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摘 要 为探究生物质炭在重金属污染土壤修复中的应用，从比表面积、表面官能团、表面结构、表面性质4个方面分析了生物质炭的性质，提出了土壤重金属污染物治理工作中使用生物质炭的策略，即生物质炭与植物修复法结合使用、化学淋洗法与生物质炭修复法结合使用、改良土壤性能，以期为重金属污染土壤修复工作贡献力量。
关键词 生物质炭;重金属土壤;修复
中图分类号：X53 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.23.103
土壤污染治理一直是一个世界性的难题。生物质炭具有孔隙率大、比表面积大的特点，其表面附着带电荷的含氧含氮官能，能将污染土壤中的重金属阳离子和有机污染物吸附、固化，还能提升土壤营养及保水性能，促进土壤微生物良好共生等，从而固化土壤污染物，降低农作物对重金属的吸收，是一种优良的土壤污染治理材料。基于此，针对生物炭在重金属污染土壤修复中的应用进行探析。
1 土壤重金属污染物治理概述
土壤中的重金属污染物通常来自于工业排放的废料、填埋的生活垃圾、农业生产中使用的化肥农药等。重金属污染物会伴随着雨水进入土壤深层或者地下水中，进而在农作物和水体中大量积累。长期食用重金属含量超标的农产品，会使得重金属在人体内蓄积量不断增加，危害人体健康[1]。
当前，重金属污染物处理的主要方法分为物理方法、化学方法和生物方法3类，这些方法都是通过降低重金属污染物的活性达到降低危害程度的目的。其中，物理方法和化学方法适用于轻度重金属污染土壤，它们修复的规模较小、治理周期比较短，但是会对土壤结构和土壤微生态产生影响，还可能造成二次污染。生物方法产生二次污染的可能性较小、经济成本低，因此也被广为接受。
2 生物质炭的性质
2.1 比表面积
生物质炭表面疏松多孔，可以有效吸收废弃物。研究显示，生物质炭的比表面积与温度有关：裂解温度越高，比表面积越大。活化也可以增加生物质炭的比表面积，增强生物质炭的吸收能力。例如，氧化后的生物质炭，在吸水能力和保持养分能力上都有所提升。
2.2 表面官能团
生物质炭表面有丰富的官能团，如羰基、羧基、酸酐、内酯及酚羟基等，这些官能团增强了生物质炭的吸附性能。研究显示，官能团越丰富，生物质炭的吸水性能越好。随着温度的升高，生物质炭表面的官能团活性会下降，进而导致其产生较低的电荷量，最终使得其保水性能和吸收性能下降[2]。例如，当秸秆碳的裂解温度不断上升，达到650 ℃时，土壤的饱水率也会随之下降。另外，官能团再次氧化后，可以产生更多官能团，进而增加生物质炭的吸收量。
2.3 表面结构
生物质炭的表面结构呈多孔状，这种多孔的表面结构使其具有较大的比表面积，也使其具有较强的吸附性能。从化学微结构层面观察，其表面多为扭曲的芳香环片层，且呈现密集堆积状态。使用红外光谱观察生物质炭的表面结构发现，羧基、羟基芳香性官能团是其典型结构。生物质炭以稳定的芳香化结构呈现，因此生物质炭状态较为稳定。应用于土壤污染治理，生物质炭不容易被微生物降解，所以可以高效率地吸收土壤中的污染物质，还可以通过吸收空气中的氧气，提高土壤的含氧量。
2.4 表面性质
2.4.1 元素组成
制备生物质炭的原材料性质决定了生物质炭的组成元素。总体来说，生物质炭的主要组成元素为氧、碳、氮等，其中碳元素分布最广泛[3]，通常生物质炭的60%组成元素都是碳。除了上述3种元素，生物质炭中还富含微量的金属氧化物，如Fe3O4、ZnO、MnO2等。这些物质的构成比例，主要取决于制备生物质炭的裂解温度，裂解温度越高，其碳含量越高，氧、氮的含量越低。
2.4.2 pH值
生物质炭通常呈碱性，其碳酸盐含量越高，pH值越大[4]。生物质炭的制备原材料对其pH值具有重要影响，原材料的碱性越强，生物质炭的碱性就越强，如农村农作物秸秆的碱性比禽畜粪便的碱性弱，所以农作物秸秆制成的生物质炭碱性也比禽畜粪便制成的生物质炭碱性弱。
2.4.3 表面交换性能
