污泥生物炭吸附材料的制備及其應用

(四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都，610065)

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化建設的不斷發(fā)展，生活污水的排放也大幅增多。污水處理廠由于其工藝的性質，在處理生活污水的過程中將伴隨產生出來大量的污泥，而目前大部分的污泥處理方法為填埋和焚燒，這樣不僅對環(huán)境有所影響，還浪費了污泥的資源化利用機會。據預測，未來兩年城鎮(zhèn)污水處理廠污泥的年產量將突破6000萬噸[1]，而對這些污泥的處置成本一般較高，據統(tǒng)計，基本占據了污水處理廠的大部分投資。因此，尋找有效的污泥處置方法已成為目前污水處理廠的一大待解決問題。污泥的含水率較高，所以批量處理較難，而且不同污泥中可能含有不同的物質，如重金屬、有機物、病原微生物等，因此，處理不當會造成后續(xù)的很多問題，比如嚴重的二次污染[2]。根據污泥中含有大量有用物質的特點，將污泥進行資源化利用，實現減量化、資源化和無害化的處理，可以在經濟上帶來更多的效益，同時也對環(huán)境的保護具有十分重要的意義[3-4]。

生物炭自身的結構就擁有極為豐富的孔隙，這些孔隙大大增加了它的比表面積，而這些結構上的特性讓它在吸附方面擁有優(yōu)異的能力，因此生物炭在污染控制方面擁有較好的應用前景。在眾多處理污泥的方法和技術中，利用污水處理廠產生的污泥為原料制備生物炭吸附材料是近些年的研究重點之一。相比其他方法，具有處理成本低、廢物利用和沒有二次污染等優(yōu)點，且得到的生物炭可以廣泛應用于吸附的各個方面[5]。在此基礎上，本文首先介紹了如何用不同方法來制備污泥生物炭，然后介紹了污泥生物炭在不同領域里的應用現狀，最后展望了污泥制備的生物炭未來的發(fā)展和應用方向。

1 生物炭簡介

生物炭(biochar)指在低氧或缺氧條件下將木材、農作物秸稈、污泥或動物糞便等生物質經過高溫裂解形成的穩(wěn)定且富含碳元素的物質。生物炭的基本組成元素是碳、氫、氧等，但其主要成分是碳(約70%-80%)[6]。自然界中的生物質多種多樣，所以不同生物質制成的生物炭在結構、孔隙結構、比表面積等方面上具有很大差異。但它作為一種功能多樣的生物炭材料，在環(huán)境學、材料學及農業(yè)等方面都展現出了極大的應用潛力，目前已經引起了各行各業(yè)的廣泛關注。

2 污泥制備生物炭的方法

目前，污泥制備生物炭的方法主要分為熱裂解法、微波熱解法和水熱碳化法三種。

2.1 熱裂解法

熱裂解碳化法使用的歷史比較久遠，是一種傳統(tǒng)的方法。主要是指在氧濃度很低或無氧的條件下將污泥在高溫下進行加熱，然后分解形成生物炭的方法[7]。該熱解法與焚燒、填埋等傳統(tǒng)處理方法相比更為環(huán)保與經濟，熱解過程基本不產生二次污染物，且生產的產物有很高的價值，因此具有極大的研究價值[8]。污泥慢速裂解的溫度在300℃左右，中速熱裂解的加熱溫度為400～500℃左右，快速熱裂解的加熱溫度達到了500℃以上，而閃速熱裂解或者氣化的加熱溫度更高，均達到了1000℃以上。研究發(fā)現，通常情況下，熱解過程中的溫度逐漸升高，所得到的生物炭越來越少。主要原因是熱解溫度在不斷升高的過程中，污泥中將不斷逸出揮發(fā)性組分。因此，在制備污泥的原料相同的情況下，用慢速熱裂解法制備污泥效率是最低的，而閃速熱裂解法和氣化法制備污泥效率最高。但慢速熱裂解法得到的生物炭最多，閃速熱裂解法生物炭得率相對是最低的。

2.2 微波熱解法

微波熱解法制備生物炭相對熱裂解法有相似的地方，主要是對其進行改良后得到的一種方法。與傳統(tǒng)熱裂解法的區(qū)別是利用物質吸收微波得到的熱量對物體進行加熱，最后使物體整體溫度升高。其本質是通過微波作用加快污泥內部分子的高頻往復運動，使分子間相互碰撞摩擦產生大量的熱量，從而使污泥碳化形成生物炭。制備溫度的不同對產生的污泥生物炭的性質影響較大。微波熱解碳化法可以分為高溫微波熱解和低溫微波熱解，高溫的溫度在450～700℃左右，而低溫熱解的溫度在300～450℃左右。相對于傳統(tǒng)熱解法，微波熱解法具有高可控性、能源效率高、效益高等優(yōu)點，且具有很高的安全性加熱系統(tǒng)。

