生物炭对污染土壤的修复及作用机理研究

1、生物炭对污染土壤的修复及作用机理研究摘要：生物炭作为一个一种土壤改良剂，在应用的过程中不仅能够减少温室气体的排放，而且还能够改良土壤理化和生物性状，降低土壤中污染物质的含量、排解土壤中的毒性，从而实现对土壤的修复。文章在阐述土壤污染情况和生物炭内涵、特点、性质、材料、制备方法的基础上，结合各个文献报道的内容具体分析生物炭对污染土壤的修复方法，旨在为相关人员对生物炭的研究提供更多支持。AbstractsBiocharasasoilconditioner,aintheprocessofapplicationcannotonlyreducegreenhousegasemissions,butalso

2、canimprovesoilphysicalandchemicalandbiologicalproperties,reducecontentofpollutantsinthesoil,toeliminatetoxicityinthesoil,soastorealizetherestorationofsoil.Articlesonsoilpollutionandbiocharconnotation,characteristics,properties,thematerial,thepreparationmethods,onthebasisofcombiningtheliteraturerepor

3、tsthecontentoftheconcreteanalysisofbiocharrepairmethodsforcontaminatedsoil,torelevantpersonneltoprovidemoresupportforbiocharresearch.关键词：生物炭；污染土壤；修复；作用机理；研究引入：目前土壤污染状况，来自公报，生物炭对污染土壤的修复作用（概述）从全国土壤污染状况调查公报的全国土壤污染状况调查了解到全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量较差，加上频繁的农业活动、工业活动等也加重了土壤污染现象的发生。从土壤污染分布的情况来看南方土壤污

4、染重于北方，重工业地区工业废弃地、工业废弃地、公园园区污染比一般地区的污染严重，土壤污染中镉、汞、神、铜、铅、铭、锌、馍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。在这样的发展背景下，怎样控制和治理土壤污染，特别是重金属污染成为相关人们需要思考的问题。经过学者的调查研究发现生物炭能够有效缓解土壤中的重金属污染问题。生物炭是指生物残渣在低氧的状态下进行燃烧，燃烧之后形成多孔结构、低密度碳材料，从而使得生物炭具有不同的理化特点，能够对土壤中的酸碱环境、重金属污染问题进行改良、修复。为了更好的了解生物炭在土壤修复中的作用，加强人们对生

5、物炭在防止土壤重金属污染中作用的认识，文章在介绍生物炭性质、属性、制备等基础上，对生物炭在影响土壤理化性质、酸碱值、阳离子交换量、养分、污染转移、微生物群落等方面问题进行探究。一、生物炭概述（一）内涵和制备通过一系列的热解生物炭是指厌氧、绝氧等人工控制条件下对植物生物进行热解操作,操作最终获得二氧化碳、可燃性气体、挥发性油类、含碳丰富芳香环分子结构和多孔特点的固体物质。在生物炭制备的过程中需要应用多种技术设备，包括干烘、慢速热解、中速热解、气化、水热碳化等。热解技术能够根据热解温度和停留的时间来进行划分操作，慢速热解则是个持续操作的过程，快速热解深受快速转移加热操作的影响。热解内容的不同深刻影

6、响生物炭的产品属性。挥发物体和气体在炉内的移动速度决定了水蒸气的停留时间，在长时间的停留下会引发第二次反应，具体表现为生物炭表现出现焦油和焦油碳化的现象。热解气化是指生物质源在大气800摄氏度的环境下经过加压操作被再次氧化，在热解气化操作的过程中会从产生各种气体和少量的生物炭。水热碳化是在200-250摄氏度的环境下生物质高气压悬浮在液体中数较小的时候出现固体、液体和气体物质。热解操作的时候随着温度和缺氧状态的变化生物炭的结构也会相应的发生变化，具体表现为随着碳化温度的升高产生相应的芳香环结构。小的芳香单元在分解操作的时候会形成较大的结合层，木炭在200摄氏度到300摄氏度的时候会出现快速下降

