一种污染物的集合体，含有有机物、无机物、微生物等多种成分，其中存在大量有害有机物、累积的重金属和病原体，如果处理不当，可能会导致严重的环境破坏和二次污染，因此污水污泥处理的难度很大［1］。近年来，热解已成为污水污泥处理的一种新方式。高温可以有效杀死病原微生物，将污水污泥量降至最低，并最终产生污泥生物炭。生物炭具有多层多孔结构、高碳含量和丰富的官能团，可作为土壤改良剂进行土壤修复。它已被证明能有效改善土壤质量，提高土壤水分保持力和养分含量，还可以减少重金属污染和有机污染，对土壤的化学和生物性质产生积极影响。添加生物炭可以增加土壤生物量和土壤酶活性，增加农田作物产量，具有较高的生态效益和经济效益［2］。因此，将污泥生物炭应用于污染土壤治理是一种经济环保的土壤修复方法，符合以废治废的治理思路。

本文介绍了污泥生物炭的制备方法与性质，探讨了污泥生物炭施入土壤后对土壤重金属污染、有机物污染及理化性质等方面的作用，分析了污泥生物炭作为土壤改良剂的可行性和潜在的危险，并对污泥生物炭研究与应用的方向进行了展望，对促进污泥资源化利用、修复污染土壤具有现实意义。

2 污泥生物炭的制备

2.1 污泥生物炭的制备方法

为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须经过充分的处理。污泥热解是将污水污泥置于惰性气氛中发生的热降解过程，是一种成熟的能够使污水污泥有效利用的方法。发生热解的温度范围为300～1 000 ℃，可将污水污泥转化为固定碳、灰分、生物油、可燃气体和水蒸气［3］。热解可使污泥体积大幅减少，并去除污泥中的病原体和有害化合物，使重金属元素固定其中，从而减少浸出。通过热解获得的污泥生物炭不含病原体，并且保留了碳和营养元素。污泥可通过多种热解方法转化为污泥生物炭，主要包括常规热解法（300～1 000 ℃，＞1 h）、微波裂解法（0.3～300 GHz）、烘焙法（200～300 ℃，10～60 min）、气化法（＞700 ℃）和水热碳化法（180～250 ℃和1～4 MPa）［4］。温度较低的热处理对生物炭的性能没有显著提高，而气化法产生的生物炭产量通常非常低。因此，烘焙和气化不适合用于生产生物炭。根据热解速率，可将热解过程分为慢速热解和快速热解。快速热解通常使用高于300 ℃/s的高加热速率加热，慢速热解是在300～700 ℃的温度范围内缓慢热解，加热速率为0.1～1.0 ℃/s，可产生大量的生物炭。相比之下，快速热解过程在400～600 ℃之间时，具有较高的生物油产量［5］。因此，快速热解更多地用于生产生物油，而慢速热解通常用来制备功能性污泥生物炭。

2.2 影响污泥生物炭质量的因素

2.2.1 污泥原料

生物炭的组成很大程度上取决于生产生物炭的原料，相比于木质素生物炭，污泥生物炭的碳含量较低，但N，P，Na 和Mg 元素含量较高，可以有效提高土壤肥力。污泥的成分包括有机化合物、氮磷化合物、无机盐、病原体和水［6］。污水处理过程中，污水性质、污水负荷量、处理阶段和处理工艺的不同都会对污泥成分产生影响，因此其组成和特性比传统的生物质要多变得多，会对污泥生物炭的性质产生很大影响。

2.2.2 温度

温度是影响生物炭结构和物理、化学、生物性质的一个非常重要的热力学参数。高温（500～1 000 ℃）下制备的生物炭表面积较大，孔隙结构丰富，而较低的热解温度会使生物炭吸附能力降低［7］。碳是污泥生物质中最主要的元素，碳按形式可分为有机碳和无机碳。污水污泥中矿物质成分较高，且矿物成分比有机碳具有更高的热稳定性，因此在烧制过程中的质量损失较小，矿物质成分的富集超过了碳化程度，导致污泥生物炭的碳含量随着热解温度的升高而降低［8］，而生物炭中Ca，K 和P 等元素的浓度随着温度的升高而增加。

生物炭的pH 也随热解温度的变化而变化。Yuan 等［9］发现，在300 ℃时产生的生物炭pH 为酸性，而在400～700 ℃时产生的生物炭pH 为碱性，可能是由于碳酸盐和有机酸的崩解。

CEC（阳离子交换能力）表示生物炭吸附阳离子的能力，生物炭的CEC 值主要取决于生物炭表面含氧官能团的数量和分布［10］。灰分的主要成分是可溶性碱金属盐和矿物成分等。研究表明，灰分含量越高的生物质的CEC 值越高。因此，污泥生物炭的CEC值往往较高，这可能是因为污泥中的碱金属在热解过程中促进了生物炭表面含氧官能团的形成［11］。

