王旭東， 任雪冰， 湯舒， 郭琴， 薛夢(mèng)瑤， 金鵬， 張?jiān)迫A*

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036； 2.安徽省環(huán)境保護(hù)宣傳教育中心，合肥 230061）

隨著人口快速增加和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)產(chǎn)生了大量的污泥廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)污泥產(chǎn)量已超過(guò)6 000萬(wàn)t（以含水率80%計(jì)），預(yù)計(jì)2025年，我國(guó)污泥年產(chǎn)量將突破9 000萬(wàn)t[1]。污泥通常含有高水平的有機(jī)污染物、病原體、重金屬等，含水率高且易發(fā)出刺激性氣味，難以直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面，若不能妥善處置會(huì)對(duì)環(huán)境和人類造成較大的危害[2]。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，厭氧消化、有氧發(fā)酵、熱解等污泥處理方式得到廣泛使用，處理目標(biāo)從開(kāi)始的減量化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇p量化、資源化、無(wú)害化。污泥含水率高、有機(jī)質(zhì)含量豐富，推行有效的處理方式可實(shí)現(xiàn)污泥的二次利用，降低污泥廢棄物對(duì)環(huán)境的污染，因此，污泥的合理處置逐漸成為近些年的研究熱點(diǎn)[3]。

近些年來(lái)，生物炭作為一種來(lái)源廣泛、功能多元的新型材料受到了廣泛的關(guān)注。生物炭是一種在缺氧環(huán)境下由生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化獲得的固體材料[4]，其化學(xué)成分主要取決于生物質(zhì)原料和熱解過(guò)程，具有多孔隙、富碳、吸附能力強(qiáng)、比表面積大、耐生物分解等特點(diǎn)[5-6]，同時(shí)其性質(zhì)也受試驗(yàn)反應(yīng)儀器的設(shè)計(jì)、氣體流速和熱解后處理方式的影響[7]。通常，生物炭的生產(chǎn)可以使用各種含碳生物質(zhì)原料，其中很多被認(rèn)為是有機(jī)廢物，如秸稈、果殼、豬糞、污泥等[8-9]。與其他制備生物炭的原料相比，污泥來(lái)源廣泛、成本低廉，且避免了污泥直接排放進(jìn)入環(huán)境造成的危害，熱解產(chǎn)生的生物炭可以作為土壤改良劑、吸附劑和催化劑等進(jìn)一步利用，既實(shí)現(xiàn)了污泥穩(wěn)定減量，又可以避免污泥營(yíng)養(yǎng)成分的流失；同時(shí)，污泥熱解過(guò)程中產(chǎn)生生物油和合成氣可作為化工原料用于制熱和發(fā)電，在鍋爐、內(nèi)燃機(jī)等設(shè)備中加以利用[10]。本文通過(guò)對(duì)污泥成分和生物炭制備的介紹，進(jìn)一步闡述了污泥生物炭的表征及其不同制備條件下影響差異；同時(shí)，分析了污泥生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)、重金屬含量的影響及改良，并對(duì)污泥生物炭的制備及土壤應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了探討和總結(jié)。

1 污泥成分及污泥生物炭制備

1.1 污泥成分及特性

污泥是污水處理廠處理生活、工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)污水過(guò)程中難以避免的副產(chǎn)物[11]，其成分和特征比常規(guī)生物質(zhì)變化大，受來(lái)源、污水處理系統(tǒng)、環(huán)境季節(jié)變化等條件的顯著影響[10]。污水污泥的成分主要包括無(wú)毒有機(jī)碳化合物、含氮和含磷成分、有毒無(wú)機(jī)物（如鋅、鉛、銅、鉻、鎳、鎘、汞和砷）和有機(jī)污染物（如多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、二噁英）、病原體和其他微生物污染物、無(wú)機(jī)化合物（如硅酸鹽、鋁酸鹽和含鈣和鎂的化合物）及水，其中無(wú)毒有機(jī)化合物約占干基的60%，主要包括核酸、蛋白質(zhì)、多糖、腐殖質(zhì)、脂類、腐爛產(chǎn)物和未消化的有機(jī)物[12-13]。