7、的现象，木炭的产量在400摄氏度的温度环境下达到温度的装填。不同类型热解生物质产物情况如表一所示。表一：不同类型热解生物质产物情况Ml-就啊生助M煦用出土性却喘看牛t今成，牛.KLHU电阳水#再任耳目向短75：2im中Bfc卷、恻水理宣瞥管若司相任SI1535比上,艰不邂虫停用归同矶*:若太守F"七.眺本瑞丁,伴单M商长3到一瓢工,一方开nnA3M-IS0V,阵段时间小T3"而*T叫*国力MIA郭（二）生物炭的性质生物炭原料和热解温度、时间等对生物炭的性质有着十分重要的影响，具体表现在以下几个方面：第一，碱性。受生物质种类和热解参数差异的影响，生物炭的酸碱值一般被控制在4-

8、12,且这种酸碱值会随着热解温度的升高而增加。畜禽类的粪便在灰分含量较高的情况下制备出来的生物炭也具有很高的酸碱值，相应的豆科植物秸秆制备生物炭酸碱值碱性含量也会增加，与之相对的是稻壳和麦秸生物炭的酸碱值和碱性含量值也会降低。在热解温度的升高下高碳酸盐的总体含量也会增加，生物炭的碱性相应的增加。这些官能在酸碱值较高-.-.*-.-.-的情况下能够以阴离子的形态存在，并和H发生缔合反应，使得生物炭具备石灰效应，增强其改良酸性土壤的潜力。第二，比表面积。生物炭的比表面积会随着热解温度的变化发生相应的变化，在这个过程中生物炭的比表面积也会相应的增加。第三，表面功能基团。生物质的前处理和热解操作能够在

9、一定程度上改变生物碳的表面功能。在热解温度的升高下，生物炭表面OH、CH2、芳香环也会发生相应的变化。第三，CRC生物质在一定的温度范围内得到的生物炭具有很大的CEC值，特另J是在400摄氏度的环境下获得的CEC值会增加，但是随着温度的提升，CEC的数值会相应的降低。第四，元素组成。生物炭元素的组成深受热解温度、生物物质种类等因素的影响。经过一系列元素分析结果证明，在温度是150-500摄氏度的时候，能够反映芳构化程度的H/C摩尔比速度会快速的减少，在500-700摄氏度的时候，H/C摩尔比会缓慢的减少。在这个过程中，生物炭中的C、P和矿物质元素也会实现进一步的富集，含量由多到少分别是畜禽粪便

10、、草本植物、木本植物，粪便生物炭和植物废弃物生物炭对土壤改良起到了十分重要的改良作用，但是不能将其作为一种单独的肥料来使用。第五，稳定性。生物炭具有很强的稳定性特点，将生物炭施加到土壤中过程中留存的时间要一般的植物残体长，加上生物炭本身有效性的特点，人们在应用生物炭的时候需要加强对其稳定性特点的认识。二、生物炭.对土壤的修复作用（一）生物炭对土壤理化性质的影响1、土壤容重、毛管含水量、总空隙土壤容重、毛管含水量、总空隙等是土壤物理特性的重要指标，经过实践研究证明生物炭的应用能够在一定程度上降低土壤的容重和密度，使得土壤的应用保持一定的水分。土壤中的毛管空隙深刻影响土壤存水能力，且毛管的空隙度越

11、高，土壤通气性表现越差，土壤的饱和导水率也会相应的减少。毛管水量的提升能够增加土壤的蓄水量，有效保证土壤中的水分含量。生物炭的是应用能够改变土壤中的孔隙情况，在应用生物炭之后的土壤容量降低了9%,改变了土壤的性质。2、土壤酸碱值和阳离子交换量土壤的化学性质体现在土壤的酸碱值、CEC饱和度上。经过实践证明土壤的酸碱值直接影响土壤的养分，基于大多数的生物炭是碱性的，在这些生物炭中添加生物炭能够有效提升土壤的酸碱值。其中，在土壤酸碱值是6.4-10.4之间的时候，在土壤中添加非豆科类的植物生物炭能够在两个月的时间内提升0.7个单位的土壤酸碱值。由此证明了含有盐基离子的生物炭的应用能够有效提升土壤的酸

