论文标题：Remediation of Heavy Metal-Contaminated Soils Using Phosphate-Enriched Sewage Sludge Biochar

论文链接：https://www.mdpi.com/2071-1050/17/16/7345

期刊名：Sustainability

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/sustainability

一、引言

重金属作为一类典型的持久性污染物，对人类健康与生态系统安全均构成严重威胁。其来源包括自然过程和人类活动，并通过食物链在生物体内富集，导致广泛而长期的污染。采矿、工业生产及污水灌溉等工业化、农业与城市化进程，进一步加剧了土壤和水体的重金属污染。为应对这一环境挑战，以污水污泥等有机废弃物为原料制备的生物炭，展现出广阔的修复应用前景——该材料能够以经济、可持续的方式有效固定重金属，显著降低其在受污染环境中的生物有效性。来自于捷克共和国捷克科学院生物学中心土壤生物与生物地球化学研究所和查尔斯大学理学院环境研究所的Yves Theoneste Murindangabo博士及其团队在 Sustainability 期刊上发表了文章，该研究探讨了以污水污泥为原料制备的富磷生物炭对污染土壤中重金属的吸附与稳定化潜力。研究通过在不同温度下热解污水污泥制备生物炭，并将磷酸盐改性后的生物炭添加到污染土壤中进行为期一个月的室内培养实验。此外，研究采用氯化钙提取法浸提有效态重金属，并利用原子吸收光谱法测定其浓度。本研究表明，磷酸盐改性生物炭能有效降低重金属的生物有效性，减少其进入食物链的风险。该技术为危险废物管理和污染土壤修复提供了可持续解决方案，有助于维护生态系统健康并降低公共健康风险。

图1 处理样品的pH值、灰分含量、产率及元素组成

二、研究过程与结果

该研究团队首先制备富磷污水污泥生物炭，以北京五里坨污水处理厂产生的厌氧处理原生污泥为原料，经过生物炭与磷酸钾溶液混合等工艺操作后，共得到四组实验样品：两组为纯干燥生物炭，两组为负载2.5 wt%磷的富磷生物炭。研究团队统考察了不同热解温度 (300 ℃、400 ℃、500 ℃) 对材料性质的影响，并通过测定生物炭的灰分、pH值、总磷、元素组成及金属浓度进行表征。接着，该研究团队于中国湖北省某重金属污染场地获取实验土壤，将磷改性生物炭以1 wt%的比例添加到100 g污染土壤中，均匀混合后培养1个月，期间维持约40%的含水量，每3天补水一次。最后，研究团队利用0.01 M氯化钙 (CaCl?) 溶液提取重金属，并采用高灵敏度原子吸收光谱法检测各项重金属浓度，以验证富磷污水污泥生物炭对重金属生物有效性的抑制能力。

从材料性能方面来看，高温 (500 ℃) 热解显著提高了生物炭的灰分含量和pH值，但降低了生物炭的碳含量。添加了磷酸钾的生物炭在热解过程中起到了稳定的作用，提高生物炭产率。随着热解温度的升高，铝 (Al)、镁 (Mg)、钙 (Ca)、硫 (S)、钾 (K)、铁 (Fe) 和磷 (P) 的浓度增加，但碳 (C) 和氮(N)水平下降。从重金属固定效果的角度，富磷生物炭显著降低了镉 (Cd) 和锌 (Zn) 的迁移性和生物有效性，且它们更依赖沉淀；铅 (Pb) 对表面络合表现出更强的亲和力，从而允许其在生物炭表面上实现稳定的固定；沉淀和络合均有助于铜 (Cu) 的固定；富磷生物炭对Ni的修复效果可能较差，除非采用额外的稳定策略。

研究表明，富磷污水污泥生物炭是一种具有经济效益、可持续的重金属污染土壤修复策略。但是考虑到生物炭与土壤中重金属存在相互作用机制，需要根据目标重金属种类优化热解温度和磷添加量。该研究为短期实验，研究团队建议通过长期田间试验或延长培养实验，以评估基于生物炭的修复策略的耐久性及环境安全性 (新兴污染物、残留病原体等)。与此同时，该研究无法区分具有不同生物有效性的金属形态。未来的研究通过形态分析 (如连续提取法将金属分为可交换态、可还原态、可氧化态和残渣态)，能够更全面地理解金属的稳定性与环境风险。

图2 土壤溶液中铜的浓度

三、研究总结

该研究强调了将污水污泥作为废弃物进行可持续管理的方式及其在修复重金属污染土壤中的潜在作用，深入揭示了污水污泥及其衍生生物炭对金属迁移性与有效性的多样影响，凸显了其调控环境中金属浓度的潜力。该研究展现了使用改性污水污泥生物炭进行土壤修复的经济性与绿色可行性，展现出一种优于传统技术的有效且环境友好的土壤重金属污染治理方案。但其实际应用需严格控制原料质量、热解条件及后处理稳定化过程，避免导致不稳定的修复效果或引发二次污染风险。研究提出，将磷酸盐生物炭与植物修复或土壤淋洗技术结合使用可进一步提升修复效果，但此类联合方案需综合考虑成本、可扩展性及技术兼容性。

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Steve W. Lyon, Ohio State University, USA

sustainability创刊于2009年，作为一个跨学科的国际开放获取期刊，涵盖技术、环境、文化、经济和人类社会的可持续发展研究。期刊聚焦自然科学、工程学、经济学、社会科学与人文领域研究，推动跨学科协同探索，共同助力人类可持续发展及联合国 2030 可持续发展议程。 期刊已被 Scopus、SCIE、SSCI (Web of Science) 等多个权威数据库收录，5-Year Impact Factor 为 4.2。

2025 Impact Factor：4.1

2025 CiteScore：8.9

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Acceptance to Publication：3.8 Days