明中燕，亢涵

生物炭鈍化污泥好氧堆肥重金屬的研究進展

明中燕，亢涵*

（沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

好氧堆肥是一種常用的污泥處理技術(shù)，但該技術(shù)的應(yīng)用一直受污泥中有害重金屬含量的制約。傳統(tǒng)的污泥堆肥處理對重金屬僅能起到濃縮作用，無法將其移除。向堆肥中添加生物炭調(diào)理劑能夠有效促進重金屬的鈍化，達到固定重金屬并減少其生物有效性的目的。但不同原料制得的生物炭理化性質(zhì)具有較大差異，影響其對污泥堆肥中重金屬的鈍化效果。介紹了生物炭的制備與理化性質(zhì)，分析了不同類型生物炭添加污泥堆肥后對重金屬的含量及鈍化效果差異，并對生物炭作為調(diào)理劑鈍化污泥堆肥重金屬現(xiàn)存的不足做了簡單的總結(jié)。

污泥好氧堆肥；生物炭；重金屬

通過污泥好氧堆肥技術(shù)可以實現(xiàn)污水廠剩余污泥的二次利用，使其以土壤改良劑及肥料的形式回歸土地[1]。該技術(shù)可以有效殺滅污泥中的蟲卵、細菌和病毒等有害物質(zhì)，但難以去除Cu、Cd、Cr、Pb、Zn和Ni等有害重金屬[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)，堆肥過程中有機質(zhì)、水分、CO2及揮發(fā)性物質(zhì)會不斷消耗散失，堆體體積減小，產(chǎn)生“濃縮效應(yīng)”，將會導(dǎo)致堆肥結(jié)束時重金屬總量升高，影響腐熟污泥的土地利用效果[4]。歐共體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局提出的BCR法將這些重金屬分為可交換態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)，其中前兩種形態(tài)的重金屬易通過植物進入環(huán)境，而后兩種形態(tài)不易被植物吸收利用[5]。因此，通過向污泥好氧堆肥中添加生物炭調(diào)理劑促使重金屬向可氧化態(tài)和殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)對重金屬的鈍化，可以降低腐熟污泥對作物的危害。但不同原料制成的生物炭其理化性質(zhì)有較大差異，對污泥堆肥中不同重金屬的鈍化效果也會有所不同。

本文對生物炭的制備與理化性質(zhì)作了簡要介紹，綜述了幾種常見類型生物炭對污泥堆肥重金屬總含量與鈍化效果差異的影響，總結(jié)了生物炭鈍化污泥堆肥中重金屬現(xiàn)存的一些不足。

1 生物炭的制備與理化性質(zhì)

1.1 生物炭的制備

生物質(zhì)在缺氧或無氧條件下加工生成的殘余物稱為生物炭，諸多農(nóng)林、工業(yè)廢棄物如花生殼、秸稈、蘆葦甚至污泥、糞便等都能成為其原料來源。生物炭的制備有熱解、烘焙、氣化和水熱碳化等技術(shù)[6]。目前廣泛使用的是熱解制備工藝。不同制備方法不僅會導(dǎo)致生物炭產(chǎn)量不同，還將使生物炭產(chǎn)物具有不同的性能和理化性質(zhì)。

1.2 生物炭的理化性質(zhì)

生物炭的物理性質(zhì)包含密度、機械強度、粒徑尺寸、孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積等，與原材料及熱解條件相關(guān)[7]。李赟等研究發(fā)現(xiàn)，原材料性質(zhì)的不同會造成大豆和高粱兩種生物炭揮發(fā)、固定碳與灰分具有較大差異[8]。王章鴻等研究表明，生物炭產(chǎn)物的比表面積隨著熱解終溫和恒溫時間的增加逐漸增大，隨升溫速率的提高逐漸減小[9]。