1.2 污泥生物炭制備方法

污水污泥中含有大量的生物質(zhì)，可以根據(jù)不同的熱解方式轉(zhuǎn)化為污泥生物炭，熱解工藝流程如圖1所示。熱解過(guò)程是指有機(jī)物先經(jīng)過(guò)一定的預(yù)處理過(guò)程（脫水/風(fēng)干、粉碎和篩分等）后進(jìn)行熱化學(xué)分解過(guò)程，然后對(duì)熱解產(chǎn)物進(jìn)行簡(jiǎn)單處理以獲得生物炭、生物油和合成氣[14]。通過(guò)熱解過(guò)程從有機(jī)物中生產(chǎn)生物炭，同時(shí)生物炭也可以是生物油或其他生物燃料生產(chǎn)的副產(chǎn)品，熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率取決于生物質(zhì)原料的特性和合適的熱解過(guò)程[15]。目前制備生物炭主要采用常規(guī)熱解、微波熱解、水熱炭化等方法[16]。

圖1 污泥熱解工藝流程Fig.1 Process flow chart of sludge pyrolysis

1.2.1 常規(guī)熱解法 常規(guī)熱解是指在厭氧條件下對(duì)污泥進(jìn)行高溫?zé)峤獾倪^(guò)程，是生物炭生產(chǎn)中最常見(jiàn)的方法[17]。常規(guī)熱解制備生物炭根據(jù)加熱速率、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件可分為慢速熱解技術(shù)、中速熱解技術(shù)、快速熱解技術(shù)、閃速熱解技術(shù)4種技術(shù)類型[18]，各類型特點(diǎn)如表1所示。熱解溫度越低、停留時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生生物炭的比例越高；熱解溫度和加熱速率越高，越利于合成氣和生物油的產(chǎn)生。與慢速熱解過(guò)程相比，快速熱解和閃速熱解主要產(chǎn)物為生物油，炭生成比例較低，需要更快的加熱速率和更短的停留時(shí)間[21]。

表1 常規(guī)熱解制備生物炭方法［11，14，19-20］Table 1 Preparation of biochar by conventional pyrolysis［11，14，19-20］

1.2.2 微波熱解法 與熱解副產(chǎn)品的電加熱或燃燒裂解加熱方法不同，微波輔助熱解是通過(guò)微波介電加熱效應(yīng)對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行高效選擇性加熱的過(guò)程[22]。微波加熱不使用外部溫度場(chǎng)加熱生物質(zhì)，而是微波能量通過(guò)電磁場(chǎng)中分子的攪動(dòng)將微波能量在顆粒內(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱能，形成熱量從原料顆粒的內(nèi)部擴(kuò)散到外部的溫度梯度，并且釋放的揮發(fā)性物質(zhì)通過(guò)較低溫度區(qū)域從內(nèi)核擴(kuò)散到外表面[23-24]，微波加熱和非微波加熱的溫度分布如圖2所示，微波熱解熱量在材料整體內(nèi)形成，非微波熱解熱量從材料外部傳遞到內(nèi)部[25]。與常規(guī)熱解相比，微波熱裂解法制備污泥具有能量效率更高、反應(yīng)速率更快、更便于控制、運(yùn)行成本更低和產(chǎn)品質(zhì)量更高的特點(diǎn)[26-27]。此外，在微波熱解過(guò)程中原料污泥、熱解溫度、反應(yīng)時(shí)間、化學(xué)添加劑等因素均影響制備污泥生物炭的產(chǎn)量和品質(zhì)。Fang等[28]研究了微波輔助熱解參數(shù)（溫度、加熱速率和停留時(shí)間）和添加劑對(duì)污泥生物炭性能和磷遷移轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)果表明，污泥生物炭pH、比表面積和總磷含量隨著微波熱解溫度和加熱速率的增加而增加，較長(zhǎng)的熱解停留時(shí)間和CaO添加劑促進(jìn)了非磷灰石向磷灰石的轉(zhuǎn)化。

圖2 污泥揮發(fā)性物質(zhì)的傳質(zhì)方向［25］Fig.2 Mass transfer direction of volatile matters of sewage sludge［25］