生物质炭可以改变土壤的土壤阳离子交换量（Cation Exchange Capacity，CEC），进而增强土壤肥力。CEC值由土壤表面所带的负电荷量决定，负电荷量越多，CEC值越大，则土壤肥力越强。例如，土壤有机胶体的CEC值介于100～300 cmol（+）·kg-1，而无机胶体的CEC值则低。生物质炭具有较高的CEC值，所以它可以改善土壤质量。另外，生物质炭被微生物氧化，氧化后的表面部分也可以融入土壤中，提升土壤的质量。
3 土壤重金属污染物治理中使用生物质炭的策略
3.1 生物质炭与植物修复法结合使用
将生物质炭与植被修复法结合使用，可以增强土壤重金属污染物治理效果。生物质炭致密的孔隙结构和其表面带电官能团，均能对土壤中的重金属有一定的吸附和固化作用，而植物修复只是通过根系完成此过程。植物修复过程比较缓慢，其见效时间长，而生物质炭则可以起到催化剂的作用。添加生物质炭后，土壤肥力增强，土壤中微生物的活性增加，促进植物根系生长，最终使得植物修复效率提升。这两种修复方法混合使用，是当前土壤重金属污染物治理的重要方法[5]。
3.2 化学淋洗法与生物质炭修复法结合使用
化学淋洗是治理重金属污染物的重要方式，淋洗液可以与土壤中的重金属发生化学反应，进而将重金属固化或者转化成其他对人体不产生危害的物质。吸附或固化过程结束后，将淋洗液回收，使用生物质炭吸附淋洗液中的重金属污染物质，淋洗液即可重复使用，多次循环后，土壤中的重金属含量将大大降低[6]。化学淋洗法操作简单，适用于大规模的土壤污染治理工程。化学淋洗液具有一定的污染性质，如果操作不當，很可能使得土壤遭受二次污染，因此如何选取高效的化学淋洗液也是化学土壤治理工作中需要研究的重要问题。例如，治理砷金属污染，在土壤中加入FeO的效果比较明显。 3.3 应用于改良土壤性能
生物质炭表面具有大量的孔隙，可以吸收空气中的氧气。又由于生物质炭表面附着有大量带负电荷的官能团，所以在土壤中加入生物质炭可以加速土壤中的微生物繁殖活动，改变土壤的酸碱性质，提升土壤肥力，并增强土壤的保水性能。生物质炭呈碱性，它在吸收重金属后可以将其转化为碳酸盐、硝酸盐等，使得重金属物质被固化，既降低了土壤中的重金属含量，也保持了土壤的性质和肥力[7]。
4 结语
随着土壤污染问题越来越严重，各部门都在积极寻找治理土壤污染的方法。而随着科学技术的发展，特别是生物学的发展，生物处理技术以其高效、不会导致二次污染的优势，受到了土壤污染治理行业的关注。近几年，生物治理法在土壤修复工作中应用越来越广泛。生物质炭作为生物治理方法中的一种新方法，以其独特的优势在土壤重金属治理中发挥了重要作用。生物质炭用于污染土壤修复领域有着巨大的潜力，但由于目前的相关研究仅限于室内的短期盆栽或室内培养上，如何长期应用在田间试验还有待进一步研究。另外，使用绿色环保的生物质炭作为吸附材料添加到土壤中来吸附重金属污染物，既能保障粮食安全，也能提升附体废弃物的利用率，如何结合土壤污染类型、污染程度和治理工作量来选择最为合适的生物质炭以达到高效稳定的修复效果，将是土壤修复的未来研究方向。
参考文献：
[1] 孙康，缪存标，何跃.生物质炭在重金属污染土壤修复中的应用研究现状[J].生物质化学工程，2017（4）：66-74.
[2] 王静，牟珍珍，雷玛特，等.生物质炭对重金属污染土壤修复的研究进展[J].湖北农业科学，2018（14）：71-87.
[3] 曹勤英，黄志宏.污染土壤重金属形态分析及其影响因素研究进展[J].生态科学，2017，36（6）：222-232.
[4] 汪宜敏，唐豆豆，张晓辉.玉米秸秆炭对红壤镉吸附及养分含量、赋存形态的影响[J].农业环境科学学报，2017，36（12）：2445-2452.
[5] 赵青青，王海波，史静.生物质炭对Cd污染土壤根基为团聚体Cd形态转化的影响[J].环境科学研究，2018，31（3）：555-561.
[6] 王艷伟，李书鹏，康绍果，等.中国工业污染场地修复发展状况分析[J].环境工程，2017，35（10）：175-178.
[7] 彭钱梅，黄运湘.生物质炭表面特性及其对土壤重金属污染的修复效应[J].湖南农业科学，2019（1）：105-109.