12、碱值。CEC离子交换量是评价土壤肥力的重要指标，也是土壤团聚体形成的重要物质，代表了土壤团粒结构和土壤养分能力特性。经过实践研究证明，将生物炭施加到土壤中之后，CEC提升了20%,因此证明生物炭的添加有效提升了土壤中的CEC交换量，对沉淀土壤中的有害杂质起到了十分重要的作用。在土壤中加入生物炭还能够有效降解除草剂，实现不同程度土壤离子的交换。经过实验操作进一步验证了和土壤的有机质相比，生物炭只能够进行较低的阳离子交换量操作，且在土壤有机物大量分解和表面积增加的情况下，土壤CEC也会呈现出下降的发展趋势。3、土壤养分生物炭在土壤中的应用能够有效提升土壤的养分，促进农作物的生长，扩大农业发展产量土

13、壤中生物炭对农作物产量的影响具体如表二所示。表二：生物炭对农作物产量的影响作物施用生物炭的含量生物量萝卜10产量增加42%水稻11产量增加33.21%小麦20产量增力口56.2%水稻炭土比例1:100根冠比提升25.05%牧草50干重提升34.9%水稻和高粱11四个生长季产量累计增加了75%（二）生物炭改变土壤中污染物的稳定性生物炭在添加到土壤中之后，生物炭的表面含有基团结构，同时含有了不同种类、丰度的基团结构，且这些结构大多是氧官能团，包括OH、COQCOOH,这些含氧官能团产生的表面负电荷能够让生物炭具备较高的CEC交换量，从而更好的吸附土壤中浓度金属离子，使得土壤中的污染物变得更加稳定。

14、另外，在生物炭生成发展的过程中，对表层中的一些金属离子进行研究发现植物生物炭中含有一定数量的等离子，这些等离子在热解操作的过程中会和生物炭的表层碱基浓缩，从而使得等离子的含量超过一些重金属元素，由此使得土壤中形成稳定的化合物。将生物炭施加到土壤中之后，生物炭代表表面基团结构能够和土壤中的离子发生反应，呈现出水溶性、变换态、碳酸盐结合态的特点。（三）生物炭改变污染物等迁移转化行为生物炭的应用能够在一定程度上改变污染物的迁移转换行为，在这个过程中生物炭是作为土壤修复改良剂存在的，能够对土壤中的重金属元素进行吸附，生物炭融入到土壤中之后，土壤表面功能基团能够和表层的离子发生一系列氧化还原反应，由此影

15、响到土壤污染物的迁移和转化变化。经过实践研究证明，骨炭这一类型生物炭能够影响土壤中的重金属化学形态，在一定程度上降低重金属的移动性。土壤重金属形态变化受生物炭表层含氧官能团离子交换的影响，其中，水稻秸秆生物炭在不同热解度下对土壤中重金属Pb2的最大吸收量会随着温度的增加而增加，甚至能够达到原有秸秆生物质的五倍到六倍、活性炭的二倍到三倍。（四）生物炭影响土壤的微生物群落在生化循环操作的过程中，微生物在土壤分解生态系统中发挥了十分重要的作用，一般体现在物质能量交换和能量流动实现两个方面。微生物深刻影响着土壤的稳定性、透气性和循环性。将生物炭施加到受重金属污染的土壤中能够促进土壤健康生长，提升各类微

16、生物的降解速度，促进植物的成长发展。三、生物炭对污染土壤的修复作用机理（一）生物炭制备、试剂、仪器的选择试验的土壤是某电镀厂清理挖掘的重度污染土壤，应用四分法来获取采样土壤，将土壤放入到250ml的含有四氟乙烯衬垫的玻璃瓶中。土壤在实验室的环境下自然风干，应用木棒敲碎土壤，用玛瑙研钵碾磨过0.25mm孔径筛备用，土壤的重金属含量内容和范围分别是铜0-9460mg.kg-1,铭0-18100mgkg-1,馍0-1130mg*kg-1,锌0-720mgkg-1。试验土壤理化性质是粉黏壤，粉黏壤的酸碱值是6.1,有机质的含量是5.55gkg-1。生物炭的制备及其表征如上文叙述。试验试剂包括供试淋洗剂

