生物炭修复土壤重金属污染的潜在风险探讨

生物炭因其独特的吸附特性和制备来源广泛等优点,在土壤重金属污染修复中具有良好的应用前景,但生物炭的大量施用可能会带来许多潜在风险。文章对生物炭修复土壤污染的研究进行综述,重点讨论在现场修复的应用中,一些潜在的非生物和生物因素可能会削弱生物炭对重金属的固定化效应。同时总结了大量施用生物炭的缺陷,包括生物炭老化,生物炭原料附带有毒物质,以及生物炭对土壤动植物生长和土壤微生物的负面影响。此外,还提出了进一步的研究方向和建议（生物炭标准化、长期定位试验、修复机理研究及生产设计）,为生物炭生产和合理施用提供科学应用指导。     

生物炭去除土壤重金属研究进展

针对生物炭作为新型土壤改良剂的研究进展,介绍了生物炭制备方法,分析了生物炭与土壤重金属作用机制,探讨了生物炭联用技术。分析认为:原料、热解温度、热解时间等制备条件对生物炭去除重金属效果有不同程度的影响,热解温度影响程度最高,可以通过优化热解温度等条件制备生物炭;生物炭与土壤重金属间有直接和间接两种作用方式,不同生物炭与重金属间的作用机理也存在差异,需要深入了解作用机制并选择合适的生物炭;相比于单一生物炭施用,与碱性物质和堆肥技术联用可强化协同作用并优化土壤修复效果。     

基于Meta-analysis的生物炭对土壤硝态氮淋失和磷酸盐固持影响

如何控制农业土壤硝态氮和磷酸盐淋失及其所导致的面源污染是人类社会当前面临的一个重要的全球性环境问题.生物炭因其在土壤改良方面表现出的巨大潜力而备受关注,针对其应用对土壤养分保持、利用的影响也展开了诸多研究.然而,已有的独立实验研究所报道的相关结果之间存在很大的差异,使得生物炭减少土壤硝态氮和磷酸盐淋失的潜在机制以及适宜生物炭制备条件（生物炭类型）等方面尚不明确.基于荟萃分析（MA）方法,通过整合不同文献中的实验结果,系统研究了生物炭对土壤硝态氮淋失和磷酸盐固持影响及其内在机制.总体上,生物炭能够显著减少硝态氮淋失37.1%,显著提高磷酸盐固持20.8%;从各影响因素分组的结果来看,生物炭碳氮比、热解温度和添加率对硝态氮淋失响应具有显著影响;而生物炭比表面积、热解温度和土壤有机碳含量对磷酸盐固持响应具有显著影响.基于MA得到的结果,分别从不同的角度探讨了生物炭降低土壤硝态氮淋失和提高磷酸盐固持的潜在机制.综合上述结果,秸秆和木质类原料、中高温热解温度（400~600℃）条件下制备的生物炭适宜于减少硝态氮的淋失;秸秆和木质类原料、高温热解温度（>600℃）条件下制备的生物炭适宜于提高磷酸盐的固持.研究结果能够为更好地指导生物炭用于控制土壤硝态氮和磷酸盐面源污染的实践应用提供科学理论依据.     

基于城市固体废弃物的生物炭制备及其在垃圾填埋场和土壤改良中的应用研究进展

近年来,以城市固废为原料制备生物炭为其资源化利用开辟了新思路,但在制备方式、影响因素及主要应用领域仍缺乏有效阐述。介绍了生物炭的制备方式,系统分析了城市固废原料、生产工艺对生物炭产率和性质等影响;在此基础上,概述了生物炭在垃圾填埋场治理修复(渗滤液处理、垃圾填埋场覆盖、可渗透反应墙材料)和土壤改良(理化性质、营养环境)的应用现状。结果表明:1) 热解和水热碳化是城市固废制备生物炭的常用方式,其形成的生物炭具有较大的比表面积、孔隙率及更丰富的组分,对污染物质(如I-、Cu2+等)具有较强的吸附能力;2) 城市固废自身特性及生产工艺都会对所得生物炭的性质产生影响;3) 以特定城市固废生产的生物炭可用于垃圾填埋场修复和土壤改良,对填埋场造成的土壤、大气、地下水污染均具有良好的处理效果,也能充分提高土壤养分的有效性。该成果可为基于城市固废的生物炭生产及环境治理修复相关研究提供参考。     