[8] 邹力熒，余江涛.改性生物质炭对重金属Cd的吸附作用研究进展[J].应用化工，2019，48（10）：2495-2498.
（责任编辑：赵中正）
关键词 生物质炭;重金属土壤;修复
中图分类号：X53 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.23.103
土壤污染治理一直是一个世界性的难题。生物质炭具有孔隙率大、比表面积大的特点，其表面附着带电荷的含氧含氮官能，能将污染土壤中的重金属阳离子和有机污染物吸附、固化，还能提升土壤营养及保水性能，促进土壤微生物良好共生等，从而固化土壤污染物，降低农作物对重金属的吸收，是一种优良的土壤污染治理材料。基于此，针对生物炭在重金属污染土壤修复中的应用进行探析。
1 土壤重金属污染物治理概述
土壤中的重金属污染物通常来自于工业排放的废料、填埋的生活垃圾、农业生产中使用的化肥农药等。重金属污染物会伴随着雨水进入土壤深层或者地下水中，进而在农作物和水体中大量积累。长期食用重金属含量超标的农产品，会使得重金属在人体内蓄积量不断增加，危害人体健康[1]。
当前，重金属污染物处理的主要方法分为物理方法、化学方法和生物方法3类，这些方法都是通过降低重金属污染物的活性达到降低危害程度的目的。其中，物理方法和化学方法适用于轻度重金属污染土壤，它们修复的规模较小、治理周期比较短，但是会对土壤结构和土壤微生态产生影响，还可能造成二次污染。生物方法产生二次污染的可能性较小、经济成本低，因此也被广为接受。
2 生物质炭的性质
2.1 比表面积
生物质炭表面疏松多孔，可以有效吸收废弃物。研究显示，生物质炭的比表面积与温度有关：裂解温度越高，比表面积越大。活化也可以增加生物质炭的比表面积，增强生物质炭的吸收能力。例如，氧化后的生物质炭，在吸水能力和保持养分能力上都有所提升。
2.2 表面官能团
生物质炭表面有丰富的官能团，如羰基、羧基、酸酐、内酯及酚羟基等，这些官能团增强了生物质炭的吸附性能。研究显示，官能团越丰富，生物质炭的吸水性能越好。随着温度的升高，生物质炭表面的官能团活性会下降，进而导致其产生较低的电荷量，最终使得其保水性能和吸收性能下降[2]。例如，当秸秆碳的裂解温度不断上升，达到650 ℃时，土壤的饱水率也会随之下降。另外，官能团再次氧化后，可以产生更多官能团，进而增加生物质炭的吸收量。
2.3 表面结构
生物质炭的表面结构呈多孔状，这种多孔的表面结构使其具有较大的比表面积，也使其具有较强的吸附性能。从化学微结构层面观察，其表面多为扭曲的芳香环片层，且呈现密集堆积状态。使用红外光谱观察生物质炭的表面结构发现，羧基、羟基芳香性官能团是其典型结构。生物质炭以稳定的芳香化结构呈现，因此生物质炭状态较为稳定。应用于土壤污染治理，生物质炭不容易被微生物降解，所以可以高效率地吸收土壤中的污染物质，还可以通过吸收空气中的氧气，提高土壤的含氧量。
2.4 表面性质
2.4.1 元素组成
制备生物质炭的原材料性质决定了生物质炭的组成元素。总体来说，生物质炭的主要组成元素为氧、碳、氮等，其中碳元素分布最广泛[3]，通常生物质炭的60%组成元素都是碳。除了上述3种元素，生物质炭中还富含微量的金属氧化物，如Fe3O4、ZnO、MnO2等。这些物质的构成比例，主要取决于制备生物质炭的裂解温度，裂解温度越高，其碳含量越高，氧、氮的含量越低。
2.4.2 pH值
生物质炭通常呈碱性，其碳酸盐含量越高，pH值越大[4]。生物质炭的制备原材料对其pH值具有重要影响，原材料的碱性越强，生物质炭的碱性就越强，如农村农作物秸秆的碱性比禽畜粪便的碱性弱，所以农作物秸秆制成的生物质炭碱性也比禽畜粪便制成的生物质炭碱性弱。
2.4.3 表面交换性能
生物质炭可以改变土壤的土壤阳离子交换量（Cation Exchange Capacity，CEC），进而增强土壤肥力。CEC值由土壤表面所带的负电荷量决定，负电荷量越多，CEC值越大，则土壤肥力越强。例如，土壤有机胶体的CEC值介于100～300 cmol（+）·kg-1，而无机胶体的CEC值则低。生物质炭具有较高的CEC值，所以它可以改善土壤质量。另外，生物质炭被微生物氧化，氧化后的表面部分也可以融入土壤中，提升土壤的质量。
