基于城市固體廢棄物的生物炭制備及其在垃圾填埋場(chǎng)和土壤改良的應(yīng)用研究進(jìn)展

　　摘要：城市固體廢棄物日益增長(zhǎng)已成為城市化發(fā)展中的一大棘手問(wèn)題。近年來(lái)，以城市固廢為原料制備生物炭為其資源化利用開辟了新思路，但在制備方式、影響因素及主要應(yīng)用領(lǐng)域仍缺乏有效闡述。首先介紹了生物炭的制備方式，系統(tǒng)分析了城市固廢原料、生產(chǎn)工藝對(duì)生物炭產(chǎn)率和性質(zhì)等影響;在此基礎(chǔ)上，概述了生物炭在垃圾填埋場(chǎng)治理修復(fù)(滲濾液處理、垃圾填埋場(chǎng)覆蓋、可滲透反應(yīng)墻材料)和土壤改良(理化性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)環(huán)境)的應(yīng)用現(xiàn)狀。結(jié)果表明：(1) 熱解和水熱碳化是城市固廢制備生物炭的常用方式，其形成的生物炭具有較大比表面積、孔隙率及更豐富的組分，對(duì)污染物質(zhì)(如碘離子、銅離子等)有較強(qiáng)的吸附能力;(2) 城市固廢自身特性及生產(chǎn)工藝都會(huì)對(duì)所得生物炭的性質(zhì)產(chǎn)生影響;(3) 以特定城市固廢生產(chǎn)的生物炭可用于垃圾填埋場(chǎng)修復(fù)和土壤改良，對(duì)填埋場(chǎng)造成的土壤、大氣、地下水污染均具有良好的處理效果，也能充分提高土壤養(yǎng)分的有效性。本文將為基于城市固廢的生物炭生產(chǎn)及環(huán)境治理修復(fù)的研究提供參考，在構(gòu)建無(wú)廢城市的同時(shí)也為“碳達(dá)峰”和“碳中和”的實(shí)現(xiàn)提供了思路，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境及建立可持續(xù)發(fā)展的資源節(jié)約型社會(huì)具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：城市固體廢棄物;生物炭;垃圾填埋場(chǎng);土壤改良

　　羅景陽(yáng); 李依; 李涵; 李怡冰; 章欽; 葛冉; 黃文軒， 環(huán)境工程 發(fā)表時(shí)間：2021-11-15

　　城市固體廢棄物(MSW)又稱城市生活垃圾，主要指城市居民日常生活或相關(guān)活動(dòng)中產(chǎn)生的固體廢物[1]。近年來(lái)，我國(guó)城市固廢產(chǎn)量飛速增長(zhǎng)，2019 年總產(chǎn)量為 21147.30 萬(wàn)噸[2] , 年平均增長(zhǎng)率達(dá)到了 6.2%。城市固廢產(chǎn)量的持續(xù)增長(zhǎng)及處理能力的落后導(dǎo)致城市固廢堆積問(wèn)題逐漸加劇，由此帶來(lái)的高昂處理成本及諸多環(huán)境問(wèn)題，將成為阻礙城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此，如何實(shí)現(xiàn)城市固廢的無(wú)害化、減量化和資源化處理是當(dāng)前城市發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。

　　生物炭(biochar)是生物質(zhì)原材料在無(wú)氧或限氧條件下，通過(guò)高溫裂解反應(yīng)生成的富含碳的炭質(zhì)材料，是一種優(yōu)質(zhì)吸附劑[3]。城市固廢中富含大量的有機(jī)質(zhì)，例如木材、樹葉、紙張、布料等，其均可作為生物炭的材料來(lái)源。與此同時(shí)，城市固廢中有機(jī)物含量基本在 45%以上[4]，在生物炭的生產(chǎn)過(guò)程中碳消耗量較少，因此利用城市固廢轉(zhuǎn)化生物炭逐漸成為城市固廢資源化重要處理方式之一。

