污泥生物炭作为土壤改良剂的研究进展与展望_王芷馨.pdf

摘要：用污水污泥生产生物炭并应用于土壤改良，是一种经济有效的土壤修复方法，具有提高土壤肥力、固定重金属、增加土壤生物量等效果。为了深入评估污水污泥基生物炭在土壤应用中的可行性，论述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理化性质、重金属污染及有机物污染等方面的作用，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和土壤修复具有现实意义。关键词：污泥生物炭；生产工艺；土壤修复；环境风险Abstract：Producing biochar from sewage sludge and applying it to soil improvement is an economic and effective soilremediation method，which has the effects of improving soil fertility，immobilizing heavy metals，increasing soilbiomass，etc.In order to deeply evaluate the feasibility of sewage sludge based biochar in soil application，this paperdiscusses the preparation methods and properties of sludge biochar，discusses the effects of sludge biochar on soilphysical and chemical properties，heavy metal pollution and organic pollution after it is applied to soil，and analyzesthe feasibility and potential dangers of sludge biochar as a soil conditioner，and then looks forward to the research andapplication direction of sludge biochar，it has an important practical significance for promoting sludge resourceutilization and soil remediation.Key words：sludge biochar；production technology；soil remediation；environmental risk中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：16741021（2023）050029-051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21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 3001 000，可将污水污泥转化为固定碳、灰分、生物油、可燃气体和水蒸收稿日期：2023-01-13；修订日期：2023-05-12。作者简介：王芷馨，女，1998 年生，硕士研究生，主要研究方向为固体废弃物资源化等。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）29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（3001 000，1 h）、微波裂解法（03300 GHz）、烘焙法（200300，1060 min）、气化法（700）和水热碳化法（180250 和 14 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 300700 的温度范围内缓慢热解，加热速率为 0110/s，可产生大量的生物炭。相比之下，快速热解过程在 400600 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。22影响污泥生物炭质量的因素221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。222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（5001 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 400700 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。223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 CO 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。31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。32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30环境保护与循环经济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 24倍与 25 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 85 倍。即使在前 2 个种植季，土壤有效磷仍维持在 74 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 NH4N/NH3N 的吸附和降低 NH3挥发方面发挥了更重要的作用。33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（）水平，还可以将土壤中的 As（）氧化为流动性较差的 As（）。34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。Zieliska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。35调节土壤pH生物炭的 pH 在 412 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 459 增加到 486。Hossain 等29研究发现，生物炭可使土壤 pH 从 43 增加到 46，且使农作物的产量提高 64。36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 6677，表明如果直接应用于环境，土壤和水受污染的环境风险（RI600）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（1091）才达到低潜在生态风险（RI150）。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，31因此在将生物炭添加到土壤中后可能会造成环境影响。Mndez 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 1516 倍，Ni含量高出 3035 倍，Pb 含量高出 1618 倍，Zn 含量高出 1215 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 712。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 1040 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。