污泥源生物炭对黑麦草磷素有效性影响的对比研究：从污水处理到可持续农业的磷循环

本文综述了两种不同污水处理工艺（铁沉淀FeSS与生物处理BioSS）产生的污泥及其热解生物炭（400°C与600°C）对黑麦草磷(P)素有效性的影响。研究通过盆栽试验和连续提取法揭示：生物处理污泥的磷有效性显著高于铁沉淀污泥（MFE达133.5% vs 83.8%），但热解后所有生物炭的磷有效性均显著降低（MFE<70%），且不同来源生物炭差异缩小。研究强调污水处理工艺（如化学沉淀）对磷回收效率的负面影响，为污泥资源化与可持续磷肥开发提供关键数据。

　　

ABSTRACT

磷(P)作为生命必需元素，目前主要依赖不可再生的磷矿石资源。本研究聚焦污水污泥热解技术，通过对比铁沉淀(FeSS)与生物处理(BioSS)污泥及其400°C/600°C热解生物炭的磷有效性，探索可持续磷肥开发路径。

背景

污水污泥是欧洲联盟最大的集中磷源之一，但直接农用存在重金属和有机污染物风险。热解技术能浓缩养分并形成稳定芳香碳结构，兼具碳封存和污染物去除优势。然而，生物炭的磷肥效价因磷形态和土壤性质差异而存在争议。

研究方法

采用两种污泥（FeSS与BioSS）在400°C和600°C下制备生物炭，施用于壤土和砂土进行黑麦草盆栽试验。通过四次收获的植株磷吸收量评估肥效，并与矿物肥料(TSP)对比。收获后土壤样品进行连续提取（水/NaHCO₃/NaOH/HCl）分析磷库分布。

结果

1. 磷吸收规律：壤土中BioSS表现最优（MFE 133.5%），显著高于FeSS（83.8%）；砂土中所有材料肥效降低，但趋势一致（TSP>BioSS>FeSS>生物炭）。

2. 热解影响：热解使污泥磷有效性下降40%-95%，BioSS衍生生物炭仍保持显著磷释放（PNI>80），而FeSS生物炭与对照无差异。

3. 土壤差异：砂土因较高无定形铝相（Al_ox 109 mmol kg^-1）导致磷固定增强，生物炭的HCl提取磷占比升高至60%。

4. 温度效应：400°C与600°C生物炭的磷有效性无显著差异，XANES与³¹P NMR显示两者磷形态相似。

讨论

• 污泥来源：BioSS的高效性归因于其低(Fe+Al)/P摩尔比（0.3）和更多聚合磷酸盐（如焦磷酸盐占43%-46%），而FeSS中41%磷以FePO₄形式存在。

• 热解机制：热解促使磷向NaOH/HCl提取态转化，可能与芳香碳基质包裹磷有关。

• 土壤互作：高有机质砂土可能通过微生物竞争加剧磷固定，但长期效应需验证。

结论

化学除磷工艺（如FeClSO₄）显著降低污泥磷有效性，而热解进一步弱化差异。600°C热解在污染物去除与肥效维持间取得平衡，但生物炭整体肥效仅为原污泥的25%-60%。该研究为污泥资源化工艺选择与土壤适配提供科学依据。

（注：全文数据均源自原文实验，未添加外部引用）