2.2.3 加热速率和保留时间

加热速率对生物炭结构以及生物油和沼气的生产有重要影响。更快的加热速度会使生物油的产量增加，而缓慢的加热速率更有利于生物炭的生产［12］。从保留时间来看，与慢速热解相比，快速热解对生物炭中C ∶O 比值的影响较小，但据报道，在慢速热解的情况下，生物炭表面积显著增加［13］。

3 污泥生物炭在土壤改良中的应用

与填埋、焚烧或直接用于农业等方法相比，将污水污泥转化为生物炭是处理污水污泥的一种经济有效的方法。生物炭孔隙率高、微观结构丰富、营养元素含量高，在土壤改良中有多种功能，如固定土壤中的碳、减少温室气体排放、改善土壤质量以及吸附土壤中有毒物质等。生物炭价格低廉，可以使用热化学方法从各种废物中获得，具有较好的经济可行性。

3.1 改善土壤物理性质

土壤容重是表征土壤物理性质的重要指标。降低土壤容重可以改善土壤结构，促进养分的释放和保持。土壤孔隙为土壤动植物提供了必要的空间和氧气，并影响水的转化、储存和利用。Laird 等［14］研究证明，向土壤中添加生物炭可以显著降低土壤容重并增加总孔隙度。Dokoohaki 等［15］研究发现，相对于对照组，添加生物炭的土壤都显示出孔隙率增加，饱和度和田间容量的含水量增加，土壤物理质量得到改善。Verheijen 等［16］研究发现，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，且对砂质土的效果更显著。总之，生物炭可以改变土壤孔隙度和孔隙分布，改善土壤孔隙连通性，增加水分和空气循环，有效提高土壤保水性。

3.2 增加土壤养分

土壤养分对植物生长起着重要作用，施用生物炭可以提高土壤养分的有效性和植物对养分的吸收率。Yue 等［17］研究表明，施用生物炭后，土壤全氮、有机碳、黑碳、速效磷和速效钾含量均显著增加；由于植物矿质营养的改善，种植草的干物质随着生物炭添加量的增加而成比例增加。Major 等［18］实验表明，在玉米—大豆轮作的土壤中持续施用生物炭，玉米籽粒产量在第一年没有显著增加，在随后3 年中，相比对照地块产量分别增加28%，30%和140%。Figueiredo 等［19］进行了为期4 年的评估，研究了污泥生物炭对土壤磷库的影响。在最初的2 年里，污泥生物炭使土壤全磷和无机磷含量分别增加了约2.4倍与2.5 倍。污泥生物炭也使土壤有效磷含量在第一个种植季增加了8.5 倍。即使在前2 个种植季，土壤有效磷仍维持在7.4 倍水平。向土壤中添加生物炭已被证明可以减少氮的淋失，提高氮的利用效率。Chen 等［20］研究证明，添加生物炭引起的吸附容量增加，在促进－N/NH3－N 的吸附和降低NH3挥发方面发挥了更重要的作用。

3.3 土壤重金属的固定

污泥生物炭在土壤中阳离子金属的固定方面具有突出的性能，这主要归因于污泥生物炭中灰分的丰富含量［21］。生物炭中丰富的磷酸盐和羟基是有效的金属离子配体。Gonzaga 等［22］研究发现，在沙质污染土壤中添加生物炭可以提高土壤pH，有效地固定铜。He 等［23］研究发现，污泥生物炭能固定污染土壤中的铅和铜，但对锌、镉和砷的固定作用不大，且在两年的老化过程中，生物炭和土壤之间的相互作用改变了土壤与生物炭颗粒上的金属种类。Fang 等［24］研究发现，添加1%～5%污泥生物炭可有效降低土壤酸性萃取液中总Cr 和Cr（Ⅵ）水平，还可以将土壤中的As（Ⅲ）氧化为流动性较差的As（Ⅴ）。

3.4 土壤中有机污染物的固定和降解

生物炭越来越多地用于多种土壤有机污染修复领域。生物炭去除有机污染物的效率取决于生物炭和污染物的性质，生物炭的负电荷、灰分、孔隙率和有机碳含量与其吸附效果密切相关［25］。Zielińska等［26］研究发现，生物炭降低了土壤中自由溶解（Cfree）和生物可接触（Cbioacc）多环芳烃的含量，与Cbioacc多环芳烃相比，Cfree 多环芳烃的减少水平更高。Tang 等［27］研究发现，污泥生物炭衍生的可溶性有机物与其他类型的生物炭相比具有更高的腐殖化程度，因此，可对多环芳烃化合物表现出更高的吸附能力。还有研究发现，矿物质的存在对生物炭吸附有机污染物有间接影响。例如，矿物质会影响生物炭中有机物的空间排列和热解过程中芳香结构的形成，从而影响生物炭的吸附行为。

