生物質電廠灰渣在污水處理中的應用和前景

李小琴，李飛鵬，馮君逸，劉 偉,，賈玉寶，張增勝

(1.如東縣行政審批局，江蘇南通 226400；2.上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093；3.上海悠理環境科技有限公司，上海 200093)

生物質是一種可再生的清潔能源，世界能源消費總量僅次于煤炭、石油和天然氣，位居第四位，可部分替代煤炭和石油等傳統能源，發展和應用潛力巨大[1]。生物質發電是國內外利用生物質能源效率較高的一種方式。然而，生物質發電會產生2種工業副產品：飛灰(電廠除塵系統中收集的顆粒)和底渣(電廠焚燒爐底渣)，主要來源于電廠生產所用的粉煤爐以及沸騰爐。其中，飛灰由于性質單一[2]，已有諸多應用，既有制備超級活性炭、SiO2介孔分子篩和陶瓷粉末等工業品，又有用于制備土壤調理劑和育苗基質等。然而，這也僅解決了生物質電廠少量的固體廢物，對于大量產生的生物質電廠灰渣，目前尚無較好的處理辦法。一般，生物質電廠灰渣利用價值較低，被視為廢棄物進行填埋處理，而這種處理措施會造成極大的土地資源浪費和生態風險。隨著生物質發電技術的快速發展和應用，其生產過程中生物質灰渣的排放量逐年增加，怎樣合理有效地利用生物質灰渣，避免對環境造成生態風險和潛在威脅，已經成為當前我國面臨的緊迫問題。

生物質灰渣最早的處理方式為填埋，但隨著排放量增加、環境壓力增大和政策的改進，填埋要求也逐漸提高。國內外生物質灰渣利用主要集中在建筑、農業、化工和環境等領域[3-7]，其中，生物質電廠灰渣在建筑、農業和化工領域的應用研究逐漸增多。從水處理領域的角度看，填料和濾料是水處理工藝中的核心部分，如原水處理中的過濾、污水處理中的生物膜法和曝氣生物濾池等主要工藝，均是依靠填料/濾料來實現對水體的凈化作用。作為污水處理工藝內部的作用基質，填料/濾料的種類及特性直接影響處理單元內部的截留、吸附作用和微生物的附著、生長情況，決定和制約了污染物的去除效果、工程投資、建設以及運營維護的成本。然而，如果將現有填料/濾料大規模應用于黑臭水體和海綿城市建設等領域，成本高昂，且材料的需求量巨大。而生物質灰渣作為生物質發電廠的廢棄物，來源廣泛，若能通過處理后應用于污水處理領域，則可達到固廢資源化和循環利用的雙重目標。本文的主要目的就是通過對生物質電廠灰渣的特性進行總結和分析，明晰生物質灰渣作為污水處理填料和濾料的可行性，進而對其應用前景進行展望，以期為促進生物質電廠灰渣的資源化利用和污水處理領域新型填料/濾料的開發提供借鑒。

1 生物質電廠灰渣的特性

生物質電廠灰渣是秸稈、稻殼和木材等生物質燃料，經700～800 ℃高溫燃燒后的剩余顆粒殘留物，其粒徑分布較廣、成分含量不一，且隨燃料種類、燃燒條件和方式的不同而具有不同的物理和化學性質[8-10]。例如，李剛等[11]對河南省長葛恒光生物質電廠灰渣的粒徑分布進行了調研，發現灰渣的粒徑主要集中在0.5～2.0 mm，約占總量的80%，且不同生產批次采集的樣品粒徑分布存在較大差異。多數研究(表1)表明，生物質灰渣浸出液呈堿性，密度一般在1～2 g/cm3，具有一定的比表面積，粒徑大多小于幾毫米，其粒徑分布受生物質燃料種類和灰渣種類的影響。因此，生物質灰渣較適合作為功能材料應用于污水處理領域，但在進行生物質灰渣的資源化利用前，仍需對灰渣的特性進行充分研究。