生物炭的化學(xué)性質(zhì)包含元素組成、酸堿性和表面化學(xué)性質(zhì)等。生物炭的pH值一般呈堿性。有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的堿性與生物質(zhì)和溫度有關(guān)，熱解溫度越低，其堿性越弱[10]。生物炭表面還具有非常豐富的含氧、含氮和含硫官能團，不僅能夠增強生物炭的吸附能力，還可以與污染重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，降低污泥堆肥重金屬的有效性[11]。炭化溫度越低，生物炭官能團的數(shù)量和密度越大[12]。

2 生物炭鈍化污泥堆肥重金屬的研究進展

2.1 木質(zhì)類生物炭鈍化重金屬的研究進展

高固定碳、低水分和灰分等特性使木質(zhì)成為了良好的生物炭原料[13]。于川洋等通過研究污泥堆肥對土壤的改良效果發(fā)現(xiàn)，木屑生物炭的添加能夠降低堆肥的鹽分，緩解堆肥中重金屬對植物的不利影響[14]。郇輝輝等在蚯蚓黏液與污泥堆肥中添加不同比例的竹炭生物炭，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堆肥中重金屬的總量隨竹炭的加入不斷減小，且竹炭生物炭對 Pb、Zn和Ni具有良好的鈍化效果，對Cu具有一定的活化效果[15]。這與蔡彩媛等得出的松木生物炭能夠降低Zn、Cd重金屬有效態(tài)并促使Cu有效態(tài)增大結(jié)論一致[16]。

沈杭等在添加蘋果木生物炭進行污泥好氧堆肥時出現(xiàn)了明顯的“濃縮效應(yīng)”，堆肥結(jié)束后堆體重金屬總量增大，但蘋果木生物炭對Cu、Zn、Pb和Cd均顯示出了良好的鈍化效果[17]。蔡函臻等也得出了硬木炭與秸稈炭等堿性固體調(diào)質(zhì)污泥堆肥后Cu、Zn的生物有效性得到降低的結(jié)論[18]。可見目前木炭生物炭對重金屬Cu的鈍化效果研究結(jié)論并不一致，可能與生物炭種類和自身理化性質(zhì)有關(guān)，也可能受污泥堆肥操作工藝影響。

2.2 秸稈類生物炭鈍化重金屬的研究進展

水稻生物炭來源廣泛、簡單易制取，是常用的秸稈類堆肥添加劑。余亞偉等發(fā)現(xiàn)，水稻生物炭的添加對污泥堆肥Hg含量影響不大[19]。周楫等在污泥堆肥中施加水稻生物炭調(diào)理劑，結(jié)果顯示，水稻生物炭對重金屬總量的影響不大，但是對Ni吸收較多；添加水稻生物炭組的重金屬有效態(tài)均有明顯下降，而未添加水稻生物炭組鈍化效果不明顯[20]。

李思敏等向好氧污泥中添加不同比例的水稻秸稈生物炭，受“濃縮現(xiàn)象”影響，各組Cu、Cr、Ni、Pb 及 Zn含量在堆肥后均有所增加；生物炭對Cu、Cr、Pb和Zn 4種重金屬可交換態(tài)鈍化效果較好，但對Ni的鈍化并不明顯[21]。這與陳娜等和周鑫等得出的污泥堆肥后重金屬總量增大而重金屬交換態(tài)隨稻殼炭的加入不斷減小結(jié)論相同[22-23]。

范勁詩等探究了稻殼炭與蚯蚓聯(lián)合污泥堆肥對重金屬的影響。結(jié)果顯示，一定含量稻殼生物炭的添加能促進堆肥中重金屬的穩(wěn)定化[24]。邵將等也將稻殼炭聯(lián)合蚯蚓進行污泥堆肥，研究發(fā)現(xiàn)，加大生物炭添加比例能夠降低污泥中重金屬總量和Cu、Cd的活性[25]。這與孫倫濤等得出的稻殼炭聯(lián)合蚯蚓黏液污泥堆肥對重金屬有較好的鈍化作用結(jié)論一致[26]。