1.2.3 水熱炭化法 污泥水熱炭化是在一定的溫度和氣壓下，反應(yīng)中使用水作為溶劑介質(zhì)，在無(wú)氧條件下經(jīng)過(guò)水解、脫水、脫羧、縮合、聚合和芳構(gòu)化以產(chǎn)生最終產(chǎn)物污泥生物[29]。與傳統(tǒng)的干熱預(yù)處理相比，水熱炭化工藝具有許多優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高熱處理的效率，尤其是在無(wú)需預(yù)干燥的情況下處理濕原料的能力，水熱炭化使生物質(zhì)廢物均質(zhì)化，熱解過(guò)程相對(duì)于常規(guī)技術(shù)具有更好的燃料效率和能量效率[30]。水熱炭是水熱炭化中的主要穩(wěn)定固體產(chǎn)物，本質(zhì)上是疏水性的，具有大量穩(wěn)定的炭和營(yíng)養(yǎng)成分，對(duì)土壤改良起重要作用[31]。與初始污泥相比，污泥水熱炭通常具有較低的揮發(fā)性物質(zhì)含量和較高的灰分含量，同時(shí)固定碳含量有一定的增加[29]。與常規(guī)熱解生物炭相比，水熱炭的炭化程度低，燃料特性更強(qiáng)，氫炭比更高，疏水性更強(qiáng)，芳香性更低[30,32]。

2 污泥生物炭表征

2.1 污泥生物炭的組成成分

生物炭是一種高度不均勻的物質(zhì)，主要由單質(zhì)碳、揮發(fā)分、灰分和石墨等組成[33]。污泥生物炭的元素含量和類型受原料性質(zhì)、熱解方法、熱解工藝參數(shù)等因素的影響。生物炭的碳（C）含量取決于原料和熱解溫度，原料污泥的碳含量約19.9%～37.9%，隨著熱解溫度升高制成的生物炭碳含量降低，約10%[34-36]。氫（H）、氧（O）元素含量均會(huì)隨著生物炭熱解過(guò)程逐漸降低，其中H/C通常用作評(píng)估生物炭芳香度和礦化能力的指標(biāo)，其值隨著熱解反應(yīng)溫度的上升而降低，污泥生物炭的芳香度升高；O/C可用于檢測(cè)土壤中生物炭的穩(wěn)定性，其值通常隨熱解溫度的升高而降低，表明O基官能團(tuán)含量較低的生物炭更穩(wěn)定[37]。氮和磷元素是污泥生物炭中重要的營(yíng)養(yǎng)元素，其中氮元素主要以銨鹽-氮、蛋白質(zhì)-氮、吡咯-氮、吡啶-氮4種形態(tài)存在；磷元素主要以磷酸鹽的無(wú)機(jī)態(tài)形式存在。隨著熱解溫度升高，氮含量降低，磷含量升高[38-39]。污泥成分的多樣性、復(fù)雜性導(dǎo)致污泥基生物炭中的灰分含量較其他生物質(zhì)中提取的生物炭高[40]，Zhang等[41]比較了污水污泥、玉米秸稈和椰子殼制成生物炭的特性，在400、500、600 ℃下制成的污泥生物炭灰分含量分別為42.2%、56.3%、67.3%，遠(yuǎn)高于其他2種原料制成的生物炭。此外，污泥制備生物炭能有效地固定污泥中含有的有毒有機(jī)物（如染色劑、添加劑等）和重金屬（如鋅、銅、鉻）等，由于污泥有機(jī)質(zhì)的分解，重金屬總量隨熱解溫度的升高而增加，但生物炭化學(xué)形態(tài)和機(jī)制特征變化使得重金屬轉(zhuǎn)化為難以被生物吸收的可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，從而使污泥生物炭的重金屬生物有效組分減少，降低了生物炭重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[42]。

