污泥基生物炭的研究進展

◎ 吳來榮，黃 林，曹 軍，喬俊輝，劉永德

（1.河南工業大學化學化工學院，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物，其產量隨城鎮化的快速發展而日益增加，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于傳統的焚燒過程而受到廣泛關注[1-3]。大部分污泥熱解研究關注于能量和燃料品質[4]、熱解行為[5-6]、固態炭作為吸附劑去除水體污染物性能[7-8]等方面，也有學者直接將污泥基生物炭添加到土壤中，探究其對作物的產量和土壤性質的影響[9-10]，還有學者研究了污泥基生物炭對堆肥質量的影響及堆肥成品對作物和土壤性質的影響[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，生物炭生產多采用高溫分解法，在400～600 ℃的高溫下將生物質置于缺氧狀態下，有控制地高溫慢速裂解。裂解產物除生物炭外，還有焦油、裂解氣和木醋液等副產品[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的親合力，因此無論在低溫或高溫下都有很好的穩定性。生物炭表面有很多孔洞，其比表面積很大，大孔隙可達750～1 360 m2/g，小孔隙能達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合材料或肥料的原料[5]。不同種類生物質來源制備的生物炭，其理化特性有很大的區別，木炭與竹炭的揮發分比秸稈類（稻秸炭與玉米秸炭）生物炭的揮發分低，燃燒后灰分較少，其固定碳比例較高，熱值也遠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 ℃即可發生熱解反應，產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]。生物炭是一種環境功能材料，可吸附重金屬。目前對污泥熱解的報道主要關注提高能量回收的效率，而生物炭的性質與利用，尤其是作為吸附劑方面關注較少。生物炭因底物、反應條件的差異，表現出對重金屬不同的吸附性能和吸附機制。Rio等熱解石灰干化污泥制得的生物炭對Cu（II）的吸附能力遠強于以脫水污泥為基質的生物炭，推測吸附機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，且吸附優先順序為Pb（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，磷元素可增強生物炭表面對重金屬的結合能力，對Pb（II）的最大吸附量達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的最大吸附量實測值分別達到（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用

在堆肥處理過程中，加入生物炭改善有機物降解和腐殖化過程、提高產品品質是近年來堆肥處理的研究熱點。已有研究將木炭、竹炭等不同類型的生物炭應用于禽畜糞便和污泥的堆肥，發現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，從而能加速有機物降解，促進產品腐熟[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，從而被廣大學者應用于堆肥中。董金星 等設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計堆肥實驗，所有的堆體均經歷升溫期、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時間，有利于堆肥反應的進行，但投加量過高會抑制堆肥過程，減少高溫期持續時間及最高溫度[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行好氧降解反應，研究降解過程中污泥性質的變化和反應前后污泥生物炭重金屬含量的變化。結果表明，添加污泥生物炭可提高污泥降解產物的穩定性，降低污泥中重金屬的生物有效性。添加C300的產物穩定性最高、重金屬生物有效性最低，相比對照工況，其產物的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，在不同的進氣濃度、停留時間下進行除臭對比試驗。結果表明，污泥生物炭是一種優良的除臭填料，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，當進氣硫化氫平均濃度接近70 mg/m3時，去除率接近86%；當停留時間延長到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 結語

結合國內外的研究現狀，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，加速有機物降解，促進堆肥產品腐熟，同時減少氮損失。污泥基生物炭在污泥好氧降解中的應用和用作除臭填料的實驗結果證明污泥基生物炭是一種經濟可行的污泥好氧降解添加劑和優良的除臭填料。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濟又實用的方法，其熱解產物污泥基生物炭是極具潛力的一種功能性材料，廣泛應用可實現經濟和環境的雙重積極作用，具有良好的應用前景。

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