生物炭成炭调控及固化土壤重金属研究进展

生物炭在固持土壤重金属(HMs)方面具有广阔的应用前景,其修复效果受到理化特性以及土壤环境的影响。因此,探究生物炭的成炭调控与重金属固化能力,对于优化生物炭制备生产过程具有重要的指导意义。总结了不同制备工艺下生物炭的理化特性变化,并梳理了生物炭固化重金属的主要机理以及各种老化因素对生物炭理化特性变化的影响。生物炭主要通过孔隙吸附、阳离子交换、官能团络合以及矿物沉淀等方式来固化土壤中的重金属,其各项机制的吸附贡献占比受到热解温度、原料种类、停留时间、热解气氛等因素的影响。生物炭老化会导致其理化特性变化,如孔道破碎、含氧官能团分解、不稳定碳析出等,而不同的老化因素会对生物炭产生不同的影响。通过探究各老化因素的作用机理以及其对重金属固化的影响,可以从热解成炭的角度提高生物炭稳定性及有效性,从而减少环境因素对生物炭固化重金属效果的影响,实现对生物炭物化特性及土壤修复能力的有序调控。同时,还展望了未来生物炭施用研究方向,旨在为合理评估生物炭有效性以及指导生物炭修复重金属污染土壤提供参考。     

铁修饰生物炭的制备及在砷污染土壤修复中的应用

生物炭因具有较大的孔隙度、比表面积以及较强的吸附能力等优点,在环境污染修复、土壤改良和固碳方面应用广泛.由于大多数生物炭表面带有负电荷,而土壤中的无机砷主要以砷酸盐和亚砷酸盐等阴离子形式存在.因此,生物炭对砷的吸附效率通常较低,需要对生物炭进行改性以提升其对砷的吸附效果.零价铁和氧化铁等铁基材料对砷吸附能力强且来源广泛,通过沉淀法、热解法、球磨法和微生物法等方法将铁基材料与生物炭负载形成铁修饰生物炭,可将二者的优良特性相结合,拓展生物炭材料在环境修复中的应用.在对近年来有关铁修饰生物炭的文献进行系统分析的基础上,综述了常见的铁修饰生物炭的制备方法,比较分析了生物炭基底、铁修饰材料以及两者对砷的协同作用机制,并简要阐述了铁修饰生物炭在土壤污染修复中的应用现状,最后对铁修饰生物炭的未来研究方向提出了展望.     

生物炭负载纳米零价铁制备及修复六价铬污染土壤技术研究进展

近年来,纳米零价铁颗粒（nZVI）应用于Cr（Ⅵ）污染修复治理技术研究备受关注。生物炭负载型纳米零价铁（nZVI@BC）作为纳米零价铁改性技术之一,具有低成本、易制备和修复效果优越等优点,但此技术应用于Cr（Ⅵ）污染土壤修复方面研究尚不多。生物炭（BC）主要通过植物秸秆热解生成,生物炭负载纳米零价铁（nZVI@BC）则通过生物炭与纳米零价铁在热解-液相还原法或一步热解法合成。制备的nZVI@BC能够有效解决纳米零价铁团聚和钝化等缺点,显著提高纳米零价铁（nZVI）利用率。综述了生物炭负载纳米零价铁（nZVI@BC）应用于修复Cr（Ⅵ）污染土壤反应机理和研究进展,总结出提升该材料性能的途径有:通过调整BC热解条件和改性BC以提升BC性能;适当的质量比（BC/nZVI）;使用聚乙二醇（PEG）、羧甲基纤维素（CMC）、污泥衍生的BC和茶多酚（TP）提高nZVI稳定性。nZVI@BC材料能够提高土壤中有机质含量,在Cr（Ⅵ）修复治理方面极具应用前景。     

改性生物炭修复砷镉复合污染土壤研究进展

砷镉复合污染(As/Cd污染)已成为我国主要的土壤环境问题,改性生物炭作为一种吸附固定剂在修复土壤As/Cd污染中正发挥日益重要的作用.在明确原始生物炭作为钝化剂修复As/Cd污染土壤局限性的基础上,综述了针对As/Cd污染土壤修复的生物炭改性方法研究进展,分析了相关作用机制,并对未来利用改性生物炭修复As/Cd污染土壤的前景和存在问题进行展望.结果表明,金属改性生物炭具有较好的协同修复As/Cd污染土壤的效应,从而具有良好的应用前景.通过不同改性方法制备的生物炭材料修复As/Cd污染的固定机制各异,其中,金属改性和无机非金属改性生物炭对As/Cd的固定作用主要涉及官能团配位、共沉淀和As氧化还原;微生物改性生物炭涉及沉淀作用和As氧化还原;物理和酸改性方法则局限于物理吸附和弱静电引力.针对当前研究现状,建议未来应加强生物质原料类型、热解温度、制备工艺、经济成本和土壤老化等因素对改性生物炭修复As/Cd污染土壤的影响研究,实施不同因素影响下材料对重金属固定的稳定性和长效性评估,揭示材料修复As/Cd污染土壤的关键作用机制.     