由以上研究結(jié)果可以看出，水稻生物炭對重金屬鈍化效果的結(jié)論基本一致，水稻生物炭可以降低污泥堆肥系統(tǒng)中大部分重金屬的活性，且鈍化效果較好。

2.3 殼類生物炭鈍化重金屬的研究進展

花生殼生物炭是常見的殼類生物炭。岳建芝等探究了3種不同比例下花生殼生物炭對污泥堆肥的影響，結(jié)果顯示在堆肥過程中，生物炭對Cu具有良好的鈍化作用，且能降低Zn的活化程度[27]。焦點等將花生殼炭調(diào)理的污泥堆體用于盆栽實驗，數(shù)據(jù)表明，花生殼炭可以顯著降低污泥堆體重金屬有效性，作物中重金屬含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)，且Cu的含量比Zn低[28]。

賈洋洋等使用H2O2對花生殼生物炭進行改性，將改性后的生物炭作用污泥堆體后發(fā)現(xiàn)，Cu、Zn和Mn均得到了較好的鈍化效果[29]。常興濤等探究了花生殼炭和H2O2改性花生殼炭對污泥堆肥重金屬的影響，結(jié)果表明，兩者對污泥中重金屬均具有一定的鈍化效果，H2O2改性后的花生殼炭對污泥中重金屬的鈍化效果更好[30]。

2.4 其他類生物炭鈍化重金屬的研究進展

席曉黎等采用化學(xué)活化法將污水廠剩余污泥制備為污泥生物炭，將其添加至污泥堆肥，研究表明，污泥生物炭對重金屬Cr、Cu的鈍化有效果，且污泥生物炭添加量越大，鈍化效果越好[31]。

此外，當(dāng)前制備得到的生物質(zhì)炭普遍呈堿性，而酸性生物質(zhì)炭在調(diào)理pH值較高的剩余污泥時可能更具優(yōu)勢。嚴興等在研究微生物發(fā)酵菌和蘑菇渣及生物質(zhì)炭調(diào)理污泥堆肥時發(fā)現(xiàn)，酸性生物質(zhì)炭對降低重金屬Cu、Pb、Ni和Cr有效態(tài)發(fā)揮了顯著作用[32]。黃俊熙等設(shè)計了酸性生物炭調(diào)理污泥堆肥后的土壤改良實驗，數(shù)據(jù)表明，在土壤中檢出的重金屬含量較低，不易對作物和環(huán)境造成污染[33]。

3 總結(jié)與不足

污泥堆肥過程中，添加生物炭能夠有效降低有害重金屬的生物有效性，起到良好的鈍化效果。總體來說，不同類型的生物炭均能促進污泥中大部分有害重金屬由有效態(tài)向殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，降低二次利用對環(huán)境的污染。

木質(zhì)類生物炭顯示出了對Zn、Cd和Pb等良好的鈍化作用，但對重金屬Cu的鈍化效果存在爭議，部分木質(zhì)生物炭反而誘導(dǎo)堆肥中Cu的活化。相比而言，秸稈類生物炭對重金屬的鈍化效果表現(xiàn)更穩(wěn)定，水稻生物炭對Cu、Cr、Ni、Pb和Zn等重金屬有效性均起到了較好的降低作用，與蚯蚓聯(lián)合堆肥后對重金屬鈍化效果更佳。

與木質(zhì)類生物炭相反，殼類生物炭對促進重金屬Cu的鈍化表現(xiàn)良好，但其對重金屬Zn的鈍化表現(xiàn)相對較差。改變花生殼生物炭添加比例對鈍化程度的影響并不明顯，而通過氧化改性后的生物炭能夠?qū)u、Zn和Mn等重金屬具有較好的鈍化效果。