2.2 污泥生物炭的理化特性

生物炭的pH隨熱解溫度的增加而升高，而污水污泥的pH對(duì)于最終形成的生物炭影響較小[43]。大部分污泥呈酸性或中性，在熱解過(guò)程中污泥中的堿鹽從熱解結(jié)構(gòu)中釋放出來(lái)，在較高的熱解溫度下，隨著含氧官能團(tuán)的分解酸性表面官能團(tuán)的數(shù)量減少，使得生物炭的pH隨著熱解溫度的升高逐漸由酸性、中性向堿性較變[44]。研究表明，當(dāng)熱解溫度大于550 ℃時(shí)，污泥生物炭表現(xiàn)出堿性特征，850 ℃時(shí)堿性達(dá)到最大[45]。污泥生物炭陽(yáng)離子交換量（cation exchange capacity，CEC）隨反應(yīng)溫度的升高而降低，如Méndez等[34]研究發(fā)現(xiàn)，熱解溫度為400和600 ℃時(shí)，陽(yáng)離子交換量分別為29.90和11.67 cmol·kg-1。污泥生物炭的比表面積和孔隙度受熱解原料、熱解溫度、加熱速率等因素影響，當(dāng)溫度增加時(shí)揮發(fā)性有機(jī)物逐漸揮發(fā)，孔隙打開(kāi)，表面積增大；加熱速率過(guò)低時(shí)，易生成不規(guī)則孔隙結(jié)構(gòu)[46]。

3 污泥生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)及重金屬的影響

近些年，長(zhǎng)期過(guò)度地施用農(nóng)藥、化肥使得農(nóng)業(yè)土壤造成不同程度的污染和肥力流失，引起了廣泛關(guān)注。土壤物理結(jié)構(gòu)和肥力決定了植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量和品質(zhì)，污泥生物炭能有效地影響土壤理化性質(zhì)，作為土壤改良劑有很大的應(yīng)用潛力。

3.1 污泥生物炭對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

土壤物理性質(zhì)直接或間接地影響土壤提供的服務(wù)，包括植物根系的生長(zhǎng)、通氣、水分吸收及地表水污染、侵蝕等。土壤物理性質(zhì)主要包括土壤容重、土壤含水量、土壤孔隙度、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性等。

土壤含水量是生態(tài)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境中重要的水分變化監(jiān)測(cè)指標(biāo)。將具有孔隙多、表面積大特性的污泥生物炭添加進(jìn)土壤可以改善土壤通氣性，使土壤吸附保留更多的水分，提高土壤的持水能力[47]。研究表明，土壤水分含量與生物炭添加量呈正相關(guān)，Su等[48]在土壤中施入不同含量的污泥生物炭，結(jié)果表明土壤含水量均顯著增加，其中添加10%污泥生物炭處理的土壤含水量增加187.2%。污泥生物炭的添加有利于土壤結(jié)構(gòu)的形成，土壤孔隙的吸水和保水作用提高了水分入滲能力，影響土壤水分遷移過(guò)程，減少水分流失。同時(shí)，土壤含水量還受土壤基質(zhì)類型及添加生物炭的粒徑、比表面積等因素影響。研究表明，在砂質(zhì)土壤中施用生物炭比在粘土中更能增加土壤持水量[49]。

土壤容重是土壤物理性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是生物炭應(yīng)用中研究最多的特性之一。土壤容重的降低有利于疏松土壤，增加孔隙結(jié)構(gòu)，避免土壤過(guò)于緊實(shí)不利于植株萌發(fā)生長(zhǎng)。研究表明，添加生物炭能夠有效降低土壤容重3%～31%，降低程度受土壤類型和生物炭添加量等因素影響。添加生物炭后，粗質(zhì)地土壤容重降低和保水能力增加的程度大于細(xì)質(zhì)地土壤，可能是由于生物炭和沙粒間的尺寸和密度差異大于生物炭和粘土顆粒[50-51]；向種植小麥的土壤中添加秸稈生物炭和污泥生物炭，均可降低土壤容重，其中秸稈生物炭處理的土壤容重顯著降低18%[52]；齊秀靜等[53]于2017—2019年向鹽池土壤中施入污泥生物炭，發(fā)現(xiàn)0—80 cm土層的平均土壤容重從1.605 g·cm-3降至1.208 g·cm-3。污泥生物炭的容重小于土壤，施用生物炭能降低大塊土壤的密度，同時(shí)提高土壤孔隙度并形成穩(wěn)定的團(tuán)聚體。生物炭的顆粒粒徑、機(jī)械強(qiáng)度、孔隙分布和連接性及生物炭在土壤中的遷移、施用量等因素均對(duì)土壤孔隙度有不同程度的影響，多孔結(jié)構(gòu)的生物炭應(yīng)用到土壤中能增加土壤的孔隙度和吸附能力，同時(shí)有利于土壤微生物的活動(dòng)[54-55]。