　　由城市廢棄物衍生的生物炭具有良好理化性能。其較大的比表面積和孔隙率，能夠高效吸附各種氣體(SOX、NOX、H2S 等)，去除重金屬、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)[5]，并應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)，減少滲濾液和垃圾填埋氣(LFG)的排放。在全球溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重的今天，通過(guò)碳捕集的方式固定溫室氣體，為有效實(shí)現(xiàn)“碳中和”提供思路。另一方面，生物炭呈弱堿性，具有較強(qiáng)的持水能力，可以有效改善土壤的性質(zhì)[6]，提高養(yǎng)分的有效利用[7]。因此，在城市固體廢棄物產(chǎn)量日益增加的嚴(yán)峻形勢(shì)下，利用其生產(chǎn)生物炭，實(shí)現(xiàn)了廢棄物的減量化和資源化，對(duì)實(shí)現(xiàn)城市固廢的高效處理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展的資源節(jié)約型社會(huì)具有重要意義(圖 b)。

　　本論文主要綜述了以城市固體廢棄物作為原料制備生物炭的技術(shù)，同時(shí)從城市固廢類型及不同生產(chǎn)工藝的角度分析了其對(duì)生物炭特性的影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)了生物炭在垃圾填埋場(chǎng)和土壤方面的應(yīng)用，并結(jié)合研究現(xiàn)狀中的不足對(duì)今后的發(fā)展方向提出了展望。

　　1 基于城市固體廢棄物的生物炭制備

　　1.1 生物炭的制備方法

　　根據(jù)來(lái)源的不同，城市固體廢棄物可粗分為生活固體廢棄物和工業(yè)固體廢棄物。典型的工業(yè)固體廢棄物如粉煤灰、礦渣、赤泥等，含碳量低，重金屬含量高[8];而生活固體廢棄物(主要包括果殼等生活垃圾、廢紙、織物等)有機(jī)質(zhì)含量高達(dá) 45%以上，因此是城市固廢中制備生物炭的主要原料[9]。目前，城市固廢主要通過(guò)熱解和水熱碳化兩種方式轉(zhuǎn)化為生物炭。

　　1.1.1 熱 解

　　熱解是指在無(wú)氧或缺氧條件下，將生物質(zhì)加熱至 200～900℃，使其發(fā)生異構(gòu)化、化合鍵斷裂和小分子聚合等反應(yīng)。熱解過(guò)程產(chǎn)生的二次污染較小，對(duì)環(huán)境更加安全，是城市固廢轉(zhuǎn)化為生物炭最常用的方式。根據(jù)不同的反應(yīng)條件，熱解可分為常規(guī)熱解、快速熱解和閃速熱解三種類型(表 1)。快速熱解具有較高的加熱速率，主要產(chǎn)物為生物油(70%)，生物炭產(chǎn)量較少(10%)[10]。閃速熱解主要是通過(guò)在較高溫度下經(jīng)過(guò)較短的停留時(shí)間和極高的升溫速率實(shí)現(xiàn)瞬間裂解，產(chǎn)物主要為氣體能源。常規(guī)熱解指在較慢升溫速率下發(fā)生的熱裂解，具有加熱速率低、生物炭產(chǎn)量高(35%)的特點(diǎn)[11]。因此，為了提高產(chǎn)量，生物炭的生產(chǎn)常采用常規(guī)熱解方式。但是，JIAN 等[12]發(fā)現(xiàn)熱解產(chǎn)生的生物炭的吸附作用主要依靠其表面的物理吸附，吸附效果有限。

　　1.1.2 水熱碳化

　　水熱碳化(HTC)是一種新興的熱化學(xué)預(yù)處理工藝，通過(guò)將生物質(zhì)置于 180～280℃、壓力 2～10 MPa 的惰性氣體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，與熱解生物炭相比，HTC 形成的生物炭(水熱炭)主要靠離子交換和絡(luò)合作用完成吸附，可大大提高對(duì)亞甲基藍(lán)、碘離子和銅離子等污染物的吸附效果[12, 14]。例如，水熱炭的最大銅吸附量為 169.3 mg/kg，比熱解生物炭(50.5 mg/kg)高出三倍以上。另外，HTC 法不需要干燥處理原料，能夠很好地處理高水分含量的生物質(zhì)，降低了生物炭生產(chǎn)的能量和成本，是一種簡(jiǎn)單且節(jié)能的產(chǎn)碳途徑[15]。HTC 目前在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模已取得一些進(jìn)展，但如何克服水熱碳化復(fù)雜的操作障礙，使其大規(guī)模投入商業(yè)生產(chǎn)，是目前面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。另外，由于城市固廢種類多、性質(zhì)差異大，城市固廢的前期分選工作(如減少重金屬的含量)是限制城市固廢生產(chǎn)生物炭并應(yīng)用的難題之一。隨著垃圾分類的普及，城市固廢的預(yù)處理流程是否會(huì)得到優(yōu)化，還需要進(jìn)一步研究。

