污泥基生物炭中重金屬固持機制及影響因素

陳紅梅 周艷麗 / .湖北工程學(xué)院土木工程學(xué)院 .永清環(huán)保股份有限公司

污泥基生物炭中重金屬固持機制及影響因素

陳紅梅1周艷麗2/ 1.湖北工程學(xué)院土木工程學(xué)院 2.永清環(huán)保股份有限公司

污泥基生物炭是污泥水熱處理后所產(chǎn)生的富碳固態(tài)物質(zhì)，其因在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域中表現(xiàn)出的巨大應(yīng)用潛力而備受國內(nèi)外學(xué)者們關(guān)注。然而生物炭自身所攜載重金屬的潛在環(huán)境影響尚未受到足夠重視。重金屬固持受內(nèi)外因素的共同影響，其固持機理需從重金屬-有機螯合物降解途徑、重金屬-有機螯合物與有機化合物及典型無機物（Cl、S、P等）相互作用機制、系統(tǒng)控制參數(shù)對重金屬耦合遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響三個層次揭示污。

城市污泥；水熱處理；重金屬-有機螯合物；固持性能；生物炭

1.前言

城市污泥產(chǎn)量大、含水率高、組成復(fù)雜，是城市固體廢棄物處理處置的一大難題[1]。業(yè)已證實，水熱法可利用污泥含水率高（＞80%）的特點對其進行直接處理，且減容率高，在轉(zhuǎn)化的過程中還可實現(xiàn)能量的自給自足，被認為是極具發(fā)展前景的污泥資源化技術(shù)。我國城市污泥含沙量高，經(jīng)水熱處理后將產(chǎn)生較大量剩余固體，即污泥基生物炭。目前關(guān)于生物炭的應(yīng)用主要集中于固體燃料、吸附劑和土地利用等方面。生物炭的土地利用主要包括農(nóng)田利用、林地利用、園林綠化利用以及作為土壤改良劑等。雖然污泥中的病原微生物等經(jīng)水熱處理后可實現(xiàn)無害化，但重金屬依然大量存在、潛在危害較大。因此，重金屬是限制生物炭在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域大規(guī)模利用的重要因素。

根據(jù)反應(yīng)溫度的不同，水熱處理可具體劃分為炭化（180℃～250℃）、液化（250℃～400℃）和氣化（＞400℃）。研究證實水熱處理可將污泥中的部分結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水而脫去，繼而促使重金屬大量富集至生物炭中。Zhu等指出炭化和液化可使重金屬穩(wěn)定性得到增強，氣化過程則會在一定程度上降低重金屬的穩(wěn)定性[2]。翟云波等關(guān)于污泥水熱處理的研究報道指出，炭體材料表面-COOH、-OH的含量會隨反應(yīng)溫度的升高而降低[3]。而官能團含量的改變將影響生物炭對重金屬的固持性能。由此可知，水熱條件對生物炭性質(zhì)的影響是調(diào)控其重金屬固持性能的主要因素，而較低（180℃～400℃）的反應(yīng)溫度區(qū)間不僅能夠降低對反應(yīng)設(shè)備的要求及經(jīng)濟投入，還能獲的更優(yōu)的重金屬固持性能。

2.重金屬的固持性能受內(nèi)在和外在因素的共同影響

2.1 內(nèi)在因素對重金屬固持性能的影響

內(nèi)在因素主要指污泥自身組成如水相（自由水）、有機化合物及無機物（Cl、S、P等）、酸堿性（pH）對重金屬遷移轉(zhuǎn)化行為的影響。目前，針對污泥及其熱解、焚燒過程中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化研究較廣，為如何深入研究污泥水熱處理過程中重金屬在各產(chǎn)物間的具體遷移轉(zhuǎn)化行為及機理提供了大量經(jīng)驗借鑒和理論依據(jù)。

He等指出與有機物形成螯合物是污泥中重金屬存在的主要形式[4]。Stevenson等研究表明腐殖酸含有的聚合芳香環(huán)結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的多元有機復(fù)合體，這些芳香環(huán)帶有大量的、等可與重金屬離子發(fā)生吸附、交換和絡(luò)合形成有機-金屬絡(luò)合物及吸附物，這些有重金屬-有機絡(luò)合物的穩(wěn)定性是影響重金屬元素在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化、生物活性的重要因素[5]。而特別值得注意的是，水熱處理是在高溫高壓水中進行，該條件下不僅水的物理和化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生較大改變，污泥中典型有機化合物（蛋白質(zhì)類、脂肪類、碳水化合物、木質(zhì)素）、無機物（Cl、S、P等）等也會與重金屬-腐殖酸相互作用，繼而影響重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