3.2 污泥生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤pH是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，生物炭中的鈉、鉀、鈣等灰分元素以氧化物、無(wú)機(jī)鹽的形式溶于水，使得生物炭pH呈堿性。添加堿性的生物炭能有效地調(diào)節(jié)土壤pH，土壤pH升高有利于降低土壤重金屬的有效性和遷移性，增加植物營(yíng)養(yǎng)元素的可利用性[33]。研究發(fā)現(xiàn)，將在500 ℃熱解2 h制備成的污泥生物炭施入酸化土壤中，可以有效提高土壤pH，且土壤pH與污泥生物炭的施用量呈正比；與對(duì)照相比，污泥生物炭添加量為2%和4%時(shí)，土壤pH分別提高1.14和1.82[52]。Hossain等[56]向酸性土壤中添加pH為8.2的熱解污泥生物炭，土壤pH從4.3增加到4.6。因此，污泥生物炭可作為酸性土壤的改良劑，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育。

豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和比較大的比表面積使得污泥生物炭與土壤混合可有效促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，同時(shí)還能活化土壤穩(wěn)定態(tài)元素，提高土壤CEC，增強(qiáng)土壤吸附固定有效養(yǎng)分的能力[44]。研究表明，污泥生物炭作為土壤改良劑有利于促進(jìn)土壤肥力，提高植物礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和生物量。Méndez等[57]研究表明，泥炭土中添加10%（體積百分?jǐn)?shù)）的生物炭有利于提高土壤基質(zhì)中的氮、磷、鉀含量，且萵苣的生物量增加184%～270%，芽長(zhǎng)增加137%～147%。Rehman等[58]研究表明，污泥生物炭能顯著提高植物生物量和植株中的磷、鉀含量。此外，污泥生物炭的添加還有助于提高土壤微生物的活性和數(shù)量[57]。

3.3 污泥生物炭對(duì)土壤的重金屬修復(fù)

受污染的土壤中主要含有鉛、鋅、銅、鎘、鉻、鎳和砷等生物毒性較高的重金屬元素，這些重金屬難以降解，且易在農(nóng)作物中富集，進(jìn)而影響人類的健康。與其他原材料相比，污泥富含更多的營(yíng)養(yǎng)元素和礦物質(zhì)，能更有效地提高土壤肥力。然而，污泥作為污水處理過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)品，含有較多的有毒、有害重金屬，使得污泥資源化利用存在風(fēng)險(xiǎn)，難以直接應(yīng)用于土壤改良[56,59]。與國(guó)家農(nóng)用污染物控制標(biāo)準(zhǔn)值相比，我國(guó)污泥重金屬大部分都存在超標(biāo)的情況，未達(dá)到直接利用的條件（表2）[60]。Singh等[61]研究發(fā)現(xiàn)，與未改良的土壤相比，在污水污泥生物炭改良的土壤中種植蔬菜，其鉛、鉻、鎘、銅、鋅和鎳含量均較對(duì)照增加。Wang等[62]研究了紡織印染污泥在300～700 ℃的溫度下熱解產(chǎn)生的污泥生物炭中重金屬（鋅、銅、鉻、鎳、鎘和錳）的特征和風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明，這些重金屬的總含量隨著熱解溫度的升高而增加，可能是由于污泥中有機(jī)物的熱分解所致，熱解過(guò)程促進(jìn)了化學(xué)形態(tài)和生物炭基質(zhì)特征的變化，使得生物炭中重金屬的生物有效組分減少，特別是在400 ℃以上熱解后，重金屬的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)從污泥中的高風(fēng)險(xiǎn)降低到生物炭中的低風(fēng)險(xiǎn)或無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。將污泥制備成生物炭后，大部分重金屬富集在生物炭中，但通過(guò)熱解大部分重金屬形態(tài)由流動(dòng)性較高的交換態(tài)、還原態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定、難以利用的氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)[38,63]。