　　1.2 生物炭性質(zhì)及其影響因素

　　城市固廢衍生生物炭的性質(zhì)與其環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域及效能密切相關(guān)。ASHIQ 等[16]發(fā)現(xiàn)，與其他生物炭相比，基于城市固廢的生物炭具有較大的比表面積及孔隙率，在污染物的吸附和去除等方面具有更大的應(yīng)用潛力。例如，以木質(zhì)、殼類、糞污等城市固廢為原料制備的生物炭平均比表面積為 124.83 m2 /g [17]，而雞糞、污泥、椰殼制備的生物炭比表面積可分別達(dá)到 246.17、 297.5 和 1379 m2 /g。另外，以果木、柿木等材料為原料制備的生物炭具有較大的孔隙度，分別為 53.14%、51.06%和 50.8%[18]，并且其 C 含量最高可達(dá) 92%[17]，遠(yuǎn)大于普通生物炭 40%的含碳量;此外，基于城市固廢的生物炭成分也更加豐富，包括 O、H、N 和 S [19]及多種無(wú)機(jī)元素。進(jìn)一步研究[20]發(fā)現(xiàn)，由于城市固廢原料的特異性及生產(chǎn)工藝的不同，將影響合成生物炭的理化性質(zhì)。如表 2 所示，不同城市固廢的各種成分含量有著較大差別。木質(zhì)纖維素和水分含量是影響城市固體廢棄物生產(chǎn)生物炭的主要因素。一方面，城市固廢如(紙、木、布等)含水率最高可達(dá) 87%，故其分解過(guò)程中將會(huì)發(fā)生額外蒸發(fā)，從而一定程度上造成資源浪費(fèi)。另一方面，Yang 等[11]觀察到了生物質(zhì)主要成分的熱降解順序：半纖維素>纖維素>木質(zhì)素，其中木質(zhì)素產(chǎn)生的固體殘留物最高(~40%)，三者在熱解過(guò)程中的能量消耗和產(chǎn)氣特性等表現(xiàn)出一定差異性。此外，不同類型城市固廢的 C、H、O 及灰分含量表現(xiàn)出了巨大差異，這也進(jìn)一步說(shuō)明了城市固廢的原料選擇與生物炭性質(zhì)之間的重要聯(lián)系。

　　另外，熱解和 HTC 等不同制備方式也會(huì)對(duì)生物炭的產(chǎn)率和特性產(chǎn)生一定的影響(表 3)。隨著反應(yīng)溫度的升高，焦炭(熱解產(chǎn)物)和水熱炭(HTC 產(chǎn)物)產(chǎn)率均下降，但水熱碳產(chǎn)率總體不會(huì)大于焦炭，意味著 HTC 過(guò)程中生物質(zhì)被更徹底的分解和炭化[25]。焦炭的灰分含量是水熱炭的 8～18 倍，這主要與其中的金屬元素含量有關(guān)。LIU 等[26]研究表明焦炭能 100%保留原料中的所有金屬，而水熱炭中各種金屬的保留率均低于 40%。另外，焦炭保留的氧氣百分比更高，H/C 比較小。H/C 可以用作表征生物炭炭化或芳香化的參數(shù)，這也說(shuō)明與水熱炭相比，焦炭含有更多的炭質(zhì)結(jié)構(gòu)和芳香烴結(jié)構(gòu)，這對(duì)提升生物炭的化學(xué)穩(wěn)定性和生物學(xué)穩(wěn)定性具有重要意義。因此，通過(guò)熱解的方式制備生物炭產(chǎn)率高、其性能相對(duì)較好。

　　2 生物炭的應(yīng)用

　　生物炭通常偏堿性并含有大量的有機(jī)碳，同時(shí)具有較大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，因此表現(xiàn)出良好的持水能力及陽(yáng)離子交換能力[28]，使其在垃圾填埋場(chǎng)污染治理及土壤改良方面發(fā)揮了重要作用(圖 2)。

　　2.1 垃圾填埋場(chǎng)