表1 生物質電廠灰渣特性Tab.1 Characteristics of Ash Residue from Biomass Power Plants

國外對生物質電廠灰渣特性及利用已有較為成熟的研究成果。Fernandes等[12]研究生物質在不同燃燒條件下產生的生物質稻殼灰渣特性，采用爐排爐、流化床和懸浮燃燒爐產生的灰渣作為研究對象，發現不同燃燒條件下生物質灰渣的差別主要集中在比表面積、二氧化硅和碳的含量3個方面，在形態、化學成分和質量分布方面具有相似性；同時發現，爐排爐灰渣具有較大的比表面積，可用作吸附材料，流化床灰渣可作為SiC、Si3N4等高分子復合材料和陶瓷制備的原材料，而懸浮燃燒爐灰渣具有完全不定型二氧化硅特性，適合于作為建筑和沸石的原材料。Girón等[13]對爐排爐和流化床燃燒森林廢棄物產生的生物質灰渣特性進行研究，發現流化床比爐排爐具有更高的燃燒效率，未燃燒碳成分更多集中在大粒徑灰渣中，這在爐排爐灰渣中尤為明顯；大粒徑灰渣具有更好的結構特性，可作為活性炭的前驅體；礦物成分含量較高的灰渣可作為肥料、沸石和水泥的原料進行資源化利用。Reysalgueiro等[14]收集了15個生物質電廠的木質底渣和飛灰，對底渣和飛灰中苯系物和多環芳烴等有機污染物進行了研究，探討其作為土壤肥料的可行性，發現盡管底渣和飛灰均不含有對環境有害的危險物質，但底渣較之飛灰更具安全性；同時，某種苯系物的含量隨著50%燃燒率溫度的增加而增加，不完全燃燒條件下會產生更多的多環芳烴類污染物。然而，總體來看，國外生物質電廠多為單一的木質生物質燃料[13-15]，生物質灰渣成分相對較為穩定。

我國對生物質電廠灰渣特性的研究相對較少，前期多為對單一燃料實驗室模擬燃燒所得的生物質灰渣特性進行的研究，并非來源于實際的生物質發電廠[16-17]。由于燃燒條件存在很大的差異，模擬灰渣與生物質電廠灰渣的成分存在較大的差異。莊會永等[18]研究發現，生物質電廠灰渣與模擬灰渣的鉀含量差異顯著，實際生物質電廠灰渣的鉀含量僅為5.33%，遠遠低于模擬燃燒灰渣中的平均K2O含量(17.47%)。韓宗娜[19]研究了江蘇省2家生物質直燃電廠灰渣的特性，發現灰渣中含量較高的主要無機元素為Si、Ca、K、Mg、Na等，同時也存在少量的微量或痕量重金屬元素，燃料種類、灰渣粒徑分布的變化對各無機元素的含量有較大影響。不同電廠灰渣的特性也存在一定的差異。Wang等[20]對2個不同生物質發電廠灰渣的特性進行了研究，雖然灰渣的主要元素Si、Ca、K、Al、Mg、Fe和Na等相似，但2種灰渣的理化性質和浸出行為卻均存在明顯差異。

因此，生物質電廠灰渣的資源化利用需根據其理化性質與特征進行區別化利用，同時由于灰渣的主要成分相似，其資源化利用在一定范圍內又具有普遍適用性。另外，由于燃料收集和供應的限制，我國生物質發電廠在實際生產過程中往往采用多種燃料混合進料燃燒，不同燃料在燃燒過程中可能發生相互作用。根據單一燃料模擬灰渣特性研究和國外相關研究成果來確定生物質電廠灰渣的成分和特性，以及分析后續的應用途徑，存在很大的局限性。單一的資源利用方式并非適用于所有的灰渣類型。石炎等[21]基于不同的灰渣粒徑提出了生物質電廠灰渣一體化資源利用方案，將灰渣綜合應用于基礎設施建設、土壤修復改良、元素回收、污水處理吸附材料與復合材料制備等領域，提高生物質灰渣的資源化利用效率。

2 生物質電廠灰渣用于污水處理填料和濾料

生物質燃料經燃燒后產生的灰渣，表面疏松多孔，具有一定的比表面積和孔隙結構，吸附性能較強，在環境領域的應用雖然不多，但已有一些研究將其作為環保材料應用于污水處理領域。在污水處理填料應用方面，生物質灰渣多采用實驗室模擬生物質燃燒制備的生物炭載體材料進行相關研究。王永芳[22]利用花生殼燃燒制備生物炭質填料，對生活污水進行處理，初步探索了生物炭質填料與普通陶粒的掛膜效果，發現熱解溫度越高制備的填料掛膜效果越好，在300 ℃條件下熱解制備的填料掛膜量同普通陶粒相當，掛膜效果最佳的熱解溫度為700 ℃；相應地，在污染物去除效果方面，700 ℃熱解制備的填料出水CODCr和NH3-N穩定性良好，且熱解溫度越高，填料對污染物的去除效果越好，普通陶粒的污染物去除率與300 ℃制備的填料效果相近。生物質電廠灰渣的產生條件與實驗室模擬燃燒灰渣雖有不同，但結合現有實驗室研究情況與生物質電廠灰渣特性，其作為污水處理填料存在一定的可行性。