17、：去离子水、草酸、乙酸！、柠檬酸和盐酸，都是分析纯。试剂：硝酸、氢氟酸和醋酸等，均为分析纯。仪器是AA800型原子吸收分光光度计、微波消解仪、CR21G低温高速离心机等。（二）试验方法第一，固化试验。将六份100g土样放置到器皿中，称取不同量的生物炭和100g土壤混合均匀搅拌，将试剂平行操作，将培养皿置于25摄氏度的人工气候箱中，向培养皿喷入一定量的蒸储水，使得土壤的含水量保持在70%左右。这样操作每天进行一次，在一个礼拜之后将土壤自行晾干，通过0.25的孔径来对土壤的理化指标、重金属含量和形态进行分析。第二，土壤酸碱值。将获取的10g样本放在离心管中，去掉二氧化眼水25ml,应用搅拌器搅拌一

18、分钟，分散土壤颗粒，放置半个小时时候进行测定分析。将酸碱计校准之后将电极插入试样悬液中，按下读数开关，等待一段时间之后记录酸碱值。第三，重金属全量测定。将0.2g试样和国家标准土壤样品放在微波消解罐中，加入适量的溶剂按照一定升温程序进行消解，之后将消解的物体放到200摄氏度的电热板上，应用AA800型原子吸收分光光度计测定重金属全量。（三）结论第一，添加生物炭对土壤酸碱值的影响。土壤酸碱值影响重金属在土壤中的溶解度及土壤胶体电荷来影响土壤重金属的形态分布，能够和碳表面的电荷产生吸附作用，和生物炭表面官能团形成特定的金属配合物。生物炭添加量为0、10、30、50对应的土壤酸碱值分别是6.42&#

19、177;0.04、6.39±0.06、6.59±0.03、6.77±0.02,差异显著性，随添加量增加，土壤酸碱值显著上升。第二，添加生物炭对土壤中铜形态的影响。不同生物炭添加量对土壤中各形态铜含量的影响如图一所示。添加生物炭后，土壤中各形态铜含量由高到低分别是残渣态、有机态、碳酸盐结合态、铁镒氧化物结合态、交换态，添加生物炭对碳酸盐结合态铜的影响明显。第三，添加生物炭对土壤中铭形态的影响。添加生物炭对土壤中铭形态的影响如图二所示。根据图二发现，对照10g.kg-1生物炭添加量处理土壤中形态铭含量由低到高分别是铁镒氧化物结合态、交换态、有机态等，各个形态的排列不同

20、，随着生物炭添加量增加，土壤交换态铭含量逐渐降低。二号“HE蚕丝嵋女螺士图一：不同生物炭添加量对土壤中各形态铜含量的影响二：L国也嘴浮4-1:3L三+;诏士宣川IM1MI4CIjc加时M旧网mm图二：不同生物炭添加量对土壤中各形态铭含量的影响结束语综上所述，生物炭能够改变污染土壤中重金属的形态分布，并改善土壤污染情况，其中对铭的作用效果最明显。对土壤污染情况的改进和生物炭的使用量存在反比关系。为了能够更好的减少土壤污染，实现对土壤的修复，需要相关人员加强对生物炭的研究和应用。参考文献1韩鲁佳，李彦霏，刘贤，韩娅红.生物炭吸附水体中重金属机理与工艺研究进展J/OL,农业机械学报,2017,(11

21、):1-132李晓娜，宋洋,贾明云，王芳，卞永荣，蒋新.生物质炭对有机污染物的吸附及机理研究进展J/OL.土壤学报,2017,(06):1-143陈昱，钱云，梁媛，施维林.生物炭对Cd污染土壤的修复效果与机理J.环境工程学报,2017,11(04):2528-2534.4毛建华，赵伯居.生物炭对障碍性土壤改良修复的作用机理J.天津农业科学,2016,22(07):1-4.5周贵宇.关中地区典型设施菜田重金属Cd、Pb污染的修复途径及机制研究D.辽宁大学,2016.6杨晶晶.竹屑生物炭吸附典型芳香性有机物的机制及规律D.浙江大学,2016.7HURYNOVICHVOLHA翡翠).Cd污染条件下生