生物炭修复土壤重金属的研究进展

生物炭是由废弃生物质在缺氧条件下热解而成的一种含碳丰富的产物。由于具有精细的孔隙结构和独特的表面特性,生物炭对重金属污染物有着良好的吸附能力,从而影响污染物的迁移。从生物炭的基本特性、吸附机理以及对土壤中重金属的修复效果等方面进行综述,最后提出生物炭未来在环境修复方面的研究方向。     

生物炭对多环芳烃的吸附研究进展

多环芳烃是一类持久性有机污染物,其对生态环境和人类健康均有很大的危害。解决多环芳烃污染问题已引起人们的广泛关注,包括生物炭对多环芳烃的吸附。生物炭是生物质在缺氧或限氧条件下热解后形成的一种富炭多孔材料,已成为目前环境领域的研究热点。文章主要综述了生物炭的制备和特性,生物炭吸附多环芳烃的机理和研究现状,新型生物炭及其在多环芳烃吸附方面的应用研究。同时,指出了目前研究的不足,并提出了未来可能的研究方向。     

丛枝菌根真菌及猪炭对多氯联苯污染土壤的联合修复作用

选用玉米(Zea mays L.)为供试植物,采用盆栽试验研究了接种丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌(Funneliformis mosseae)和添加不同粒径猪炭对多氯联苯(Polychlorinated biphenyls,PCBs)污染土壤的联合修复效应及其对土壤微生物的影响.结果表明,接种AM真菌(10%接种量)及添加2.5%猪炭对土壤有效磷含量提高具有显著的协同效应,猪炭还显著提高了土壤有机碳、速效钾含量和pH值(p0.05);猪炭显著促进了菌根真菌侵染率,但对玉米根系生物量具有抑制作用.接种AM真菌的同时添加猪炭提高了细菌16S rDNA丰度,且接种AM真菌同时添加粒径0.25 mm猪炭显著促进了土壤PCBs降解率.AM真菌与猪炭改变了土壤微生物种群的相对丰度,其中,Planctomycetes与土壤三氯联苯降解显著相关(r=0.049,p0.05),而Acidobacteria与五氯联苯降解显著相关(r=0.008,p0.01).AM真菌及猪炭提高了土壤有效养分含量,促进了植物生物量和土壤PCBs降解,对PCBs污染土壤具有较好的修复潜力.     

Review on utilization of biochar for metal-contaminated soil and sediment remediation

Biochar is a carbon-neutral or even carbon-negative material produced through thermal decomposition of plant- and animal-based biomass under oxygen-limited conditions. Recently, there has been an increasing interest in the application of biochar as an adsorbent, soil ameliorant and climate mitigation approach in many types of applications. Metal-contaminated soil remediation using biochar has been intensively investigated in small-scale and pilot-scale trials with obtained beneficial results and multifaceted effects. But so far, the study and application of biochar in contaminated sediment management has been very limited, and this is also a worldwide problem. Nonetheless, there is reason to believe that the same multiple benefits can also be realized with these sediments due to similar mechanisms for stabilizing contaminants. This paper provides a review on current biochar properties and its use as a sorbent/amendment for metal-contaminated soil/sediment remediation and its effect on plant growth, fauna habits as well as microorganism communities. In addition, the use of biochar as a potential strategy for contaminated sediment management is also discussed, especially as regards in-situ planning. Finally, we highlight the possibility of biochar application as an effective amendment and propose further research directions to ensure the safe and sustainable use of biochar as an amendment for remediation of contaminated soil and sediment.     

