生物炭对生物滞留设施运行性能的影响研究进展

薛岳，陈垚，2，甘春娟，唐杰，刘臻，2

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 环境水利工程重庆市工程实验室，重庆 400074；3.重庆市市政设计研究院有限公司，重庆 400012)

为解决城市化造成的城市内涝与径流污染等问题，我国提出了海绵城市建设理念，旨在从源头上通过低影响开发(LID)措施恢复开发前水文特征。作为一种源头控制的LID措施，生物滞留系统主要通过填料土介质、植物和微生物的共同作用实现对污染物的去除。大量研究表明，传统生物滞留系统填料土比较单一，常因填料土的理化性质和生物特性影响而表现出运行性能的不稳定[1]，如氮磷污染物去除效果的高度波动，因水力渗透性能恶化而造成填料土过早发生堵塞。为解决这一问题，研究学者对填料土的改良进行了广泛研究，证实在填料土中添加沸石、椰壳-珍珠岩等改良剂不仅可改善水力过程，还可提高污染物去除效果[2]。

生物炭具有孔隙度高、比表面积大、表面具有大量负电荷等特性，施入土壤中可显著改善土壤内部结构，提高土壤pH值[3]，强化土壤的持水性能，促进雨水下渗[4]；生物炭还可通过吸附径流中的含氮污染物来提高土壤中的速效养分含量[5]。此外，生物炭在磷、重金属和病原微生物去除上，同样具有显著效果。为探明生物炭作为生物滞留设施填料土改良剂的可行性，总结了生物炭对生物滞留设施中水力性能和植物生长的影响，综述分析了国内外生物炭强化型生物滞留系统对重金属、营养物和病原微生物的去除特性研究进展，最后对生物炭强化生物滞留技术进行了展望，以期为生物炭在生物滞留设施中的应用提供参考。

1 生物炭的文献计量分析

关键词是文章的核心，对关键词的计量分析，不仅有助于快速了解该领域的研究热点，且可预测未来的研究方向。运用VOSviewer软件，检索2018年～2021年3月的文献，对生物炭关键词进行聚类分析，以圆的大小表示研究热度，以曲线代表热点间的联系，不同形状代表不同的聚类。聚类Ⅰ的核心内容为有关作物产量(植物生长)的研究，如杨彩迪等[6]添加生物炭在酸性土壤中进行实验，探明对作物产量的影响，研究表明稻壳生物炭在改良酸性土壤理化性质和提高作物产量方面存在积极影响；聚类Ⅱ的核心内容为有关重金属的研究，如孙彤等[7]实验结果表明，施入钙基改性后的生物炭于弱碱性Cd污染土壤中，不仅改善了土壤环境质量，而且降低了Cd在植物体内富集；聚类Ⅲ的核心内容为有关吸附机理的研究，如李仕友等[8]讨论和总结了不同方法改性的生物炭，发现改性后的生物炭对废水中重金属吸附效果较好，最大可实现99.81%的去除率；聚类Ⅳ的核心内容为有关热解的研究，在 400 ℃下，在城市污泥中分别添加花生壳、玉米芯和稻草等，利用间歇式反应釜，制备多种污泥-生物质生物炭，实验表明，污泥-生物质生物炭在多方面性能优于污泥生物炭，且有发展成为土壤改良剂或肥料缓释载体的潜力[9]；聚类Ⅴ的核心内容为有关生物炭理化性质的研究，如张沙沙等[10]利用水稻秸秆生物质炭为供试材料，探究生物质炭对富集磷镉土壤中磷和镉的形态变化过程及其影响因素，结果表明生物质炭施入富集磷镉土壤中可实现磷活化与镉钝化的效果(图1)。

