污泥基生物炭的研究進(jìn)展

◎ 吳來榮，黃 林，曹 軍，喬俊輝，劉永德

（1.河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州市污水凈化有限公司，河南 鄭州 450051）

污泥作為一種污水處理過程中不可避免的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量隨城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展而日益增加，因此，我國迫切需要除填埋和焚燒外，更加有效的處理處置方法。污泥熱解制備生物炭因在能量消耗、資源回收、重金屬溢出控制方面優(yōu)于傳統(tǒng)的焚燒過程而受到廣泛關(guān)注[1-3]。大部分污泥熱解研究關(guān)注于能量和燃料品質(zhì)[4]、熱解行為[5-6]、固態(tài)炭作為吸附劑去除水體污染物性能[7-8]等方面，也有學(xué)者直接將污泥基生物炭添加到土壤中，探究其對作物的產(chǎn)量和土壤性質(zhì)的影響[9-10]，還有學(xué)者研究了污泥基生物炭對堆肥質(zhì)量的影響及堆肥成品對作物和土壤性質(zhì)的影響[11]。污泥基生物炭幾乎是純碳，將其埋至地底下可長達(dá)幾百年甚至上千年不會消失，等同于將碳封存于土壤中，有助于減緩全球氣候變暖的問題。

1 生物炭的定義及特性

1.1 生物炭的定義

生物炭是指在低氧環(huán)境下，通過高溫裂解將木材、草、玉米秸稈或動物糞便、污泥碳化，以固定碳元素為目的炭。目前，生物炭生產(chǎn)多采用高溫分解法，在400～600 ℃的高溫下將生物質(zhì)置于缺氧狀態(tài)下，有控制地高溫慢速裂解。裂解產(chǎn)物除生物炭外，還有焦油、裂解氣和木醋液等副產(chǎn)品[2]。

1.2 生物炭的特性

生物炭幾乎全部由碳元素組成，且碳原子間具有極強(qiáng)的親合力，因此無論在低溫或高溫下都有很好的穩(wěn)定性。生物炭表面有很多孔洞，其比表面積很大，大孔隙可達(dá)750～1 360 m2/g，小孔隙能達(dá)51～138 m2/g，生物炭的密度很小，一般為1.5～1.7 g/cm3，容重為0.3～0.7 g/cm3，由于這些特性，生物炭可作為許多復(fù)合材料或肥料的原料[5]。不同種類生物質(zhì)來源制備的生物炭，其理化特性有很大的區(qū)別，木炭與竹炭的揮發(fā)分比秸稈類（稻秸炭與玉米秸炭）生物炭的揮發(fā)分低，燃燒后灰分較少，其固定碳比例較高，熱值也遠(yuǎn)高于禾本科類的生物炭。炭化溫度為500 ℃時，不同種類生物炭的理化特性見表1[7]。

表1 不同種類生物炭的理化特性表

2 污泥基生物炭的研究現(xiàn)狀

2.1 污泥基生物炭對重金屬吸附研究

污泥在無氧條件下，加熱至300～900 ℃即可發(fā)生熱解反應(yīng)，產(chǎn)生可作為能源的合成氣和生物油，固體殘渣即為生物炭[12,13]。生物炭是一種環(huán)境功能材料，可吸附重金屬。目前對污泥熱解的報道主要關(guān)注提高能量回收的效率，而生物炭的性質(zhì)與利用，尤其是作為吸附劑方面關(guān)注較少。生物炭因底物、反應(yīng)條件的差異，表現(xiàn)出對重金屬不同的吸附性能和吸附機(jī)制。Rio等熱解石灰干化污泥制得的生物炭對Cu（II）的吸附能力遠(yuǎn)強(qiáng)于以脫水污泥為基質(zhì)的生物炭，推測吸附機(jī)制為離子交換和表面沉淀的共同作用[14]。Rozada等報道污泥基生物炭對Cu、Pb、Cr的最大吸附量分別為3.6、30.1、1.5 mg/g，且吸附優(yōu)先順序?yàn)镻b（II）＞Cu（II）＞ Cr（III）[15]。丁文川 等在 700 ℃下熱解富磷剩余污泥制得生物炭，磷元素可增強(qiáng)生物炭表面對重金屬的結(jié)合能力，對Pb（II）的最大吸附量達(dá)34.5 mg/g[16]。陳坦 等研究生物-物理干化污泥900 ℃熱解制得的生物炭對Pb、Zn、Cu、Cd4種重金屬的吸附性能，得出污泥基生物炭對Pb、Zn、Cu和Cd的最大吸附量實(shí)測值分別達(dá)到（104.15±1.60）、（36.05±0.87）、（41.30±1.38）mg/g和（37.17±2.59）mg/g[17]。

