生物炭钝化污泥好氧堆肥重金属的研究进展

明中燕，亢涵

生物炭钝化污泥好氧堆肥重金属的研究进展

明中燕，亢涵*

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

好氧堆肥是一种常用的污泥处理技术，但该技术的应用一直受污泥中有害重金属含量的制约。传统的污泥堆肥处理对重金属仅能起到浓缩作用，无法将其移除。向堆肥中添加生物炭调理剂能够有效促进重金属的钝化，达到固定重金属并减少其生物有效性的目的。但不同原料制得的生物炭理化性质具有较大差异，影响其对污泥堆肥中重金属的钝化效果。介绍了生物炭的制备与理化性质，分析了不同类型生物炭添加污泥堆肥后对重金属的含量及钝化效果差异，并对生物炭作为调理剂钝化污泥堆肥重金属现存的不足做了简单的总结。

污泥好氧堆肥；生物炭；重金属

通过污泥好氧堆肥技术可以实现污水厂剩余污泥的二次利用，使其以土壤改良剂及肥料的形式回归土地[1]。该技术可以有效杀灭污泥中的虫卵、细菌和病毒等有害物质，但难以去除Cu、Cd、Cr、Pb、Zn和Ni等有害重金属[2-3]。研究发现，堆肥过程中有机质、水分、CO2及挥发性物质会不断消耗散失，堆体体积减小，产生“浓缩效应”，将会导致堆肥结束时重金属总量升高，影响腐熟污泥的土地利用效果[4]。欧共体标准物质局提出的BCR法将这些重金属分为可交换态、可还原态、可氧化态和残渣态，其中前两种形态的重金属易通过植物进入环境，而后两种形态不易被植物吸收利用[5]。因此，通过向污泥好氧堆肥中添加生物炭调理剂促使重金属向可氧化态和残渣态转化，实现对重金属的钝化，可以降低腐熟污泥对作物的危害。但不同原料制成的生物炭其理化性质有较大差异，对污泥堆肥中不同重金属的钝化效果也会有所不同。

本文对生物炭的制备与理化性质作了简要介绍，综述了几种常见类型生物炭对污泥堆肥重金属总含量与钝化效果差异的影响，总结了生物炭钝化污泥堆肥中重金属现存的一些不足。

1 生物炭的制备与理化性质

1.1 生物炭的制备

生物质在缺氧或无氧条件下加工生成的残余物称为生物炭，诸多农林、工业废弃物如花生壳、秸秆、芦苇甚至污泥、粪便等都能成为其原料来源。生物炭的制备有热解、烘焙、气化和水热碳化等技术[6]。目前广泛使用的是热解制备工艺。不同制备方法不仅会导致生物炭产量不同，还将使生物炭产物具有不同的性能和理化性质。

1.2 生物炭的理化性质

生物炭的物理性质包含密度、机械强度、粒径尺寸、孔隙结构和比表面积等，与原材料及热解条件相关[7]。李赟等研究发现，原材料性质的不同会造成大豆和高粱两种生物炭挥发、固定碳与灰分具有较大差异[8]。王章鸿等研究表明，生物炭产物的比表面积随着热解终温和恒温时间的增加逐渐增大，随升温速率的提高逐渐减小[9]。

生物炭的化学性质包含元素组成、酸碱性和表面化学性质等。生物炭的pH值一般呈碱性。有研究发现，生物炭的碱性与生物质和温度有关，热解温度越低，其碱性越弱[10]。生物炭表面还具有非常丰富的含氧、含氮和含硫官能团，不仅能够增强生物炭的吸附能力，还可以与污染重金属发生络合反应，降低污泥堆肥重金属的有效性[11]。炭化温度越低，生物炭官能团的数量和密度越大[12]。

2 生物炭钝化污泥堆肥重金属的研究进展

2.1 木质类生物炭钝化重金属的研究进展

高固定碳、低水分和灰分等特性使木质成为了良好的生物炭原料[13]。于川洋等通过研究污泥堆肥对土壤的改良效果发现，木屑生物炭的添加能够降低堆肥的盐分，缓解堆肥中重金属对植物的不利影响[14]。郇辉辉等在蚯蚓黏液与污泥堆肥中添加不同比例的竹炭生物炭，结果发现，堆肥中重金属的总量随竹炭的加入不断减小，且竹炭生物炭对 Pb、Zn和Ni具有良好的钝化效果，对Cu具有一定的活化效果[15]。这与蔡彩媛等得出的松木生物炭能够降低Zn、Cd重金属有效态并促使Cu有效态增大结论一致[16]。

沈杭等在添加苹果木生物炭进行污泥好氧堆肥时出现了明显的“浓缩效应”，堆肥结束后堆体重金属总量增大，但苹果木生物炭对Cu、Zn、Pb和Cd均显示出了良好的钝化效果[17]。蔡函臻等也得出了硬木炭与秸秆炭等碱性固体调质污泥堆肥后Cu、Zn的生物有效性得到降低的结论[18]。可见目前木炭生物炭对重金属Cu的钝化效果研究结论并不一致，可能与生物炭种类和自身理化性质有关，也可能受污泥堆肥操作工艺影响。

2.2 秸秆类生物炭钝化重金属的研究进展

水稻生物炭来源广泛、简单易制取，是常用的秸秆类堆肥添加剂。余亚伟等发现，水稻生物炭的添加对污泥堆肥Hg含量影响不大[19]。周楫等在污泥堆肥中施加水稻生物炭调理剂，结果显示，水稻生物炭对重金属总量的影响不大，但是对Ni吸收较多；添加水稻生物炭组的重金属有效态均有明显下降，而未添加水稻生物炭组钝化效果不明显[20]。