表2 中國(guó)城市污泥重金屬含量分布（2006—2013）［60］Table 2 Concentration of heavy metals in sewage sludge of China（2006—2013）［60］

研究表明，將污泥生物炭施入土壤會(huì)增加土壤重金屬總量，但生物炭豐富密集的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積能夠有效地吸附固定土壤中的重金屬，使大部分重金屬集中在生物有效性低的殘留部分，降低了植物對(duì)重金屬的吸收累積。Méndez等[64]比較了未經(jīng)處理的污水污泥和污泥熱解產(chǎn)生的生物炭對(duì)地中海農(nóng)業(yè)土壤重金屬的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)污泥熱解制備生物炭的過(guò)程降低了污泥中重金屬的流動(dòng)性和浸出風(fēng)險(xiǎn)；與污泥處理相比，生物炭處理的土壤銅、鎳和鋅的浸出風(fēng)險(xiǎn)更低，同時(shí)有效降低了植物對(duì)鎳、鋅、鎘和鉛的吸收。Chagas等[65]通過(guò)3年田間試驗(yàn)對(duì)比了不同熱解溫度下獲得的污泥生物炭對(duì)熱帶土壤重金屬積累、有效性和生物積累的殘留影響，結(jié)果表明在不同溫度條件下制備的污泥生物炭均能有效固定土壤中鎘、鈷、鉻和鉛等重金屬物質(zhì)。

4 國(guó)內(nèi)外污泥生物炭對(duì)土壤的應(yīng)用進(jìn)展

4.1 污泥單一制備生物炭土壤應(yīng)用

污泥生物炭對(duì)土壤的改良旨在提高土壤持水保肥能力，降低土壤重金屬、有機(jī)污染物等遷移帶來(lái)的潛在危害，因此是個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程。Yue等[66]將不同比例的污泥生物炭施用到種植草坪草的城市土壤中，結(jié)果表明施用生物炭后土壤的全氮、有機(jī)碳、黑碳、速效磷和速效鉀含量均顯著增加；且隨著生物炭添加量的增加草坪草的干物質(zhì)按比例增加。Khan等[67]通過(guò)水稻盆栽試驗(yàn)，研究了污泥生物炭（550 ℃熱解6 h，無(wú)氧）對(duì)生物產(chǎn)量、養(yǎng)分生物積累、重金屬等因素影響，發(fā)現(xiàn)污泥生物炭增加了土壤pH及土壤全氮、有機(jī)碳和有效養(yǎng)分含量，降低了砷、鉻、鈷、鎳和鉛的生物有效性；同時(shí)增加了水稻莖生物量、谷物產(chǎn)量和鈉、磷在水稻植株中的生物累積，但降低了氮（除谷粒外）和鉀的生物累積。另外，污泥生物炭對(duì)于土壤中有機(jī)污染物的吸附也具有一定作用，Zielińska等[68]研究了添加污泥生物炭對(duì)土壤芘（pyrene，PYR）和菲（phenanthrene，PHE）的影響，結(jié)果表明污泥生物炭顯著提高了土壤對(duì)苯丙氨酸和吡咯的吸附親和力。

