生物質活性炭在污染土壤修復中的應用及穩定性研究進展

趙秀云+文貞+張楨超+劉玉真

摘要：指出了生物質活性炭具有較大的比表面積、豐富的孔隙結構、好的持水性和較強的吸附性，在土壤污染修復中得到廣泛的應用，但其作為重金屬污染土壤鈍化修復的理想鈍化劑，施入到土壤中是否具有較高的穩定性，是其推廣應用的前提。因此生物質活性炭的穩定性成為土壤學和環境科學領域研究的熱點。綜述了生物質活性炭在土壤重金屬污染修復中的應用，總結了生物質活性炭在土壤中穩定性的研究現狀，以期為生物質活性炭在環境污染修復尤其土壤重金屬污染修復中的應用提供參考。

關鍵詞：生物質活性炭；土壤；重金屬；穩定性

中圖分類號：X712

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0088-03

1 引言

我國人口不斷增加，經濟迅速發展，人類賴以生存的土地資源受到越來越嚴重的污染[1～3]。尤其重金屬污染已成為我國污染面積廣、危害大的環境問題之一[4，5]。另外，我國集約化養殖規模不斷擴大，含 Zn、As、Cu 較高的部分畜禽糞便施入土壤，再加上重金屬難以降解，因此，重金屬在土壤中出現了較明顯的累積現象[6]。由此可見，目前我國土壤重金屬污染已比較嚴重，且低、中濃度重金屬污染土壤面積所占比例較大，日益加劇的污染趨勢可能還要持續很多年。重金屬污染土壤的修復方法較多，均有各自的優缺點。在眾多的修復方法中，原位鈍化技術修復重金屬污染土壤是一種較經濟、實用的技術[7]，它適合中、低濃度重金屬污染土壤的修復和同時由兩種及以上重金屬復合污染土壤的修復，原位鈍化技術，通過向土壤中施加鈍化劑，能夠在一定的時間內降低土壤重金屬濃度，減少重金屬向植物中的遷移，因此，此技術在將來土壤重金屬污染修復，尤其是由于農業活動引起的低、中濃度農田重金屬污染的修復中具有廣泛的應用前景。

原位鈍化技術修復重金屬污染土壤時，需要一種性能優良的鈍化材料。生物質活性炭是由生物質在高溫缺氧條件下裂解生成的，其表面含有-COOH等酸性含氧官能團[8]，具有較大的比表面積[9]，對重金屬具有較強的吸附能力，有眾多研究者將生物質活性炭應用于重金屬污染土壤的原位修復中[10]。但生物質活性炭鈍化重金屬后是否因自身的氧化或降解而將重金屬釋放出來，造成二次污染，是生物質活性炭修復重金屬污染土壤的關鍵。筆者綜述了生物質活性炭在土壤污染修復中的應用，總結了其在土壤中降解和氧化影響其穩定性的研究現狀，以期為生物質活性炭在土壤污染修復中的應用提供依據。

2 生物質活性炭在重金屬土壤污染修復中的應用

生物質活性炭，由于具有巨大的比表面積，表面含有豐富的活性官能團，帶有大量負電荷，對重金屬有較強的吸附能力，可以被用作長效土壤改良劑[11]。研究表明，其可降低Cd、Cu、Pb和Zn等重金屬有效態含量，減少重金屬向植物中的遷移[12～14]。另外，土壤中添加零價鐵改性秸稈生物質炭，對土壤中Cr（VI）和總Cr的固定率分別達到100%和91.4%[15]；生物質活性炭添加到土壤中，能夠增加土壤的空隙度，提高土壤的持水性和土壤陽離子交換容量，改良了土壤性質，提高了土壤養分，提高土壤微生物功能多樣性[16，17]。因此，生物質活性炭應用于鈍化修復重金屬污染的土壤具有廣泛的應用前景。

3 生物質活性炭鈍化壤中重金屬的機制

研究表明不同的重金屬離子在生物質活性炭上的吸附機制十分復雜，主要為靜電吸附、表面絡合反應和表面沉淀等多種機制[12，17]，且生物質活性炭的特性（制備溫度、比表面積、表面官能團含量）、溶液的性質（離子強度、溫度、pH）、重金屬離子的特性等可影響生物質活性炭對重金屬的吸附能力和吸附穩定性。綜合已有研究，生物質活性炭對土壤中重金屬離子的作用機制主要有以下幾個方面。

（1）表面吸附作用。生物質活性炭具有發達的空隙和巨大的比表面積[18]，為重金屬離子提供了存在的空間，土壤中重金屬離子較易遷移到其表面，降低土壤中重金屬離子的生物可利用性；同時，生物質活性炭為微生物附著和生長提供了良好的環境，能夠充分發揮微生物對污染物的分解作用，修復污染土壤[19]。

（2）化學沉淀反應。生物質活性炭的主要組成成分是灰分和有機碳，其中灰分中含有的P03-4、CO2-3等可溶性鹽離子能夠和土壤中的重金屬離子反應生成沉淀，從而將污染物固化；生物質活性炭含有的CO2-3和表面含氧官能團都顯堿性，對土壤的pH有一定的緩沖能力，可以提高其pH值，使其中某些交換性或可溶性重金屬含量降低[20]。

（3）絡合反應。生物質活性炭表面含有豐富的-COOH、-OH和-CHO等含氧官能團[21]，這些官能團不僅能夠氧化土壤中有機污染物和病原微生物，還能與重金屬離子發生絡合反應，生成絡合物，提高生物質活性炭的吸附能力[22]。

（4）靜電吸附作用。由于表面活性基團的存在，生物質活性炭表面帶有負電荷[23]，因而具有較高的陽離子交換能力，生物質活性炭通過靜電吸附作用而降低土壤中重金屬離子的活性。

4 生物質活性炭的穩定性研究

土壤生物質活性炭的穩定性眾說紛紜。有研究認為外加的生物質活性炭由于具有高度的芳香結構[24]，在土壤中具有高度的化學和生物學穩性，非常耐降解。然而，生物質活性炭在環境中存留的持久性并不意味著其在土壤環境中保持不變[25，26]，有研究認為黑碳降解的時間尺度約為數千年[27]，也有研究表明黑碳降解時間尺度可短至數十年[28]，但已有研究[29]表明生物質活性炭進入土壤后，其元素組成和表面化學性質可能發生較大的變化，這些變化都可能影響生物質活性炭對重金屬的鈍化穩定性。隨著土壤條件的變化和時間的推移，土壤中生物質活性炭有氧化和降解的可能性，生物質活性炭作為土壤重金屬的鈍化劑，其本身的化學穩定性和生物穩定性決定了其對重金屬鈍化的穩定性，也關系到其吸附鈍化后的重金屬能否重新釋放到土壤中，是探討生物質活性炭環境風險的理論依據。

5 展望

生物質活性炭應用于鈍化修復重金屬污染土壤的研究剛剛起步，有研究表明生物質活性炭已應用于重金屬污染土壤的修復中，但其吸附和鈍化的重金屬在特定條件下能否重新釋放出來，鮮有報道。因此，下一步需要弄清生物質活性炭在土壤中的生物、化學氧化穩定性和對重金屬的吸附穩定性，明確吸附鈍化后的重金屬重新釋放的可能性，為生物質活性炭鈍化修復重金屬污染土壤技術應用的可行性提供技術依據。

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