图1 2018～2021年生物炭研究关键词知识图谱

2 生物炭对水力性能的影响

2.1 水力渗透性

生物炭对土壤水力过程的改善效果与土壤质地类型和生物炭粒径有关。Trifunovic等[11]研究表明添加生物炭可有效改善土壤渗透性能，但随着粒径小于土壤空隙的细颗粒生物炭比例的增加，土壤渗透性能反而逐渐下降。齐瑞鹏等[12]通过土壤柱实验发现，生物炭的添加虽对质地较黏的土壤(塿土)水分入渗能力有促进作用，但对质地较轻的土壤(风沙土)水分入渗反而有减小作用，且入渗作用效果受生物炭粒径和添加量影响。也有研究发现，施加生物炭可使黏土土壤的渗透性提高328%，却造成有机土壤的渗透性降低了67%。岑睿等[13]研究发现，在黏土深度0～40 cm中施加30 t/hm2的生物炭量时，土壤入渗率增加44.6%，且含水率可增加8.9%。虽然填料土中添加生物炭可改善水力过程，并增加土壤累积渗透量和渗透速率，但研究表明生物炭对土壤水力性能的作用效果随施加年限增加而逐渐减弱[14]。因此，若将生物炭作为生物滞留设施填料土的改良剂，未来应重点关注施加生物炭对填料土水力性能作用效果的衰减曲线，明确生物炭使用寿命。

2.2 持水性

场次降雨的自然属性决定了生物滞留系统干湿交替的强度和频率，长期干旱和高温曝晒等极端天气会造成设施内填料土含水率很低甚至出现干旱状态，而干旱土壤在场次降雨径流重新湿润下极易发生氮素淋洗现象[15]。因此，生物滞留设施中填料土的持水能力对系统运行性能起着十分关键的作用。填料土的持水性不仅取决于填料孔隙的分布和连通性，还受土壤粒径、质地类型和有机质含量的限制。生物炭的添加可改善水分和养分的持留能力，从而提高土壤肥力。干旱条件下，随着土壤变干和基质含量的增加，生物炭微孔结构中将不断出现水和可溶性营养物质的溢出[16]，表明施加生物炭可增加干旱期土壤含水率的有效性。张阿凤等[17]研究发现，施用生物炭能够提高土壤的持水性，进而促进旱地作物的生长。如在含水率为25%的土壤中施入3%的生物炭，可提高土壤163%的持水率。但也有研究指出，虽然在干旱土壤中添加生物炭会增加18%的土壤有效水，但在肥沃土壤中生物炭的添加几乎对土壤持水能力没有促进作用，并且在黏质土壤中有效水含量反而随生物炭的添加而减少[16]。由于生物滞留设施对填料土的水力渗透性能和有机质含量均有一定的要求，通常为有机质含量不高的壤质砂土、砂质壤土和壤土等[18]。因此，在生物滞留设施填料土中施加生物炭，可有效增加土壤孔隙度，降低土壤容重，进而改善土壤的持水性能，提高系统抵抗极端干旱环境的能力，还可增加土壤有效养分，改善植物生长状况。

3 生物炭对植物生长的影响

植物作为生物滞留设施的景观呈现元素，是设施重要的标志物，同时也是设施处理性能的重要贡献者。植物主要通过同化和根系过滤，作为微生物载体；其主要由根部氧气释放和分泌物渗出，对发展具有不同生态位的微生物群落营造有利的微环境，可极大地促进污染物的去除[19]。可见，植物不仅影响设施的景观效应，还关系到设施的运行性能，而其生长状况取决于填料土水分和有效养分含量。为保证植物生长所需养分，通常在填料土中添加堆肥混合物或有机覆盖物，但研究发现高有机质的填料土易造成生物滞留系统氮磷营养物的淋洗，为此，澳大利亚水敏感城市研究中心建议将填料土中的有机质含量控制在5%以内[20]。针对这一问题，相关研究学者尝试在填料土中添加生物炭以促进植物的生长。研究证实，与不添加生物炭的对照相比，施入生物炭可显著促进植物生长，且地上和地下部分的生物量都更高[21]。原因可能是生物炭释放出各种营养物质，如P、K、N、Mg和Ca(主要是原料和解吸后的废水)，以及生物炭改良填料土使之孔隙率增加，从而改善氧气条件，这些因素均有利于植物生长[22]。因此，在填料土中添加生物炭，不仅为植物提供营养物质，提高土壤的保水性，还可协助植物抵抗干旱和生物胁迫等不利条件，对植物的生长起到积极作用[23]。刘凯传等[24]研究结果也证实，在土壤中施加3%的污泥秸秆混合基生物炭后，有效促进了植物的生长。此外，生物炭还可调控植物根系构型，进而影响系统除污能力。徐福德等[25]研究表明添加生物炭可提高土壤基质的硝态氮含量，进而增加植物根系总根长和总根体积，促进植物根系生长。