3 土壤重金属污染物治理中使用生物质炭的策略
3.1 生物质炭与植物修复法结合使用
将生物质炭与植被修复法结合使用，可以增强土壤重金属污染物治理效果。生物质炭致密的孔隙结构和其表面带电官能团，均能对土壤中的重金属有一定的吸附和固化作用，而植物修复只是通过根系完成此过程。植物修复过程比较缓慢，其见效时间长，而生物质炭则可以起到催化剂的作用。添加生物质炭后，土壤肥力增强，土壤中微生物的活性增加，促进植物根系生长，最终使得植物修复效率提升。这两种修复方法混合使用，是当前土壤重金属污染物治理的重要方法[5]。
3.2 化学淋洗法与生物质炭修复法结合使用
化学淋洗是治理重金属污染物的重要方式，淋洗液可以与土壤中的重金属发生化学反应，进而将重金属固化或者转化成其他对人体不产生危害的物质。吸附或固化过程结束后，将淋洗液回收，使用生物质炭吸附淋洗液中的重金属污染物质，淋洗液即可重复使用，多次循环后，土壤中的重金属含量将大大降低[6]。化学淋洗法操作简单，适用于大规模的土壤污染治理工程。化学淋洗液具有一定的污染性质，如果操作不當，很可能使得土壤遭受二次污染，因此如何选取高效的化学淋洗液也是化学土壤治理工作中需要研究的重要问题。例如，治理砷金属污染，在土壤中加入FeO的效果比较明显。 3.3 应用于改良土壤性能
生物质炭表面具有大量的孔隙，可以吸收空气中的氧气。又由于生物质炭表面附着有大量带负电荷的官能团，所以在土壤中加入生物质炭可以加速土壤中的微生物繁殖活动，改变土壤的酸碱性质，提升土壤肥力，并增强土壤的保水性能。生物质炭呈碱性，它在吸收重金属后可以将其转化为碳酸盐、硝酸盐等，使得重金属物质被固化，既降低了土壤中的重金属含量，也保持了土壤的性质和肥力[7]。
4 结语
随着土壤污染问题越来越严重，各部门都在积极寻找治理土壤污染的方法。而随着科学技术的发展，特别是生物学的发展，生物处理技术以其高效、不会导致二次污染的优势，受到了土壤污染治理行业的关注。近几年，生物治理法在土壤修复工作中应用越来越广泛。生物质炭作为生物治理方法中的一种新方法，以其独特的优势在土壤重金属治理中发挥了重要作用。生物质炭用于污染土壤修复领域有着巨大的潜力，但由于目前的相关研究仅限于室内的短期盆栽或室内培养上，如何长期应用在田间试验还有待进一步研究。另外，使用绿色环保的生物质炭作为吸附材料添加到土壤中来吸附重金属污染物，既能保障粮食安全，也能提升附体废弃物的利用率，如何结合土壤污染类型、污染程度和治理工作量来选择最为合适的生物质炭以达到高效稳定的修复效果，将是土壤修复的未来研究方向。
参考文献：
[1] 孙康，缪存标，何跃.生物质炭在重金属污染土壤修复中的应用研究现状[J].生物质化学工程，2017（4）：66-74.
[2] 王静，牟珍珍，雷玛特，等.生物质炭对重金属污染土壤修复的研究进展[J].湖北农业科学，2018（14）：71-87.
[3] 曹勤英，黄志宏.污染土壤重金属形态分析及其影响因素研究进展[J].生态科学，2017，36（6）：222-232.
[4] 汪宜敏，唐豆豆，张晓辉.玉米秸秆炭对红壤镉吸附及养分含量、赋存形态的影响[J].农业环境科学学报，2017，36（12）：2445-2452.
[5] 赵青青，王海波，史静.生物质炭对Cd污染土壤根基为团聚体Cd形态转化的影响[J].环境科学研究，2018，31（3）：555-561.
[6] 王艷伟，李书鹏，康绍果，等.中国工业污染场地修复发展状况分析[J].环境工程，2017，35（10）：175-178.
[7] 彭钱梅，黄运湘.生物质炭表面特性及其对土壤重金属污染的修复效应[J].湖南农业科学，2019（1）：105-109.
[8] 邹力熒，余江涛.改性生物质炭对重金属Cd的吸附作用研究进展[J].应用化工，2019，48（10）：2495-2498.
（责任编辑：赵中正）