此外，污泥和糞便等也可制備為生物炭作為好氧堆肥的調(diào)理劑。但因原材料自身含有較高含量重金屬等原因，將該類生物炭應(yīng)用于污泥好氧堆肥鈍化重金屬的研究較少。同時，酸性生物炭目前在鈍化污泥重金屬方面表現(xiàn)較為不錯，但該領(lǐng)域的研究仍有待探索。

雖然已知生物炭在鈍化污泥中重金屬過程中起到了重要作用，但目前將生物炭應(yīng)用于污泥好氧堆肥的研究還有以下不足之處：

1）目前生物炭調(diào)節(jié)污泥好氧堆肥作用機制尚不明確，生物炭如何吸附污泥中重金屬、促進重金屬鈍化作用方式等均需深入探究。分析生物炭理化性質(zhì)與重金屬形態(tài)之間的關(guān)系，對改良生物炭鈍化污泥有害重金屬很有幫助。

2）現(xiàn)階段對于生物炭鈍化污泥堆肥中重金屬的研究較為分散且有較大差異，應(yīng)系統(tǒng)比對不同類型生物炭對單一重金屬的鈍化效果，篩選出優(yōu)秀組合，實現(xiàn)可有針對性地鈍化和去除某一特定類型重金屬污染。

3）堆肥后的腐熟污泥經(jīng)土地利用后可能在土壤中累積，所含重金屬仍有可能再次活化，還應(yīng)進一步關(guān)注污泥施用后重金屬形態(tài)含量的變化。

［1］宋繁永，楊笑樂，郭可欣，等．污泥堆肥對重金屬生物可給性影響及風(fēng)險評估[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2022，45（3）：171-177．

［2］于鵬飛，趙宗祺，王超，等．城市污水處理廠污泥鈍化處理及其在園林綠化再利用中的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2022，51（7）：1585-1588．

［3］秦晴，張新喜，邱高，等．城市污泥處理與資源化技術(shù)研究進展[J].廣東化工，2022，49（15）：134-136．

［4］候月卿，趙立欣，孟海波，等．生物炭和腐植酸類對豬糞堆肥重金屬的鈍化效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30（11）：205-215．

［5］葛驍，卞新智，王艷，等．城市生活污泥堆肥過程中重金屬鈍化規(guī)律及影響因素的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014，33（3）：502-507．

［6］魏思潔，王壽兵．生物炭制備技術(shù)及生物炭在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用新進展[J].復(fù)旦學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，61（3）：365-374．

［7］范福強，李穎潔，方栩，等．生物炭及其復(fù)合材料去除水體石油烴研究進展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2022，45（7）：187-200．

［8］李赟，孫宵琦，于瑞雪，等．不同農(nóng)作物秸稈生物炭性質(zhì)及其對重金屬鉛的吸附特性研究[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，50（9）：78-82．

［9］王章鴻，郭海艷，沈飛，等．熱解條件對生物炭性質(zhì)和氮、磷吸附性能的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2015，35（9）：2805-2812．

［10］鄭鑫，孔慈明，朱彥聃，等．生物炭光催化降解有機污染物的研究進展[J].中國資源綜合利用，2022，40（6）：116-120．

［11］李鴻博，鐘怡，張昊楠，等．生物炭修復(fù)重金屬污染農(nóng)田土壤的機制及應(yīng)用研究進展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36（13）：173-185．

［12］張偉明，修立群，吳迪，等．生物炭的結(jié)構(gòu)及其理化特性研究回顧與展望[J].作物學(xué)報，2021，47（1）：1-18．

［13］陳晨，李方敏，楊利，等．不同類型生物炭對稻田鎘污染修復(fù)的機制與應(yīng)用[J].環(huán)境化學(xué)，2022，41（12）：4165-4179.