生物质炭施用对土壤中氯虫苯甲酰胺吸附及消解行为的影响

分别在黑土、黄壤、红壤、紫色土和潮土中添加0.5%(质量分数)生物质炭,采用批处理等温吸附实验及室内消解实验测定了CAP的吸附等温线及消解动态,目的是揭示不同类型土壤中施用生物质炭对残留CAP的环境行为影响规律,为评估生物质炭田间施用综合生态效应,评价土壤残留CAP的环境污染风险提供理论依据.结果表明,生物质炭施用可提高土壤对CAP的吸附活性,但提高程度因土壤性质不同而异.有机质含量较高的黑土中添加生物质炭,吸附农药Kd值提高了2.17%,而有机质含量较低的潮土添加等量生物质炭后则提高了139.13%.生物质炭施入土壤后其对农药吸附活性受到不同程度抑制.与施入土壤前比较,生物质炭施入黑土、黄壤、红壤、紫色土和潮土中后吸附常数KF,biochar分别降低了96.94%、90.6%、91.31%、68.26%和34.59%.CAP在黑土、黄壤、红壤、紫色土和潮土中的消解半衰期为115.52、133.30、154.03、144.41和169.06 d,而在添加生物质炭的土壤中消解半衰期分别延长了20.39、35.76、38.51、79.19和119.75 d.与吸附实验结果一致,生物质炭施入黑土对延缓农药土壤消解作用最小,而潮土中施入生物质炭效果最明显.本研究表明生物质炭施入土壤后可增强对农药的吸附作用,延缓农药的土壤消解,但影响程度与土壤性质有关.     

添加生物炭对琼北地区双季稻田生物固氮的影响

生物固氮有助于植物对土壤中有效氮的利用,减少农业生态系统中无机氮肥的使用.生物炭可以通过其特殊物理结构调节土壤理化性质,提高土壤微生物的丰度和活性,然而关于生物炭对水稻土生物固氮方面的研究并未深入了解.试验共设置3个处理：施磷钾肥对照（CK）、当地常规施肥处理（CON）和常规处理配施20 t·hm^-2生物炭（B）,采用qPCR和高通量测序分析固氮基因（nifH）的丰度和群落结构变化,探讨生物炭添加对琼北地区双季稻田土壤固氮微生物的影响.结果表明,相比CK和CON处理,添加生物炭提高了土壤pH和土壤有机碳（SOC）含量以及作物产量.同时nifH基因丰度与土壤pH和SOC呈显著正相关.与CK处理相比,添加生物炭处理增加了nifH基因丰度以及显著改变了早稻季土壤固氮微生物的群落结构,常规施肥处理减少了nifH基因丰度而对固氮微生物群落影响相对较小.施用生物炭使固氮微生物群落优势属发生了变化,地杆菌属（Geobacter）、嗜糖假单胞菌属（Pelomonas）、固氮螺菌属（Azospirillum）、厌氧粘细菌属（Anaeromyxobacter）和铁氧化细菌属（Sideroxydans）等是所有处理中的优势菌属.相比CK处理,生物炭处理显著增加了嗜糖假单胞菌属的相对丰度,而常规施肥处理增加了地杆菌属的相对丰度.结果表明,生物炭添加具有一定的减肥潜力,为减少琼北地区稻田氮肥施用,提高氮肥利用率提供了理论依据.     

生物质炭对双季稻水稻土微生物生物量碳、氮及可溶性有机碳氮的影响

生物质炭可影响土壤微生物量,但生物质炭对双季稻田土壤微生物生物量碳、氮(MBC、MBN)及可溶性有机碳、氮(DOC、DON)的影响还不清楚.基于此,本研究选取亚热带2种典型双季稻田土壤(花岗岩母质发育的水稻土S1和第四纪红壤发育的水稻土S2)作为研究对象,开展室内培养试验来研究不施氮肥条件下生物质炭添加对土壤微生物生物量碳、氮及可溶性有机碳、氮的影响.每种土壤设置3个小麦秸秆生物质炭添加量,即土重的0%、1%和2%,分别用CK、LB和HB表示.培养70 d后,2种水稻土的MBC均值:S1为877. 03、832. 11和849. 30 mg·kg~(-1),S2为902. 94、874. 19和883. 22mg·kg~(-1). S1+LB、S1+HB和S2+LB均显著降低了土壤MBC均值(P 0. 05),这可能是由生物质炭吸附土壤有机碳及其他有机物,阻碍了微生物的生长而造成的. S1土壤中低生物质炭添加量较对照显著降低了土壤MBN均值(P 0. 05),降幅达9. 45%.生物质炭对S1土壤MBC/MBN均值影响不明显,但LB降低了S2土壤MBC/MBN均值(P 0. 05).由于生物质炭本身含有部分可溶性有机碳及其高p H值,添加到2种水稻土中均增加了土壤DOC均值,增幅分别达4. 42%～22. 20%和10. 57%～35. 47%.但生物质炭(除S2+HB处理)显著降低了土壤DON均值,这可能归因于生物质炭对土壤有机氮的吸附作用及生物质炭本身有机碳分解过程中对N的消耗作用.生物质炭显著增加了2种水稻土的DOC/DON均值,且随着生物质炭添加量的增加而增加.综上所述,在双季稻田土壤中单施生物质炭虽然可增加土壤可溶性有机碳,但对土壤微生物量有一定的降低作用,且会加重土壤氮亏缺状况.因此,在亚热带双季稻田中生物质炭应与化肥等配合施用.     

