【摘 要】
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当前我国因污泥引起的环境问题日趋严重,污泥排放到环境中会造成不可逆转的环境破坏。故而将脱水干化污泥制备成有价值的生物炭产品,对资源的可持续性利用和环境安全至关重要。为进一步探究脱水干化污泥生物炭的实际应用价值,本研究以陕西省杨凌示范区污水处理厂的污泥为原材料,分别在400℃、500℃、600℃和700℃下高温热解制备脱水干化污泥生物炭（DSBCx）,探究DSBCx从水体中吸附回收磷（P）的能力及其
【基金项目】
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陕西省林业科学研究院科技创新计划项目（编号:SXLK2021-0202）； 陕西省生态空间管理重点研究项目（20ST-185）；
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当前我国因污泥引起的环境问题日趋严重,污泥排放到环境中会造成不可逆转的环境破坏。故而将脱水干化污泥制备成有价值的生物炭产品,对资源的可持续性利用和环境安全至关重要。为进一步探究脱水干化污泥生物炭的实际应用价值,本研究以陕西省杨凌示范区污水处理厂的污泥为原材料,分别在400℃、500℃、600℃和700℃下高温热解制备脱水干化污泥生物炭（DSBCx）,探究DSBCx从水体中吸附回收磷（P）的能力及其机理。并且以700℃下高温热解的脱水干化污泥生物炭（DSBC）及其吸附P的产物（PDSBC）为研究对象,以重金属污染土壤的危害和修复方法为切入点,同时探究了污泥生物炭对不同p H土壤（浙江杭州土壤（HZ）和湖南永州土壤（YZ））重金属铅（Pb）、镉（Cd）的稳定化修复效果,并且通过芥菜盆栽试验探究了DSBC和PDSBC生物炭对芥菜生长发育及其重金属积累的影响。具体结论如下:（1）高温热解脱水干化污泥产生了富含C-Ca O-Mg O的生物炭复合材料。随着热解温度的升高,DSBCx生物炭的p H由8.81升高至9.76,电导率（EC）由3640 us/cm降低至2410 us/cm,且热解产物中C、H、O、N的含量逐渐降低,而K、Ca、Mg的含量逐渐升高,这是因为在热解过程中生物炭表面的矿物质发生了分解。通过X射线衍射图谱可以得出,与Ca O相关的衍射峰在所有材料中均有体现,但与Mg O相关的衍射峰仅仅体现在700℃热解的生物炭中,此结果与X射线光电子能谱仪和透射电子显微镜表征结果一致,这表明了生物炭内部矿物组分的变化。此外,DSBCx生物炭的比表面积从6.48 m~2/g逐渐升高到20.93 m~2/g,由扫描电镜也可以看出DSBCx生物炭表面的孔状结构随着温度的变化而变化,表明复合材料多孔结构的形成。（2）在DSBCx生物炭对水体P的吸附回收研究中,随着溶液p H的增加,DSBCx对P的吸附效果也随之加强。DSBCx生物炭对P的吸附符合伪二阶动力学模型,通过Langmuir模型拟合等温吸附实验数据得到的最大P吸附量为51.79 mg/g。DSBCx生物炭对P的吸附主要受物理吸附、磷酸盐晶体沉积和静电吸引的影响。在芥菜盆栽实验中,施加载P生物炭可以有效提升土壤中的有效磷（AP）含量从而促进植物生长。（3）在DSBC和PDSBC生物炭修复重金属Pb、Cd污染土壤的研究中,施加生物炭处理相比于对照处理能明显改善HZ和YZ土壤的理化性质,提高HZ和YZ土壤的p H、EC、土壤有机质含量（SOM）、AP含量以及有效钾（AK）含量（P＜0.05）,且与生物炭施加比例呈正相关。其中,施加3%PDSBC生物炭对HZ和YZ土壤的p H、EC和AP含量提升程度最明显（P＜0.05）,HZ和YZ土壤的AP含量相比于对照分别提升了22.16倍和8.06倍。此外施加生物炭能够明显降低HZ和YZ土壤Pb、Cd含量及其DTPA提取态含量,降低程度与生物炭施加比例呈正相关。当施加相同比例的生物炭时,PDSBC处理对HZ和YZ土壤重金属降低的程度优于DSBC处理。在土壤中施加生物炭能够明显促进HZ和YZ土壤中迁移性强的酸可溶态Pb、Cd转化为稳定的残渣态Pb、Cd,从而降低重金属有效性。（4）在芥菜盆栽试验中,与对照相比施加生物炭对于HZ和YZ的芥菜生长均有促进作用。其中施加3%PDSBC生物炭对芥菜干物质的提升效果最明显（P＜0.05）,HZ芥菜地上部分和地下部分相比于对照分别提升了4.13倍和2.17倍,YZ芥菜地上部分和地下部分分别提升了3.32倍和1.85倍。此外施加生物炭能够明显抑制HZ和YZ芥菜地上部分和地下部分对Pb、Cd的吸收积累,且对Pb、Cd的降低程度与施加生物炭的比例呈正相关,施加3%PDSBC生物炭对HZ和YZ芥菜的Pb、Cd降低效果最为明显（P＜0.05）。综上所述,脱水干化污泥生物炭不仅能有效吸附富P水体中的P,其与P结合的产物还可以有效降低污染土壤中重金属Pb、Cd含量,并且具有代替P缓释肥的潜力,促进植物生长,抑制植物对土壤重金属的吸收积累,可以作为一种新型吸附剂吸附自然界的污染物。
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