4.2 污泥共熱生物質(zhì)制備生物炭的土壤應(yīng)用

在土壤中應(yīng)用污泥生物炭有利于提高土壤肥力及吸附固定重金屬，提高土壤微生物量[69]。相比于其他生物炭原料（如秸稈、果殼、糞便等），污泥的灰分含量更高，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低，在土壤碳固存、有機(jī)質(zhì)固定等方面存在一定的局限。通過(guò)不同生物質(zhì)與污泥共熱解，可篩選出能耗更低、性質(zhì)更好、更適合土壤改良的混合生物炭[70-72]。韓劍宏等[73]以質(zhì)量比5∶2的玉米秸稈和剩余活性污泥為原料，在不同溫度條件下熱解制備生物質(zhì)炭，將其施入鹽堿土壤，能夠顯著增加鹽堿土壤中的有機(jī)碳含量，并明顯提高土壤陽(yáng)離子交換能力，降低土壤水溶性鹽含量。Huang等[74]通過(guò)向污泥中添加秸稈和木屑進(jìn)行共熱解來(lái)降低生物炭中的重金屬含量，發(fā)現(xiàn)秸稈和木屑的加入降低了生物炭的產(chǎn)量，但顯著提高了生物炭中的有機(jī)質(zhì)含量，使得生物炭的熱穩(wěn)定性、表面積和孔隙體積和重金屬總量降低。生物質(zhì)的添加增加了生物炭的有機(jī)質(zhì)含量，降低了重金屬含量，但同時(shí)可能導(dǎo)致生物炭產(chǎn)率降低，比表面積減少，因此，應(yīng)使用合適的催化劑。除共熱制備污泥生物炭外，還可通過(guò)對(duì)污泥進(jìn)行改性預(yù)處理來(lái)達(dá)到提高生物炭物化性質(zhì)的目的。常見(jiàn)的污泥改性方法有酸堿改性、浸漬法改性和蒸汽改性等[75]。

另外，不同的土壤類型也可能影響污泥生物炭對(duì)于土壤的改良效果。Omondi等[51]通過(guò)數(shù)據(jù)薈萃分析量化了生物炭對(duì)選定土壤性質(zhì)的影響，生物炭顯著改善了土壤理化指標(biāo)，其中平均土壤容重降低7.6%，土壤孔隙度增加8.4%，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加8.2%，土壤有效含水量和飽和導(dǎo)水率分別提高15%和25.2%，這些指標(biāo)在粗質(zhì)地土壤中的變幅大于細(xì)質(zhì)地土壤。然而，在不同土壤條件下，污泥生物炭對(duì)土壤不同養(yǎng)分的保留和污染物吸附的長(zhǎng)期研究仍相對(duì)較少。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展污泥的產(chǎn)量逐年增加，傳統(tǒng)的污泥處理方式在資源化、無(wú)害化等方面都不再適用。同時(shí)，相比于其他廢棄生物質(zhì)，高含水率和高重金屬含量的性質(zhì)使得污泥的處理難度更大。污泥熱解制備生物炭能有效減少污泥體積，消除污泥中有害細(xì)菌，同時(shí)制備得到的生物炭具有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素、孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積，是提高土壤肥力、修復(fù)受污染土壤的理想改良劑。污泥熱解制備生物炭可用于農(nóng)業(yè)或其他用途，但在應(yīng)用中還存在以下問(wèn)題。

（1）污泥的來(lái)源難以固定。不同污泥成分差異較大，同時(shí)熱解工藝方式不同，使得生成的生物炭在性質(zhì)和成分組成上差異較大，因此大規(guī)模批量生產(chǎn)成為難題。

（2）污泥熱解過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生有害氣體（H2S、HCN、NH3等），如何通過(guò)添加劑、催化劑等方式控制和降低有害氣體的生成有待深入研究。

（3）盡管污泥生物炭可長(zhǎng)期穩(wěn)定存在于土壤中，但由于土壤體系和類型的多樣，使得生物炭的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)組成必然會(huì)發(fā)生變化，生物炭老化的影響因素以及是否影響土壤重金屬的吸附穩(wěn)定還有待進(jìn)一步研究。

（4）共熱和改性污泥生物炭處于起步階段，有較大的探索空間。土壤類型復(fù)雜，在制備應(yīng)用過(guò)程中，不同原料和污泥是否存在協(xié)同、最佳工藝參數(shù)的差異、催化劑的選擇和使用等因素共同決定了改性污泥生物炭的性能和應(yīng)用前景，且改性污泥生物炭污染在不同條件是否會(huì)影響土壤的毒性污染等，這些都需要長(zhǎng)期的土壤改良研究來(lái)驗(yàn)證。