　　QIN 等[30]發(fā)現(xiàn)生物炭可應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)中滲濾液處理、垃圾填埋場(chǎng)覆蓋和可滲透反應(yīng)墻(PRB)等方面，增加有機(jī)物、重金屬的去除，減少甲烷、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)、硫化氫(H2S)等氣體的排放[31]，對(duì)填埋場(chǎng)造成的土壤、大氣、地下水污染均具有良好的治理效果(圖 3)。

　　2.1.1 滲濾液處理

　　垃圾填埋過(guò)程中產(chǎn)生的滲濾液中含有多種有毒有害的有機(jī)污染物和重金屬離子，產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。生物炭對(duì)滲濾液處理的有效性首先表現(xiàn)在對(duì)其有機(jī)物的處理方面。李廣科等 [33]發(fā)現(xiàn)在一定條件下投加生物炭后，滲濾液的色度明顯下降，COD、BOD5、NH3-N 的去除率分別達(dá)到 83.00%、82.55%和 26.42%。經(jīng)磷酸活化的生物炭能夠完全去除滲濾液的色度和 NH3-N，并使 COD 的去除率超過(guò) 80%[34]，這充分說(shuō)明了生物炭能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)滲濾液中有機(jī)物的有效處理。

　　此外，JAYAWARDHANA 等[33]發(fā)現(xiàn)生物炭可用于滲濾液中二價(jià)汞(Hg2+)的吸附，其吸附過(guò)程符合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和單層吸附的 Langmuir 等溫線模型。同時(shí)，由奶牛場(chǎng)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來(lái)的生物炭對(duì)廢水中的鉛離子和銅離子的去除率可高達(dá) 100%和 96.7%[35]，滿足生物炭對(duì)滲濾液中鉛、銅 90%去除率的要求。由此可見(jiàn)，生物炭對(duì)滲濾液中重金屬具有較好的去除效果(表 4)。AGRAFIOTI 等[36]推測(cè)生物炭吸附重金屬主要依靠其較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力，而基于特定城市固廢制備的生物炭灰分含量可高達(dá) 47%，具有較高的陽(yáng)離子交換能力，在重金屬吸附方面具有更大的應(yīng)用潛力[22]。

　　2.1.2 填埋場(chǎng)覆蓋材料

　　除滲濾液外，填埋氣(LFG)是垃圾填埋場(chǎng)的另一類污染物質(zhì)。LFG 主要組分為甲烷(CH4) 和二氧化碳(CO2)，并含有少量有害污染氣體，如 VOCs、H2S、NH3 等，能夠?qū)е麓髿馕廴尽⒓铀偃驓夂蜃兣纫幌盗袉?wèn)題[37]。通過(guò)向垃圾填埋覆蓋土層(LCS)中加入生物炭層，能加強(qiáng)對(duì) LFG 的去除效果。 CH4 是 LFG 去除的重要指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在覆蓋層 20～40 cm 處設(shè)有 2%的混合土壤-生物炭層后，CH4 的去除效率能夠從 48.3%(土柱覆蓋)增至 60%～90%(進(jìn)樣口負(fù)荷為 80 g CH4/(m2·d))[38]。其主要原因在于生物炭具有較大的孔隙率和比表面積，能夠?yàn)?CH4 氧化細(xì)菌(MOB)提供更廣闊的生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)有利于氧氣(O2)停留在其表面，提高了通氣效率，進(jìn)一步刺激了 CH4氧化活性，增強(qiáng)了對(duì) CH4 的吸收效率[39](圖 4)。另外，CH4氧化速率與土壤水分呈正相關(guān)，生物炭的高含水量(33%)使生物炭層具有較高的氧化速率[40]，而基于城市固廢的生物炭含水量能夠高達(dá) 58.3%，為 CH4 氧化提供了更加有利的物理?xiàng)l件。