生物炭在农业增产和污染治理中的应用

生物炭(biochar)作为重要的碳汇、土壤重要的改良剂以及污染物有效地吸附剂受到了国内外研究人员的普遍关注。在阅读近几年国内外关于生物炭在农业增产和污染方面文献的基础上,作者总结了生物炭应用规律并提出一些未来研究的展望。表述如下:生物炭具有多孔性和巨大的表面积,它能够增加土壤的持水量、增加对营养元素的吸附以减少其流失并改善土壤的结构,此外生物炭本身含有丰富的营养元素并能够缓慢释放以供作物吸收,因此生物炭能改善土壤肥力并增加农作物产量。同时,生物炭巨大的吸附功能可以降低重金属和有机污染物在土壤及污水中的活性,起到降低污染物浓度的作用。因此生物炭在农业增产和减少污染方面有巨大的潜力。但是,到目前为止,对于生物炭很多的作用机制还未搞清楚,对不同种类生物炭性状、生物质在高温热解过程中内部化学成分和结构的变化、长期定位实验以及危害方面还应加强研究。对此,研究人员应该结合当地情况,尽多的用当地主要的动植物废料来生产生物炭以达到当地农业增产和治理污染的目的;其次,增加长期定位试验,找到适合当地的生物炭种类及其生产条件;另外还应增加对我国新疆、西藏等土壤贫瘠的偏远地区的研究,使当地的土壤更大程度的被利用以改善当地人民的生活;最后,当地政府及相关部门应该加大对生物炭研究的支持,使生物炭早日被普遍运用,造福百姓。     

Enhanced removal of Cr(VI) by biochar with Fe as electron shuttles

Biochar is extensively used as an effective soil amendment for environmental remediation. In addition to its strong contaminant sorption capability, biochar also plays an important role in chemical transformation of contaminant due to its inherent redox-active moieties. However, the transformation efficiency of inorganic contaminants is generally very limited when the direct adsorption of contaminants on biochar is inefficient. The present study demonstrates the role of Fe ion as an electron shuttle to enhance Cr(VI) reduction by biochars. Batch experiments were conducted to examine the effects of Fe(III) levels, pyrolysis temperature of biochar, initial solution pH, and biochar dosage on the efficiency of Cr(VI) removal. Results showed a significant enhancement in Cr(VI) reduction with an increase in Fe(III) concentration and a decrease of initial pH. Biochar produced at higher pyrolysis temperatures (e.g., 700°C) favored Cr(VI) removal, especially in the presence of Fe(III), while a higher biochar dosage proved unfavorable likely due to the agglomeration or precipitation of biochar. Speciation analysis of Fe and Cr elements on the surface of biochar and in the solution further confirmed the role of Fe ion as an electron shuttle between biochar and Cr(VI). The present findings provide a potential strategy for the advanced treatment of Cr(VI) at low concentrations as well as an insight into the environmental fate of Cr(VI) and other micro-pollutants in soil or aqueous compartments containing Fe and natural or engineered carbonaceous materials.     

热解时间对污泥基生物炭中多环芳烃含量及毒性的影响

污泥基生物炭作为土壤改良剂,为污泥提供了一种可持续的资源化利用技术。但由于其中可能含有多环芳烃（PAHs）、重金属等污染物,具有潜在的环境风险,如何制备环境友好的生物炭成为后续利用的先决条件。设置热解温度为500℃,升温速率为10℃/min时,采用4种不同热解时间（1~4 h）制备污泥基生物炭,通过提取测试发现热解后PAHs均明显小于原污泥中的含量;各组分含量及PAHs总量均随着热解时间的增加先增大后减小。2 h的热解时间利于原污泥中有机质充分反应生成新的PAHs,因此PAHs总量达到最大值,超过农用限制;但由于未检出毒性最强的BaP及DahA,其毒性当量（TEQs）反而最低。1 h热解时间虽PAHs总量未超过农用标准,但TEQs最大,超过国际生物炭协会规定的阈值。综合PAHs含量和TEQs的限值,热解时间3,4 h制备的污泥基生物炭更具安全性。从节约能源的角度出发,建议选用3 h作为污泥基生物炭的热解时间。