李思敏等向好氧污泥中添加不同比例的水稻秸秆生物炭，受“浓缩现象”影响，各组Cu、Cr、Ni、Pb 及 Zn含量在堆肥后均有所增加；生物炭对Cu、Cr、Pb和Zn 4种重金属可交换态钝化效果较好，但对Ni的钝化并不明显[21]。这与陈娜等和周鑫等得出的污泥堆肥后重金属总量增大而重金属交换态随稻壳炭的加入不断减小结论相同[22-23]。

范劲诗等探究了稻壳炭与蚯蚓联合污泥堆肥对重金属的影响。结果显示，一定含量稻壳生物炭的添加能促进堆肥中重金属的稳定化[24]。邵将等也将稻壳炭联合蚯蚓进行污泥堆肥，研究发现，加大生物炭添加比例能够降低污泥中重金属总量和Cu、Cd的活性[25]。这与孙伦涛等得出的稻壳炭联合蚯蚓黏液污泥堆肥对重金属有较好的钝化作用结论一致[26]。

由以上研究结果可以看出，水稻生物炭对重金属钝化效果的结论基本一致，水稻生物炭可以降低污泥堆肥系统中大部分重金属的活性，且钝化效果较好。

2.3 壳类生物炭钝化重金属的研究进展

花生壳生物炭是常见的壳类生物炭。岳建芝等探究了3种不同比例下花生壳生物炭对污泥堆肥的影响，结果显示在堆肥过程中，生物炭对Cu具有良好的钝化作用，且能降低Zn的活化程度[27]。焦点等将花生壳炭调理的污泥堆体用于盆栽实验，数据表明，花生壳炭可以显著降低污泥堆体重金属有效性，作物中重金属含量均低于国家标准，且Cu的含量比Zn低[28]。

贾洋洋等使用H2O2对花生壳生物炭进行改性，将改性后的生物炭作用污泥堆体后发现，Cu、Zn和Mn均得到了较好的钝化效果[29]。常兴涛等探究了花生壳炭和H2O2改性花生壳炭对污泥堆肥重金属的影响，结果表明，两者对污泥中重金属均具有一定的钝化效果，H2O2改性后的花生壳炭对污泥中重金属的钝化效果更好[30]。

2.4 其他类生物炭钝化重金属的研究进展

席晓黎等采用化学活化法将污水厂剩余污泥制备为污泥生物炭，将其添加至污泥堆肥，研究表明，污泥生物炭对重金属Cr、Cu的钝化有效果，且污泥生物炭添加量越大，钝化效果越好[31]。

此外，当前制备得到的生物质炭普遍呈碱性，而酸性生物质炭在调理pH值较高的剩余污泥时可能更具优势。严兴等在研究微生物发酵菌和蘑菇渣及生物质炭调理污泥堆肥时发现，酸性生物质炭对降低重金属Cu、Pb、Ni和Cr有效态发挥了显著作用[32]。黄俊熙等设计了酸性生物炭调理污泥堆肥后的土壤改良实验，数据表明，在土壤中检出的重金属含量较低，不易对作物和环境造成污染[33]。

3 总结与不足

污泥堆肥过程中，添加生物炭能够有效降低有害重金属的生物有效性，起到良好的钝化效果。总体来说，不同类型的生物炭均能促进污泥中大部分有害重金属由有效态向残渣态转化，降低二次利用对环境的污染。

木质类生物炭显示出了对Zn、Cd和Pb等良好的钝化作用，但对重金属Cu的钝化效果存在争议，部分木质生物炭反而诱导堆肥中Cu的活化。相比而言，秸秆类生物炭对重金属的钝化效果表现更稳定，水稻生物炭对Cu、Cr、Ni、Pb和Zn等重金属有效性均起到了较好的降低作用，与蚯蚓联合堆肥后对重金属钝化效果更佳。

与木质类生物炭相反，壳类生物炭对促进重金属Cu的钝化表现良好，但其对重金属Zn的钝化表现相对较差。改变花生壳生物炭添加比例对钝化程度的影响并不明显，而通过氧化改性后的生物炭能够对Cu、Zn和Mn等重金属具有较好的钝化效果。

此外，污泥和粪便等也可制备为生物炭作为好氧堆肥的调理剂。但因原材料自身含有较高含量重金属等原因，将该类生物炭应用于污泥好氧堆肥钝化重金属的研究较少。同时，酸性生物炭目前在钝化污泥重金属方面表现较为不错，但该领域的研究仍有待探索。

虽然已知生物炭在钝化污泥中重金属过程中起到了重要作用，但目前将生物炭应用于污泥好氧堆肥的研究还有以下不足之处：

1）目前生物炭调节污泥好氧堆肥作用机制尚不明确，生物炭如何吸附污泥中重金属、促进重金属钝化作用方式等均需深入探究。分析生物炭理化性质与重金属形态之间的关系，对改良生物炭钝化污泥有害重金属很有帮助。

2）现阶段对于生物炭钝化污泥堆肥中重金属的研究较为分散且有较大差异，应系统比对不同类型生物炭对单一重金属的钝化效果，筛选出优秀组合，实现可有针对性地钝化和去除某一特定类型重金属污染。

3）堆肥后的腐熟污泥经土地利用后可能在土壤中累积，所含重金属仍有可能再次活化，还应进一步关注污泥施用后重金属形态含量的变化。

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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，满族，辽宁省葫芦岛市人，2021年毕业于沈阳建筑大学给排水科学与工程专业，研究方向：污泥堆肥处理。

亢涵（1982-），女，副教授，研究方向：水资源利用及污染控制。