　　VOCs 包括芳香族化合物、鹵化化合物和硫化合物等，其中苯、甲苯是 VOCs 的重要組成部分，能夠致癌致畸致突變，對(duì)人體健康產(chǎn)生極大威脅。QIN 等[30]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)甲苯和氯苯的吸附效果分別達(dá)到(519±47)和(516±34)mg/g，遠(yuǎn)大于 LCS 對(duì)甲苯(133.56±12.85) mg/g 和氯苯(133.20±14.86)mg/g 的吸附量。另外，LFG 中的 H2S 及 NH3 等氣體將產(chǎn)生一定的大氣污染和環(huán)境危害[41]，在添加生物炭層后平均去除效率分別由 67.82 和 48.86%增至 91.21 和 89.36%。與此同時(shí)，細(xì)菌的種群數(shù)目為 2.51×107 cfu/g，比原始 LCS 的細(xì)菌種群數(shù)(1.43×105 cfu/g)高 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)樯锾康亩嗫捉Y(jié)構(gòu)可以為微生物提供良好的生長(zhǎng)場(chǎng)所，有利于功能微生物的生長(zhǎng)和富集。因此，經(jīng)生物炭添加后的 LCS 對(duì) H2S 和 NH3 等高效的去除很可能與微生物的豐度有關(guān)[42]。總體來(lái)說(shuō)，生物炭通過(guò)其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)溫室氣體 CH4有明顯的去除效果，能減少 VOCs 的排放，有利于減少填埋場(chǎng) LFG 造成的大氣污染和溫室效應(yīng)等問(wèn)題。

　　2.1.3 可滲透反應(yīng)墻材料

　　除作為覆蓋層添加材料外，生物炭還可以作為可滲透反應(yīng)墻(PRB)添加材料進(jìn)一步減少滲濾液和 LFG(主要是 VOCs)的排放。PRB 也被定義為“地下的反應(yīng)介質(zhì)”，通過(guò)在地下構(gòu)筑可透水的反應(yīng)墻或反應(yīng)帶，使流經(jīng)的地下水中的污染物得以去除。其中生物炭作為 PRB 材料的成本為商業(yè)活性炭成本的 1/6，具有更大的經(jīng)濟(jì)效益[43]。由于生物炭對(duì)滲濾液中的重金屬及有機(jī)污染具有較好的處理效果，將生物炭用作 PRB 材料是一種阻隔滲濾液污染地下水的有效方式。HU 等[44]已成功將生物炭用作 PRB 材料以強(qiáng)化滲濾液中鉻(Cr)、鉛(Pb)、鎘(Cd)等重金屬的處理。此外，為了控制非飽和帶 VOCs 的溢出，通常增用創(chuàng)新型的水平可滲透反應(yīng)墻(HPRB)技術(shù)[45]，然而 VOCs 的波動(dòng)仍會(huì)破壞 HPRB 中的 pH 值，進(jìn)而抑制其氧化去除的速率[32]。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭具有的弱堿性提高了對(duì)pH 的緩沖能力(9.4%～36.8%)[46]，減弱污染物波動(dòng)對(duì) pH 值的影響，因此可作為一種優(yōu)質(zhì)的 HPRB 添加材料[47]。另外，添加生物炭的 PRB 中含有豐富的分枝桿菌、假單胞菌和鞘氨醇單胞菌屬的微生物，可有效處理受多環(huán)芳烴污染的土壤和地下水[48]，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì) VOCs 的去除。因此，利用生物炭可改善環(huán)境條件(如 pH 等)并實(shí)現(xiàn)功能微生物富集的功能，能夠較為經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)滲濾液污染場(chǎng)地的修復(fù)。

　　綜上所述，以城市固廢為原料的生物炭具有更大的孔隙率和比表面積，能更好地發(fā)揮其吸附性能，同時(shí)能為微生物的富集提供良好的場(chǎng)所，使其在垃圾填埋場(chǎng)污染治理方面發(fā)揮重要的應(yīng)用價(jià)值。

　　2.2 生物炭的土壤改良作用

　　生物炭施用于土壤后會(huì)影響土壤的理化性質(zhì)并改善其營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，從而對(duì)土壤功能產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，是一種優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑。

　　2.2.1 改善土壤的理化性質(zhì)