3.5 调节土壤pH

生物炭的pH 在4～12 之间，其碱性特性可在施用后直接影响土壤的pH。生物炭添加到土壤后，在水的作用下可以与土壤中的H＋和Al3＋交换，降低其在土壤中的离子浓度。Nielsen 等［28］研究证明，添加生物炭可使土壤pH 从4.59 增加到4.86。Hossain 等［29］研究发现，生物炭可使土壤pH 从4.3 增加到4.6，且使农作物的产量提高64%。

3.6 对土壤生物的影响

生物炭可以为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响微生物群落结构［30］。特别是在污泥基生物炭中，脂肪族碳含量较高，对土壤微生物的生长和代谢具有显著的促进作用。生物炭表面含有易分解的碳源和氮源，有利于细菌分解，而且其多孔结构可能为微生物提供有利的微场所，从而增加土壤中藻类、细菌、真菌和土壤动物的数量［31］。Pandey 等［32］将生物炭连续施用土壤2年，研究证明生物炭的添加导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进了整个微生物种群的生长。Zheng 等［33］在酸性水稻中连续施加生物炭4 年后，土壤物理和化学性质发生了显著变化，微生物群落组成也发生了改变。添加生物炭导致微生物生物量增加，但代谢熵和酶活性降低，这表明微生物的碳利用效率提高。Khodadad 等［34］研究了不同生物炭对微生物群落结构变化的影响，结果表明，低温和高温制备的生物炭均降低了土壤微生物多样性，而增加了细菌的相对丰度。

4 土壤中添加污泥生物炭的潜在风险

污泥生物炭中通常含有较高含量的重金属污染物和有机污染物，将其添加到土壤后，污染物会向植物、土壤生物和其他环境元素迁移，将其应用于土壤改良和环境污染修复中会导致一定的生态、环境风险［35］。生物炭具有较大的比表面积、发达的孔隙网络和众多官能团，使其具有很强的吸附性能。因此，尽管生物炭中的污染物有扩散到周围环境的风险，但生物炭的吸附性能往往会减少其扩散。但生物炭的土壤施用是一个长期过程，生物炭携带的污染物长期累积的潜在影响应引起重视［36］。

Jin 等［37］研究证明，原始污泥中6 种重金属的潜在生态风险（RI）的最大值为667.7，表明如果直接应用于环境，土壤和水受污染的环境风险（RI＞600）很高。然而，在热解后，所得生物炭的RI 大幅下降，但只有当温度升高到600 ℃时，污泥生物炭的RI（109.1）才达到低潜在生态风险（RI<150）。污水污泥在热解后会使其中的重金属污染物变得更加集中，因此在将生物炭添加到土壤中后可能会造成环境影响。Méndez 等［38］研究证明，污泥热解降低了Cu，Ni，Zn 和Pb 的植物有效性、流动形态和浸出风险。将污泥生物炭添加到土壤后培养200 d，与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，与对照土壤相比，添加生物炭的土壤中的Cd 含量降低了7%～12%。多环芳烃是生物炭中最常见的污染物，属于持久性有机污染物（POPs）之一。De la Rosa 等［39］在620 ℃条件下制备污泥生物炭，以10～40 t/hm2比例在土壤中添加生物炭，培养79 d 后，土壤的多环芳烃含量显著增加。

5 结论与展望

制备生物炭是处理污水污泥的有效方法，污泥生物炭独特的物理和化学性质在改良土壤方面具有巨大潜力。温度是热解过程中最重要的影响因素，它决定最终污泥生物炭的组成和性能。热解可去除污泥气味，减少体积，消灭病原体，消除污泥中的一部分污染物，降低重金属生物利用度，能够长期改善土壤的物理和化学性质，直接影响植物的生长和发育，提高作物产量。目前，关于污泥生物炭的实验室制备相关的研究较多，施用生物炭后的土壤效应大多是基于室内、短期、小规模田间试验或温室栽培试验，但有关污泥生物炭的大规模实际土壤应用较少，要充分了解生物炭在实际条件下的行为，还需要进一步研究自然条件下的农田土壤修复。今后应开展大规模、长期的田间试验，研究长期添加生物炭对土壤的作用机理。

污泥生物炭也有一定的环境风险和负面影响。由于污泥生物炭中易累积含量较高的重金属和有机污染物，在土壤中施用可能会造成一定程度的污染。在制备污泥生物炭过程中，高温缺氧条件会导致温室气体排放，对环境产生一定的影响。除此之外，过量的生物炭添加量可能会对作物产量和土壤微生物活性产生抑制作用。