［14］于川洋．生物炭添加污泥堆肥對土壤改良效果研究[J].綠色科技，2017，60（8）：95-100．

［15］郇輝輝，王興明，儲昭霞，等．蚯蚓黏液聯(lián)合竹炭堆肥對污泥中重金屬的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2022，41（5）：1077-1085．

［16］蔡彩媛．生物炭/白腐真菌對底泥堆肥中重金屬穩(wěn)定性的影響[D].廣州：廣州大學(xué)，2020．

［17］沈杭．生物炭對豬糞及城市污泥好氧堆肥過程的影響及其理化性質(zhì)變化[D].重慶：西南大學(xué)，2018．

［18］蔡函臻．添加劑調(diào)質(zhì)對污泥堆肥的影響及其產(chǎn)品的農(nóng)用[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017．

［19］余亞偉．污泥堆肥與施用過程汞的變化特征及其對土壤和作物的影響[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017．

［20］周楫，余亞偉，蔣越，等．生物炭對污泥堆肥及其利用過程重金屬有效態(tài)的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2019，40（2）：987-993．

［21］李思敏，張義競，唐鋒兵，等．生物炭對污泥-菌渣堆肥腐殖化與重金屬鈍化的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2022，41（7）：1565-1574．

［22］陳娜．蚯蚓-稻殼炭聯(lián)合作用對城市污泥堆肥特性的影響研究[D].重慶：西南大學(xué)，2017．

［23］周鑫，王興明，儲昭霞，等．蚯蚓-稻殼炭聯(lián)合堆肥對工業(yè)污泥中重金屬的影響研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2020，29（2）：378-387．

［24］范勁詩．生物炭添加對市政污泥蚯蚓堆肥的影響研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2020．

［25］邵將．蚯蚓在污泥堆肥環(huán)境下存活特性及其對污泥降解效能的實驗研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2020．

［26］孫倫濤.蚯蚓粘液聯(lián)合生物炭堆肥對污泥中重金屬行為的影響[D]. 淮南：安徽理工大學(xué)，2020．

［27］岳建芝，常興濤，李輝，等．花生殼炭對污泥堆肥營養(yǎng)元素和重金屬動態(tài)變化的影響[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，53（6）：950-958．

［28］焦點．基于生物炭強化重金屬穩(wěn)定化的城市污泥好氧堆肥技術(shù)[D].廣州：廣州大學(xué)，2021．

［29］賈洋洋．不同改性處理花生殼炭對城市污泥堆肥的影響[D].鄭州：鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019．

［30］常興濤．花生殼炭和吐溫80添加對城市污泥堆肥的影響研究[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019．

［31］席曉黎．污泥基炭的重金屬吸附性能及其對污泥堆肥的影響[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2013．

［32］嚴興．微生物發(fā)酵菌和生物質(zhì)炭及蘑菇渣對污泥堆肥效果的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究，2018，31（1）：136-142．

［33］黃俊熙．添加輔料對污泥堆肥產(chǎn)品的生物肥效的影響[J].環(huán)境工程，2021，39（3）：142-147．

Research Progress of Biochar Passivation of Heavy Metals in Sludge Aerobic Compost

,*

（School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

Aerobic composting is a commonly used sludge treatment technology, but its application is always restricted by the content of harmful heavy metals in sludge. Traditional sludge composting treatment can only concentrate heavy metals, but cannot remove them. Adding biochar conditioner to compost can effectively promote the passivation of heavy metals to achieve the purpose of fixing heavy metals and reducing their bioavailability. However, the physicochemical properties of biochar prepared from different raw materials are quite different, which affects the passivation effect of biochar on heavy metals in sludge compost. In this paper, the preparation and physicochemical properties of biochar were introduced, the difference of heavy metal content and passivation effect of different types of biochar added to sludge compost were analyzed, and the shortcomings of biochar as a regulator in passivation of heavy metal in sludge compost was summarized.

Sludge aerobic compost; Biochar; Heavy metal

X705

A

1004-0935（2023）09-1382-04

2022-09-23

明中燕（1999-），男，滿族，遼寧省葫蘆島市人，2021年畢業(yè)于沈陽建筑大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：污泥堆肥處理。

亢涵（1982-），女，副教授，研究方向：水資源利用及污染控制。