2.2 污泥基生物炭在堆肥中的應(yīng)用

在堆肥處理過程中，加入生物炭改善有機(jī)物降解和腐殖化過程、提高產(chǎn)品品質(zhì)是近年來堆肥處理的研究熱點(diǎn)。已有研究將木炭、竹炭等不同類型的生物炭應(yīng)用于禽畜糞便和污泥的堆肥，發(fā)現(xiàn)由于生物炭的多孔性和高比表面積，具有較好的吸附能力，且可改善堆肥通氣狀況[18]，為微生物生存提供附著位點(diǎn)，從而能加速有機(jī)物降解，促進(jìn)產(chǎn)品腐熟[19-21]，減少氮損失[22]。且污泥基生物炭價格更為低廉、可在污泥處理場地制備確保其可獲得性，從而被廣大學(xué)者應(yīng)用于堆肥中。董金星 等設(shè)計一套城市生活污泥堆肥裝置，以污泥基生物炭的投加量為變量設(shè)計堆肥實(shí)驗(yàn)，所有的堆體均經(jīng)歷升溫期、高溫期、降溫期3個階段。得出投加量在3%～6%時可延長高溫期持續(xù)時間，有利于堆肥反應(yīng)的進(jìn)行，但投加量過高會抑制堆肥過程，減少高溫期持續(xù)時間及最高溫度[23]。

2.3 污泥基生物炭在污泥好氧降解中的應(yīng)用

余琴芳等在300、500、700℃下熱解獲得污泥基生物炭，記為C300、C500、C700，分別添加至污泥中進(jìn)行好氧降解反應(yīng)，研究降解過程中污泥性質(zhì)的變化和反應(yīng)前后污泥生物炭重金屬含量的變化。結(jié)果表明，添加污泥生物炭可提高污泥降解產(chǎn)物的穩(wěn)定性，降低污泥中重金屬的生物有效性。添加C300的產(chǎn)物穩(wěn)定性最高、重金屬生物有效性最低，相比對照工況，其產(chǎn)物的5日耗氧量降低了27%，Cu、Zn、As和Ni的生物有效性分別降低24%、15%、26%和19%[24]。

2.4 污泥基生物炭用作除臭填料的研究

曾祥專 等分別采用污泥生物炭和目前市場上廣泛使用的竹炭填料，在不同的進(jìn)氣濃度、停留時間下進(jìn)行除臭對比試驗(yàn)。結(jié)果表明，污泥生物炭是一種優(yōu)良的除臭填料，在較短的停留時間下，對中、高濃度硫化氫氣體的去除效果要優(yōu)于竹炭，污泥基生物炭填料更適用于處理較高濃度的臭氣。在停留時間為15 s的情況下，當(dāng)進(jìn)氣硫化氫平均濃度接近70 mg/m3時，去除率接近86%；當(dāng)停留時間延長到30 s時，生物炭填料對各種濃度硫化氫（0～150 mg/m3）的去除率都在92%以上[25]。

3 結(jié)語

結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，污泥基生物炭在重金屬吸附方面的研究較為深刻，成果較為成熟，污泥基生物炭作為一種廉價、易獲取的功能性材料，可有效地降低土壤中重金屬的生物有效性，具有竹炭、木炭所無法比擬的吸附效果。污泥基生物炭應(yīng)用于堆肥過程，由于其多孔性和高比表面積，可改善堆肥過程中的通氣狀況，加速有機(jī)物降解，促進(jìn)堆肥產(chǎn)品腐熟，同時減少氮損失。污泥基生物炭在污泥好氧降解中的應(yīng)用和用作除臭填料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明污泥基生物炭是一種經(jīng)濟(jì)可行的污泥好氧降解添加劑和優(yōu)良的除臭填料。各種研究表明，將污泥通過熱解工藝制備成生物炭是一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方法，其熱解產(chǎn)物污泥基生物炭是極具潛力的一種功能性材料，廣泛應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重積極作用，具有良好的應(yīng)用前景。

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