参考文献1 Xingdong Wang，Chunxing Li，Bin Zhang，et al.Migration andrisk assessment of heavy metals in sewage sludge duringhydrothermaltreatmentcombinedwithpyrolysis J .BioresourceTechnology，2016，221：5605672 Csar Plaza，Beatrice Giannetta，Jos M Fernndez，et al.Response of different soil organic matter pools to biocharandorganicfertilizersJ.Agriculture，EcosystemsandEnvironment，2016，225：1501593 Wenfu Chen，Jun Meng，Xiaori Han，et al.Past，present，andfuture of biochar J.Biochar，2019，1（1）：75874 Yi di Chen，Rupeng Wang，Xiaoguang Duan，et al.Production，properties，andcatalyticapplicationsofsludgederivedbiochar for environmental remediation J.Water Research，2020，187：1163905 De chang Li，Hong Jiang.The thermochemical conversion ofnonlignocellulosic biomass to form biochar：A review oncharacterizations and mechanism elucidation J.BioresourceTechnology，2017，246：57686 张标，陈丽莹，韩兰芳，等改性生物质炭钝化修复土壤重金属污染的研究进展 J 环境化学，2021，40（9）：269327037 李艳玲，卓振，池亮，等氮掺杂生物炭的制备与应用研究进展 J/OL 化工进展：1-14.（20221229）20230129 https：/doiorg/1016085/jissn10006613202215638 Mi Li，Yuanyuan Tang，Nana Ren，et al.Effect ofmineralconstituents on temperaturedependent structuralcharacterization of carbon fractions in sewage sludgederivedbiochar J.Journal of Cleaner Production，2018，172：334233509 Haoran Yuan，Tao Lu，Hongyu Huang，et al.Influence ofpyrolysis temperature on physical and chemical properties ofbiochar made from sewage sludge J.Journal of Analyticaland Applied Pyrolysis，2015，112：28428910 Banik Chumki，Lawrinenko Michael，Bakshi Santanu，et al.Impact of Pyrolysis Temperature and Feedstock on SurfaceCharge and Functional Group Chemistry of BiocharsJ.Journal of environmental quality，2018，47（3）：45246111 Gyanendra Kharel，Oumar Sacko，Xu Feng，et al.BiocharSurfaceOxygenationbyOzonizationforSuperHighCation Exchange Capacity J.ACS Sustainable Chemistry Engineering，2019，7（19）：164101641812 梅艳阳，张世鹏，邵水军，等温度对玉米秆烘焙及热解的影响 J 太阳能学报，2022，43（9）：36336813 陈晨，李方敏，杨利，等不同类型生物炭对稻田镉污染修复的机制与应用 J 环境化学，2022，41（12）：4165417914 David A Laird，Pierce Fleming，Dedrick D Davis，et al.Impact of biochar amendments on the quality of a typicalMidwestern agricultural soilJ.Geoderma，2010，158（3）：44344915 Hamze Dokoohaki，Fernando E Miguez，David Laird，et al.Assessing the Biochar Effects on Selected Physical Propertiesof a Sandy Soil：An Analytical Approach J.Communicationsin Soil Science and Plant Analysis，2017，48（12）：1387139816 Frank G A Verheijen，Anna Zhuravel，Flvio C Silva，et al.The influence of biochar particle size and concentration on32环境保护与循环经济bulk density and maximum water holding capacity of sandyvs sandy loam soil in a column experiment J.Geoderma，2019，347：19420217 Yan Yue，Liu Cui，Qimei Lin，et al.Efficiency of sewagesludge biochar in improving urban soil properties andpromoting grass growth J.Chemosphere，2017，173：55155618 Julie Major，Marco Rondon，Diego Molina，et al.Maize yieldand nutrition during 4 years after biochar application to aColombian savanna oxisol J.Plant and Soil，2010，333（1/2）：11712819 Ccero Clio de Figueiredo，Thamires Dutra Pinheiro，LuizEduardo Zacanaro de Oliveira，et al.Direct and residualeffect of biochar derived from biosolids on soil phosphoruspools：A fouryear field assessment J.Science of the TotalEnvironment，2020，739：14001320 Chen C R，Phillips I R，Condron L M，et al.Impacts ofgreenwaste biochar on ammonia volatilisation from bauxiteprocessing residue sand J.Plant and Soil，2013，367（1/2）：30131221 