對實際生物質電廠灰渣的研究較少。Yeboah等[23]對美國8個火力發電廠的粉煤灰、煤與生物質混燃灰和生物質灰渣的特性及潛在的應用方向進行了比對研究，通過掃描電鏡、BET比表面積、XRD和XRF等手段對各樣品的理化性質進行分析，發現生物質灰渣比重更小，顆粒尺寸分布更廣、未燃燒碳成分含量更高，且比表面積更大，用作吸附材料具有明顯優勢。然而，生物質電廠灰渣在污水處理領域的應用研究總體較少，多作為吸附材料、土柱淋溶填充基質(表2)等，用于對重金屬離子進行吸附或進行生活污水處理。徐磊等[24]將生物質電廠灰渣(小麥、水稻、玉米和棉花等為主要燃料)過1 mm篩后，用于水溶液中Cu2+的吸附，發現灰渣對Cu2+的吸附效果優于相關研究中的大部分吸附材料，同時灰渣對Cu2+的吸附熱力學規律符合Langmuir模型。王侃[25]采用生物質電廠灰渣，經研磨處理后用于土柱淋溶裝置對生活污水進行處理，發現水力負荷會影響生物質灰渣對CODCr、TN、TP和NH3-N的處理效果。田冬等[26]把生物質電廠灰渣研磨后，得到不同粒徑的灰渣材料，應用于間歇土柱淋溶裝置，發現灰渣對CODCr、TN、TP和NH3-N均有較好的去除效果。但若要達到污水的最優處理效果，除了使用最佳粒徑分布范圍內的灰渣，還需選擇合適的水力負荷和填充密度[27-28]。目前，生物質電廠灰渣與常規載體材料，如陶粒、沸石等的對比分析研究較少，相關研究尚需開展。

表2 生物質電廠灰渣在污水處理領域的應用Tab.2 Application of Ash Residue from Biomass Power Plant in Wastewater Treatment

3 生物質電廠灰渣在污水處理中的應用前景分析

生物質灰渣作為生物質發電廠的廢棄物，通過合理的處理工藝可將其變為污水處理材料，不僅為水環境治理提供新的材料、降低高額成本，也可為灰渣的資源化利用和生物質發電行業的綠色發展提供新的思路和保障。賈玉寶[29]以生物質電廠循環流化床燃燒所產生的灰渣為主要原料，在對灰渣原料進行安全性分析的基礎上，采用磁選、篩分、清洗工藝進行處理，得到不同粒徑的灰渣，可用于水處理工程，進而達到良好的水質凈化效果。Li等[30]通過改性生物質電廠灰渣載體用于河道原水處理的試驗，發現以將生物質填料作為掛膜載體用于河道原水處理時，出水pH平均值為8.23左右，對CODCr的去除率為75%，對NH3-N的去除率達到80%；生物質填料生物膜載體樣品的高通量測序表明：與硝化作用有關的變形菌門和硝化螺旋菌門所占比重最大，分別為40.72%和32.24%，這與較好的CODCr和NH3-N去除效果一致。劉偉[31]通過小試試驗，發現生物質灰渣能緩釋弱堿，大大增強養殖水體中氨氮和溶解性有機物的降解能力。

隨著我國水環境問題的日益突出，以及河湖治理和海綿城市建設的不斷推進，填料和濾料的需求量逐漸增大，相關的應用也不僅局限在原水和污水處理領域。生物質灰渣應用于污水處理材料時，除考慮處理效果外，還需考慮其吸附性、粒徑、比表面積及其掛膜特性等因素[32-33]。

目前，國內外與生物質電廠灰渣的成本和經濟分析相關的文獻較為缺乏，僅為吸附工藝經濟分析的文獻[34]。例如，Prashanth等[34]基于以吸附、酸洗(去除填料表面沉淀物)、脫附再生組成的磷吸附工藝流程，構建了關于化學品成本的模型，其中包含了吸附柱填料成本。雖然該模型的前提條件較為理想化，但可通過借鑒其思路來評估灰渣作為填料對相關污水處理工藝的成本影響。總之，關于灰渣在污水處理領域的應用方面，有必要進行相關的經濟分析，從而為灰渣工業化應用的潛力和價值提供依據。

4 結論

本文對生物質電廠灰渣的特性研究進行了總結。灰渣的主要成分相似，其資源化利用在一定范圍內具有普遍適用性；但是，實際生產過程中，多種燃料混合進料燃燒又會導致灰渣成分和特性存在一定的差異性。因此，生物質電廠灰渣的資源化利用需根據其理化性質與特征進行區別化利用。近年的研究結果表明，生物質電廠灰渣經合理處理后制成的污水處理填料和濾料表現出良好的性能，可作為一種新型填料/濾料進行廣泛應用，但實際工程應用過程中不僅要考慮處理效果，同時還要結合其理化性質、處理條件、經濟價值等進行綜合考查。從污水處理研究的角度考慮，生物質電廠灰渣對污染物去除的吸附作用機理以及相關改性方法有待進一步深入研究分析。從污水處理工藝的成本和產業化應用的角度考慮，有必要針對生物質電廠灰渣進行相關的經濟分析。