　　研究[49]發(fā)現(xiàn)，生物炭主要通過(guò)改變土壤的理化性質(zhì)來(lái)發(fā)揮其土壤改良作用。例如，生物炭呈弱堿性，可用于改善酸性土壤的 pH 值。例如，SHI 等研究發(fā)現(xiàn)，添加不同來(lái)源的四種生物炭可將酸性土壤 pH 值由原來(lái)的 4.96 增加至 6.69、6.78、7.45 和 8.40[50]。WANG 等[51]認(rèn)為將生物炭用于強(qiáng)酸性土壤(例如 pH <5.0)主要通過(guò)增加可交換陽(yáng)離子數(shù)目，降低可交換酸度，進(jìn)而提高酸性土壤的 pH 值。同時(shí)，隨著生物炭施用量的增加，土壤 pH 值并不會(huì)持續(xù)上升，表明其土壤 pH 值的緩沖能力，保證土壤酸堿平衡。此外，生物炭還能提高土壤的保水能力，修復(fù)干旱土壤，其主要原理是通過(guò)改善土壤的孔隙率，誘導(dǎo)土壤孔隙分布的重組和聚集過(guò)程以增強(qiáng)土壤的保水性。RAZZAGHI 等[52]發(fā)現(xiàn)粗質(zhì)地土壤中的生物炭能顯著提高植物可利用水量(增加了 45%)。此外，若處于極端條件下，生物炭可能會(huì)通過(guò)土壤微生物的生長(zhǎng)和保水來(lái)保證增強(qiáng)土壤中的水分，支撐作物的生長(zhǎng)[53]。

　　2.2.2 改善土壤的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境

　　除影響土壤的理化性質(zhì)外，生物炭還可以為植物提供所需養(yǎng)分并提高養(yǎng)分的可利用性，進(jìn)而改善土壤的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。生物炭可以提供有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如氮、磷、鉀、鈣等，改善土壤的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。一方面，生物炭可以直接增加土壤中所需的物質(zhì)。例如，果殼類城市固廢衍生的生物炭中含有大量的磷(1.0%～1.3%)，能大幅提高土壤的磷施肥率[54]。LIMWIKRAN 等[54]發(fā)現(xiàn)由熱帶植物廢料制成的生物炭含有 5.1%的 K，而大部分 K 可溶于土壤，增加土壤的含 K 量。另一方面，生物炭能夠間接增加土壤所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。如生物炭可以促進(jìn)叢枝菌根真菌分泌有機(jī)酸來(lái)溶解次生礦物質(zhì)和有機(jī)礦物表面的鄰位磷，使礦物表面 P 的溶解度提高 47%～54% ，從而增加土壤中 P 含量[55]。生物炭能夠通過(guò) K 從土壤中置換出足夠的可交換鈣，每克生物炭可使總鈣增加 0.05～0.13 mmol，進(jìn)而增加土壤的鈣含量[54]。但是，生物炭的存在會(huì)不可避免地改變土壤的理化性質(zhì)，在提高土壤養(yǎng)分的同時(shí)也會(huì)富集土壤中的重金屬及其他有毒有害的污染物，進(jìn)而對(duì)土壤和作物中微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。El-Naggar 等人發(fā)現(xiàn)生物炭的使用富集了土壤中砷元素，提高了土壤中的生物對(duì)砷的利用度[56]。這就要求針對(duì)生物碳的制備原料進(jìn)行嚴(yán)格篩分，同時(shí)建立生物碳應(yīng)用于土壤改良的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。

　　除為土壤提高養(yǎng)分外，生物炭在減少養(yǎng)分流失、提高養(yǎng)分有效性方面也發(fā)揮了重要作用。目前，生物炭用于堆肥是其研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。研究[57]發(fā)現(xiàn)，添加生物炭的污泥堆肥中的 N 損失降低了 64%。YANG 等[58]認(rèn)為生物炭減少堆肥過(guò)程中 N 的流失主要是通過(guò)改變微生物活性而影響土壤中的氮循環(huán)，包括硝化、氨揮發(fā)、反硝化等過(guò)程。AWASTHI 等[59]更進(jìn)一步探明當(dāng)生物炭含量由 0 增加至 10%時(shí)堆肥的 C 損失從 542.8 降至 148.9%，N 損失從 53.5 降至 12.6%(以干重計(jì))，其中主要是 CO2 和 NH3 的損失(分別為 542.3%～148.8%和 47.8%～10.81%)。因此，通過(guò)生物炭降低 C、N 損失也對(duì)溫室氣體(GHG)和過(guò)量氨(NH3)的排放產(chǎn)生影響，減小了環(huán)境的二次污染，有利于“碳中和”的實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，由于具有較高的陽(yáng)離子交換能力，生物炭能夠?qū)⑾跛猁}、磷酸鹽與鈣離子、鎂離子形成難溶物質(zhì)，降低其釋放速率以實(shí)現(xiàn)緩慢釋放，增加養(yǎng)分利用的有效性[60, 61]。但是生物炭在土地改良過(guò)程中投加不當(dāng)，可能會(huì)造成其在土壤環(huán)境中與植物競(jìng)爭(zhēng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，進(jìn)而引起負(fù)面影響[62]。同時(shí)，生物炭會(huì)吸附植物激素。有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)植物激素有固定作用，過(guò)量的生物碳投加會(huì)抑制植物生長(zhǎng)[63]。因此，如何“因地制宜”利用生物碳來(lái)改良土壤需要進(jìn)一步深入研究。