虽然生物炭对植物生长有诸多的积极作用，但也不可忽视其负面效应。第一，由于生物炭具有极强的吸附能力，若施用过量，易吸附过多的土壤有效养分而影响植物生长[23]；第二，由于生物炭一般呈碱性，施用后会改变土壤的pH值，植物虽可通过自身的调节功能适应碱性环境，但当土壤碱性超过植物自身的离子调节浓度和酸碱度平衡时，植物生长就会受到严重影响，甚至造成植物死亡[26]。因此，今后应加强生物炭制备条件和施用量等方面的研究。

4 生物炭对除污特性的影响

4.1 重金属

降雨径流中的重金属污染物主要以颗粒态和溶解态两种形态存在，生物滞留系统对颗粒态重金属的去除主要通过填料土的过滤和沉淀作用，而对溶解态重金属则主要通过填料土的吸附和植物吸收作用途径去除[2]。生物滞留设施对重金属的去除很大程度上取决于填料土的吸附能力和植物根系的吸收能力，而植物根系又取决于填料土的持水性和有效养分供给情况。因此，在生物滞留设施中施用生物炭对填料土进行改良，不仅可增强填料土对重金属的吸附能力，还可强化植物对重金属的富集和吸附能力，改变植物抗重金属胁迫的生理特性，进而促进植物根系对重金属的吸收[27]。但生物炭对植物吸收转运不同重金属的影响有所不同。如Zheng等[28]研究发现豆秸和稻草生物炭可以降低植物体内Cd和Zn含量，而对Pb无影响；Rodriguez等[29]也有相似的研究结果。同时，生物炭对植物吸收重金属的影响还与土壤质地有关。Rees等[30]研究表明添加生物炭可降低酸性和碱性土中植物地上部的重金属含量，若添加5%的生物炭可提高酸性土中植物根部和地上部的 Cd和Zn含量，而在碱性土中可显著提高植物对Zn的吸收。由表1可知，植物对重金属的吸收转运过程受生物炭种类、施用量、重金属种类和土壤质地等因素影响，而植物对重金属吸收能力的增加可能是由于生物炭可促进植物生长，提高根比表面积，进而提高其对重金属的吸收转运能力，但其中具体机理还需深入研究。

表1 生物炭对植物吸收重金属的影响情况

4.2 营养物

4.3 病原微生物

生物炭已被证明可有效地去除雨水径流中的病原微生物，径流中的病原微生物可通过生物滞留系统填料土的截留和吸附作用，以及微生物之间的捕食与竞争等途径得以去除[43]，并受植物类型、温度、填料土性质及微生物间的竞争捕食关系等影响[44]。相关研究表明，在生物滞留设施内添加生物炭，可提高系统对病原微生物的去除能力，尤其是可显著提高对大肠埃希氏菌去除率[45]。但填料土施用生物炭后对病原微生物的去除能力受生物炭的粒径、热解温度和原料类型等因素影响，如在填料土中添加改性后的生物炭，可显著提高系统对大肠杆菌的去除效率，去除率从35%提升至92%～98%[46]，与未改性的生物炭对微生物去除率相比，生物炭改性系统的性能可提高2倍以上。此外，生物炭对病原微生物的去除能力还会因生物炭表面生物膜的形成而受到抑制[47]，也会因有机物对生物炭吸附点位的竞争，以及吸附有机物后生物炭与细胞间静电斥力的增加而造成除菌率的下降[48]。因此，未来应加强有机污染物共存条件下生物炭除菌作用机制研究，以降低生物炭表面生物膜形成或吸附点位竞争的可能性。

5 结语与展望

在生物滞留设施填料土中施入生物炭的研究已引起国内外研究学者的广大关注，相关研究已证实生物炭可显著改善生物滞留设施的运行性能，如改善填料土的水力性能，对植物生长产生积极作用，通过对植物根系构型的调控作用促进污染物的去除，改变植物抗重金属胁迫的生理特性进而促进植物对重金属的吸收和转运过程，还可利用生物炭表面活性基团和阳离子提高系统对氮磷营养物和病原微生物的去除效果。但探明在生物滞留设施中生物炭作用机制与使用寿命，并提出相应的设计最优参数等仍是未来的重点研究方向，以解决生物炭作用效果衰减问题，并抑制有机污染物共存下生物炭表面生物膜的形成。