Xing Jia，Xu Guoren，Li Guibai.Comparison of pyrolysisprocess，various fractions and potential soil applicationsbetween sewage sludgebased biochars and lignocellulosebased biochars J.Ecotoxicology and Environmental Safety，2021，208：11175622 Maria Isidoria Silva Gonzaga，Cheryl Mackowiak，AndrQuint伢 o de Almeida，et al.Assessing biochar applicationsandrepeatedBrassicajunceaL.productioncyclestoremediate Cu contaminated soil J.Chemosphere，2018，201：27828523 Erkai He，Yuxi Yang，Zibo Xu，et al.Two years of aginginfluences the distribution and lability of metal（loid）s ina contaminated soil amended with different biocharsJ.Science of the Total Environment，2019，673：24525324 Shenen Fang，Daniel C W Tsang，Fengsha Zhou，et al.Stabilization of cationic and anionic metal species incontaminatedsoilsusingsludgederivedbiocharJ.Chemosphere，2016，149：26327125 丁娜娜，梁锦华，乌兰，等生物质炭的制备及其在吸附中的应用 J 分析测试技术与仪器，2022，28（4）：36337426 AnnaZieliska，PatrykOleszczuk.Bioavailabilityandbioaccessibility of polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs）in historically contaminated soils after lab incubation withsewage sludgederived biochars J.Chemosphere，2016，163：48048927 JianfengTang，XinhuLi，YanLuo，etal.Spectroscopiccharacterization of dissolved organic matter derived fromdifferent biochars and their polycylic aromatic hydrocarbons（PAHs）binding affinity J.Chemosphere，2016，152：39940628 Shaun Nielsen，Stephen Joseph，Jun Ye，et al.Cropseasonandresidualeffectsofsequentiallyappliedmineralenhanced biochar and N fertiliser oncropyield，soilchemistryandmicrobialcommunitiesJ.Agriculture，Ecosystems and Environment，2018，255：526129 Mustafa K Hossain，Vladimir Strezov，K Yin Chan，et al.Agronomic properties of wastewater sludge biochar andbioavailability of metals in production of cherry tomato（Lycopersicon esculentum）J.Chemosphere，2010，78（9）：1167117130 姚丽茹，李伟，朱员正，等施用生物炭对麦田土壤细菌群落多样性和冬小麦生长的影响 J/OL 环境科学：1-15.（2022 09 20）2023 01 13 https：/doiorg/1013227/jhjkx20220712531 吴敏，施柯廷，陈全，等有机污染土壤生物修复效果的限制因素及提升措施 J 农业环境科学学报，2022，41（5）：91993232 Vineeta Pandey，Anju Patel，D D Patra.Biochar amelioratescrop productivity，soil fertility，essential oil yield and aromaprofilinginbasil（Ocimum basilicum L）J.EcologicalEngineering，2016，90：36136633 JufengZheng，JunhuiChen，GenxingPan，etal.Biochardecreasedmicrobialmetabolicquotientandshiftedcommunitycomposition four years after a single incorporation in aslightly acid rice paddy from southwest China J.Science ofthe Total Environment，2016，571：20621734 Christina L M Khodadad，Andrew R Zimmerman，Stefan JGreen，et al.Taxa specificchangesinsoilmicrobialcommunitycompositioninducedbypyrogeniccarbonamendments J.Soil Biology and Biochemistry，2011，43（2）：38539235 马若君，贾宏宇，杜一，等污泥基生物炭重金属风险评价及对黑麦草生长的影响 J 生态与农村环境学报，2022，38（6）：802809.36 谭春玲，刘洋，黄雪刚，等生物炭对土壤微生物代谢活动的影响 J 中国生态农业学报（中英文），2022，30（3）：33334237 Junwei Jin，Minyan Wang，Yucheng Cao，et al.Cumulativeeffects of bamboo sawdust addition on pyrolysis of sewagesludge：Biochar properties and environmental risk frommetals J.Bioresource Technology，2017，228：21822638 A Mndez，A Gmez，J PazFerreiro，et al.Effects of sewagesludge biochar on plant metal availability after applicationto a Mediterranean soilJ.Chemosphere，2012，89（11）：1354135939 Jos M De la Rosa，Marina Paneque，Isabel Hilber，et al.Assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons in biocharand biocharamended agricultural soil from Southern SpainJ.Journal of soil sediments，2016，16（2）：55756533