　　另外，生物炭還能通過(guò)提高微生物數(shù)量和種類能夠進(jìn)一步改良土壤。生物炭具有較高的孔隙度和較大的表面積，可以為真菌和絲狀等微生物提供生長(zhǎng)的附著并進(jìn)一步影響微生物定殖[64]。此外，生物炭還可以影響堆肥過(guò)程的微生物數(shù)量，如生物炭通過(guò)刺激土壤真菌如草酸青霉數(shù)目的增加，加快了對(duì)秸稈堆肥中木質(zhì)素的降解速度[65]。總的來(lái)說(shuō)，生物炭能夠改善土壤的理化性質(zhì)，并通過(guò)為其提供養(yǎng)分、改善養(yǎng)分有效性的方式改善土壤的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，在土壤改良方面發(fā)揮了極為重要的作用。而基于城市固廢的生物炭具有更加豐富的營(yíng)養(yǎng)元素以及較大的灰分含量，能夠?yàn)橹参锷L(zhǎng)提供更有利的環(huán)境條件。

　　3 結(jié)論與展望

　　本文主要結(jié)論包括：

　　1)以城市固體廢棄物制備生物炭能夠?qū)崿F(xiàn)固體廢棄物的減量，提供可二次利用的生物炭，是一種資源節(jié)約、環(huán)境友好的廢棄物處理方式。但目前對(duì)城市固廢分選工作及有害成分的預(yù)處理仍面臨困難，因此其衍生生物炭的成本仍較高。在工程化應(yīng)用過(guò)程中如何優(yōu)化工藝流程，降低運(yùn)行成本仍有待進(jìn)一步探究;

　　2)熱解和水熱碳化是城市固廢制備生物炭的主要方式，影響生物炭的產(chǎn)率及其灰分含量、含氧量，進(jìn)而影響生物炭的吸附性能，但針對(duì)城市固廢制備生物炭的方法仍缺乏系統(tǒng)性研究，生物炭的產(chǎn)率和應(yīng)用效果也不穩(wěn)定。一方面，城市固廢成分復(fù)雜，不同地區(qū)組分差異較大，干濕度不一，如何對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理以滿足生物質(zhì)制備要求，是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題;另一方面，如何針對(duì)環(huán)境修復(fù)的具體目標(biāo)，選擇合適的城市固廢原料并優(yōu)化生物炭的制備方式，進(jìn)而提升生物炭的處理效能有待深入研究;

　　3)以特定城市固廢生產(chǎn)的生物炭具有較大的孔隙、比表面積及較多的灰分元素，能夠?qū)崿F(xiàn)重金屬的吸附和有機(jī)污染物的有效去除，改善土壤性能及養(yǎng)分有效性等，在垃圾填埋場(chǎng)污染治理、土壤改良方面發(fā)揮了顯著作用。但是，目前對(duì)于生物炭在在垃圾填埋場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用較少，明確生物炭在垃圾填埋場(chǎng)中的應(yīng)用效果及關(guān)鍵影響因素對(duì)其應(yīng)用推廣意義重大。

　　4)微生物群落在垃圾填埋場(chǎng)有毒有害物質(zhì)的去除及土壤改良方面發(fā)揮了重要作用，其作用過(guò)程十分復(fù)雜。但是，生物炭對(duì)土壤中功能微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度演替規(guī)律的影響及作用機(jī)制尚未明晰，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)內(nèi)容的研究將豐富生物炭環(huán)境修復(fù)的理論基礎(chǔ)，為生物炭的廣泛應(yīng)用提供重要依據(jù)。

　　5)生物炭與其應(yīng)用環(huán)境的各個(gè)方面之間存在復(fù)雜聯(lián)系，從而導(dǎo)致各種可能的負(fù)面影響，進(jìn)而對(duì)土壤、植物、微生物等構(gòu)成潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此，生物炭的更廣泛應(yīng)用具有潛在的環(huán)境不確定性，需要進(jìn)一步的研究。