2.2 外在因素對重金屬固持性能的影響

外在因素如反應(yīng)溫度、停留時間、升溫速率、添加劑等對重金屬遷移轉(zhuǎn)化存在影響。Shi等通過將污泥在170℃-280℃下對污泥進行水熱處理發(fā)現(xiàn)，水熱處理在將污泥減容的同時促進了重金屬（Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni）向液態(tài)（水和生物油）的遷移，而溫度的升高有利于部分重金屬（Zn、Cd、Pb）向液體產(chǎn)物的遷移[6]。Leng等在水熱處理污泥（280℃-360℃）的研究中也有相同的發(fā)現(xiàn)，但是大量的重金屬還是有效地富集于生物炭中，而且重金屬中遷移性和生物可利用性強的部分經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的狀態(tài)，從而降低了其環(huán)境污染水平[7]。Li等對污泥經(jīng)375℃和400℃水熱處理前后生物炭中重金屬（Cu、Zn、Cd、Pb、Cr）的賦存形態(tài)及污染水平進行了評估，指出隨著水熱溫度的升高，重金屬生態(tài)毒性也相應(yīng)增加，而且水熱處理對重金屬穩(wěn)定化效果具有選擇性[8]。此外，Yuan等還發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)溫度為318℃時，NaOH協(xié)同超臨界丙酮可有效的將重金屬富集至生物炭中[9]。其后續(xù)研究對生物炭中重金屬的生態(tài)毒性進行了評估，指出生物炭中重金屬的生態(tài)毒性顯著低于其在污泥中的生態(tài)毒性[10]。

2.3 生物質(zhì)的添加對重金屬的固持性能的影響

當前，生物質(zhì)常被用以與污泥共同進行水熱處理以改善生物炭的性質(zhì)。Chen等采用了油茶餅粕作為添加物以考察了其他生物質(zhì)與污泥聯(lián)合水熱反應(yīng)并指出生物質(zhì)及污泥經(jīng)水熱處理后比表面積增大且官能團豐富，這些性質(zhì)的有利于吸附液體中或釋放至液體中的金屬離子，繼而提高重金屬富集性及穩(wěn)定性[11]。但是，以污泥高溫?zé)峤庵苽涞幕钚蕴孔鳛槠渌疅崽幚淼奶砑游飼r卻提高了生物炭中重金屬的環(huán)境污染風(fēng)險[3]。以往這些研究已證實了外在作用因素可影響重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及生物有效性，但尚未探究外在因素與重金屬-有機螯合物降解、重金屬耦合遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律（Cu、Zn、Cd、Pb、Cr）之間的相關(guān)性，而確定這種相關(guān)性對揭示水熱處理中重金屬穩(wěn)定化機理及研究重金屬-有機物污染控制機制具有重要意義。

3.結(jié)論與展望

現(xiàn)有研究已發(fā)現(xiàn)水熱工藝處理城市污泥制備生物炭的過程中可改變重金屬的遷移轉(zhuǎn)化行為，進而增強重金屬的穩(wěn)定性，實現(xiàn)生態(tài)毒性的降低，但重金屬獲得穩(wěn)定化的具體作用機制尚不清楚，這是推動水熱處理技術(shù)用于實現(xiàn)污泥資源化、減量化、無害化、穩(wěn)定化的一大瓶頸。

要準確揭示污泥水熱處理過程中重金屬高效穩(wěn)定化作用機制，需要從重金屬-有機螯合物降解途徑、重金屬-有機螯合物與有機化合物及典型無機物（Cl、S、P等）相互作用機制、系統(tǒng)控制參數(shù)對重金屬耦合遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響三個層次進行考察。污泥水熱處理屬于多相多組分的化學(xué)反應(yīng)，因此還有必要利用熱力學(xué)軟件的計算，深入剖析污泥水熱處理過程中各種影響因素對重金屬遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響，并最終實現(xiàn)重金屬穩(wěn)定化機制的揭示。

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湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（Q20162702）。

陳紅梅，女，博士，主要從事固體廢棄物處理處置等相關(guān)研究。