22、物炭对种子萌发的影响研究D.兰州交通大学,2016.8房增强.铅锌矿区土壤重金属污染特征及稳定化研究D.中国矿业大学(北京),2016.9李江遐，吴林春，张军，王陈丝丝，于倩倩，彭毅，马友华.生物炭修复土壤重金属污染的研究进展J.生态环境学报,2015,24(12):2075-2081.10郑凯琪.污泥生物炭对环境中Pb、Cd固持的研究D.扬州大学,2016.11刘亮.生物炭对土壤微生物及其强化修复多环芳煌污染的影响与机理研究D.上海交通大学,2015.12郭素华.生物炭对铅、锌污染土壤的修复作用D.湖南科技大学,2015.13楚颖超.不同温度裂解椰子生物炭又重金属吸附的研究D.海南大学,20

23、15.14梁媛.重金属污染土壤与地下水一体化修复新技术研究D.上海交通大学,2015.15石夏颖.油料作物生物炭的制备、表征及其对Cr(VI)和Cu(H)的吸附性能研究D.兰州交通大学,2014.16 TanH.,BarretM.,RiceO.etal.Long-termagrichemicaluseleadstoalterationsinbacterialcommunitydiversityJ.Plant,SoilandEnvironment,2012,58.17 QiaoY.J.,LiZ.H.,WangX.etal.Effectoflegume-cerealmixturesonthediv

24、ersityofbacterialcommunitiesintherhizosphereJ.Plant,SoilandEnvironment,2012,58.18 HenningNordmeyer.HerbicideApplicationinPrecisionFarmingBasedonSoilOrganicMatterJ.AmericanJournalofExperimentalAgriculture,2015,8(3).19 Kop?ckovAA.,LegdhJ.,Prista?P.etal.Alreadyashort-termsoilsexposuretothefield-rateglu

25、fosinateconcentrationsignificantlyinfluencessoilbacterialcommunitiesJ.SoilandWaterResearch,2015,10.20 MMorohashi,SNagasawa,NEnyaetal.Decreaseofherbicidebromobutideanditsdebromometaboliteinpaddyfieldsoilduring24weeksafterapplication.J.Bulletinofenvironmentalcontaminationandtoxicology,2012,89(1).21 Va

26、nWeyAS,ALCookson,TKSobolevaetal.Anisotropicnutrienttransportinthree-dimensionalsinglespeciesbacterialbiofilms.J.Biotechnologyandbioengineering,2012,109(5).22 KarinL.Hastings,LaurenE.Smith,MichaelLLindseyetal.Effectofmicroalgaeapplicationonsoilalgalspeciesdiversity,cationexchangecapacityandorganicmat

27、terafterherbicidetreatmentsJ.F1000Research,2014,3.23 PECorneo,APellegrini,LCappellinetal.WeedsinfluencesoilbacterialandfungalcommunitiesJ.PLANTANDSOIL,2013,373(1-2).24 CorneoPE.,PellegriniA.,CappellinL.etal.WeedsinfluencesoilbacterialandfungalcommunitiesJ.PlantandSoil,2013,373(1-2).25 RolandoC.A.,Ga

28、rrettL.G.,BaillieB.R.etal.AsurveyofherbicideuseandareviewofenvironmentalfateinNewZealandplantedforestsJ.NewZealandJournalofForestryScience,2013,43.26EffectsofAlkylphosphatesandNitrousOxideonMicrobialDegradationofPolycyclicAromaticHydrocarbons.BWBogan,LMLahner,VTrbovic,AMSzajkovics,JRPaterek.AppliedandEnvironmentalMicrobiology.200127 RiceHuskBiocharforRiceBasedCroppingSysteminAcidSoi