2.3 水熱碳化法

水熱碳化法不同于前兩種干式碳化方法，是屬于濕式碳化方法。指在一定的溫度和壓力下以水為加熱媒介對含水污泥加熱碳化[9]。水熱碳化過程不但反應條件容易掌控，且過程極為簡單，最重要的是生物炭中C元素固定率高[10]。與其他幾種方法相比，水熱碳化法不受各種因素控制，原料含水率的多少對水熱碳化法影響不大，因此污泥不需要進行預處理，且得到的生物炭吸附力較大，在實際操作中具有很大的發(fā)展空間。但它也存在一些問題，如產生的生物炭中含有較多的揮發(fā)性物質不易處理、在極端條件下其物理和化學的穩(wěn)定性較差等。

3 污泥生物炭的應用

污泥生物炭擁有復雜的內部孔隙結構，其表面的物化性質也十分豐富。因此，它作為一種吸附性能好、吸附選擇性低的吸附材料，在各個領域尤其是環(huán)境領域有著諸多的應用。

3.1 污泥生物炭在環(huán)境中的應用

污泥生物炭的結構導致它表面擁有豐富的物理和化學性質，包括高密度的電荷等?；谝陨咸攸c，污泥生物炭對重金屬離子和農藥等有機污染物的吸附效果顯著。研究表明，制備得到的污泥生物炭對鎘離子、鉛離子、銅離子和鎳離子等重金屬具有良好的去除效果[11]。在不同的底物、反應條件下，生物炭對不同重金屬的吸附性能有很大的不同。同時，污泥生物炭對印染廢水也有很好的吸附去除能力，如將脫水污泥和氯化鋅混合制備生物炭對活性紅、活性藍等溶液進行脫色處理。研究發(fā)現，熱解制備污泥生物炭的溫度越高，所制得的生物炭的吸附能力越強。因此，污泥生物炭作為一種吸附劑，既滿足了低成本，又做到了高效率，可廣泛應用于大氣污染控制和水污染控制的過程。

有研究表明，污泥生物炭能夠在較短的反應時間內對較高濃度的硫化氫氣體有一個較好的去除效果，且與其他碳材料如木炭相比，其適用范圍更廣，去除效率也更好。因此，生物炭也是一種效果顯著的除臭填料[12]。另外，污泥生物炭的應用還可以減少環(huán)境中的溫室效應[13]，由于污泥生物炭的孔隙結構，將其有目的性的加入土壤中，可以吸附其中產生的二氧化碳和甲烷等氣體，從源頭上顯著降低土壤中這些氣體的排放量，達到控制溫室效應的效果。

3.2 污泥生物炭在其他領域中的應用

研究發(fā)現，生物炭內部豐富的孔隙結構和高比表面積能為微生物生存提供附著位點，從而在微生物的作用下讓有機物加速降解。因此，在堆肥處理過程中可以考慮加入生物炭，用于改善有機物的降解過程和腐殖化過程，最終提高所生產的產品質量。同時，由于其孔隙結構，加入生物炭還可增加堆肥的通氣量[14]。此外，污泥生物炭中豐富的碳、氮、磷等有機元素可以改善土壤的某些性質，從而促進各種農作物的生長。由于其多孔結構，污泥生物炭對改善土壤板結也有一定效果，將其加入土壤還可提高土壤的透氣性。

4 結論及展望

利用污泥制備生物炭，原料來源廣泛、制作工藝簡單，生產過程中產生的生物氣等物質可用在其他各領域，因此用污泥制備生物炭是一個資源化處理和利用污泥的有效方式。它制得的生物炭材料用途廣泛，具有孔隙結構豐富、表面性質豐富等特點，對很多物質有很好的吸附性能，如重金屬、有機物和其他有毒有害物質。同時，它在修復土壤和農業(yè)等方面有著無可比擬的作用，因此得到了越來越多人的注意。如今污泥生物炭在實驗室的研究已經相對較多，技術相對成熟。由各種研究報道可以發(fā)現，將污泥在不同溫度下通過不同的熱解工藝制備成生物炭，既可以節(jié)約成本，產生的碳材料又具有廣闊的應用前景，是一種極具潛力的吸附材料。