污泥制備生物炭及資源化利用的研究進展

摘 """""要：污泥是廢水經污水處理廠處理后殘留的固體殘渣，其中存在多種有毒有害物質，若處置不當，可能對生態環境造成極大危害。面對我國節能減排和環境保護的客觀要求，實現污泥的減量化、無害化、資源化，成為污泥處理處置的重要任務。污泥生物炭是污泥在一定條件下熱解的產物，具有比表面積大、表面基團豐富且營養元素含量高等特點，在土壤改良、重金屬去除和水處理等領域均有應用，因此利用污泥制備生物炭已發展成為污泥資源化利用的有效途徑之一。從總結污泥生物炭制備與改性方法開始，對污泥生物炭性質及影響因素進行分析，重點闡述了污泥生物炭在環境、農業、高級氧化水處理和儲能材料領域的研究及應用現狀，并對污泥生物炭未來的研究方向和發展前景進行了展望。

關 "鍵 "詞：污泥生物炭；固廢資源化；環境修復；農業利用；儲能材料

中圖分類號：X705 """""""""""文獻標志碼：A """"文章編號：1004-0935（2025）03-0490-06

隨著經濟持續快速穩定發展，城鎮污水處理規模日益提升，污泥的產量也不斷增加。據調查統計數據顯示，2025年中國污水污泥（含水量為80 %）預計將達到9"000萬t^[1-2]。污泥是污水處理過程中產生的主要產物，它是一種由有機質、微生物菌體、原生動物蟲卵、無機顆粒和膠體等組成的極其復雜的非均勻體^[3]。污泥有機質含量過高，容易腐化發臭，這些物質若不能得到合適的處理將導致嚴重的二次污染。目前處理剩余污泥最常用的方法是焚燒、填埋、海洋傾倒^[4]、農業再利用（直接或堆肥后）以及生產水泥、磚和瀝青等建筑材料的再利用^[5]。“十三五”指出污泥應進行穩定化、無害化和資源化處理處置，因此污泥資源化一直是當前國內外污泥處理處置技術的研究熱點。

生物炭是指生物質在缺氧的情況下，經熱解而成的富含碳素的固態物質^[6]。生物炭的生物質原料多樣且成本低，椰殼、核桃殼、秸稈、木屑以及城市污泥等廢棄物都可以用作原料，可見利用污泥制備生物炭是治理廢棄污泥的一種可選方法，也是當前污泥處理處置的一種新型方式，相比于填埋和農業再利用的方法，污泥生物炭可減少固體殘留物的體積，消除污泥中存在的病原體和有機化合物，并進行生物炭的再利用，進一步實現污泥資源的回收和利用，使單純的污染治理與能源可持續利用相結合，充分體現該技術在環境污染處理工藝方面的新理念。在“雙碳”背景下，伴隨生物炭產業化進程的不斷加快，生物炭技術作為污泥資源化的重要途徑之一，有望在全國范圍內取得規模化推廣和應用，未來行業發展前景可期。

對近年來污泥生物炭的制備技術及改性方法進行總結，對污泥生物炭性質及影響因素進行分析，著重闡述污泥生物炭在環境、農業、高級氧化水處理和儲能材料等領域的研究及應用現狀，為污泥生物炭制備工藝和應用研究提供參考，并為推動污泥資源利用助力。

1 "污泥生物炭制備技術

污泥生物炭是污泥熱解的產物，熱解過程通常是指污泥在無氧或低氧環境下，污泥經加熱升溫引起分子分解產生生物炭、可冷凝液體和氣體產物的過程^[7]。當前，國內外污泥制備生物炭的主要技術包括熱裂解法、微波熱解法及水熱碳化法等，其中熱裂解法和微波熱解法屬于干式碳化法，而水熱碳化法屬于濕式碳化法。常見污泥生物炭制備技術與特性如表1所示。

2 "污泥生物炭改性方法

生物炭作為一種環保經濟的吸附材料，被廣泛應用于去除環境中的污染物，但生物炭的可再生率、污染物去除能力等仍有待提高，因而需對生物炭進行改性。改性的主要目的是改善生物炭的孔隙結構、比表面積和豐富表面基團，從而最大化發揮生物炭的吸附作用。目前，污泥生物炭的改性方法主要有物理改性法、化學改性法、負載礦物法、生物改性法等，不同的改性方法可以賦予生物炭不同的理化性質和功能，提高生物炭對污染物的去除效率，對實現生物炭的高效應用具有重要意義。

2.1 "酸堿改性

酸堿改性能夠提升生物炭的比表面積和多孔結構的形成，同時酸改性能夠增加生物炭中含氧官能團的數量，堿改性則可產生較高的表面芳香度和N/C比值。常用的酸改性劑包括鹽酸、硫酸、磷酸、硝酸及草酸等，堿改性劑主要為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水與尿素等。唐雪嬌等^[16]利用草酸改性污泥生物炭，經分析得出改性后的生物炭引入多種含氧官能團，生物炭的比表面積增加了3.5倍，孔體積增大1.5倍，對甲基橙的吸附率也提高了35 %。周佳麗等^[17]采用響應曲面法用KOH改性污泥生物炭，結果表明改性后的污泥生物炭表面粗糙，比表面積是未改性生物炭的24倍，微孔體積從0.000"5 cm³·g^-1增加到0.023"6 cm³·g^-1，污泥生物炭的芳香性和親水性也得到提高，對Pb²⁺的吸附結果表明，KOH改性生物炭的Pb²⁺最大理論吸附量可達原污泥生物炭的5倍。不同類型的酸和堿對生物炭的改性效果不同，一般而言酸堿改性可以大幅度改善生物炭的比表面積和吸附性能，從而提高對污染物的去除能力。

2.2 "負載金屬/金屬氧化物改性

污泥生物炭負載金屬或金屬氧化物改性，能夠使污泥生物炭兼具生物炭與金屬或金屬氧化物的多重性質，增加孔徑、比表面積與官能團數量，并可能賦予生物炭磁性。常用的金屬與金屬氧化物包括Fe、Mn、Al、FeCl₃、FeO及其他金屬氧化物等，它們與生物炭結合的方法主要為浸漬法、共沉淀法和液相還原法等。鄒意義等^[18]采用FeCl₃改性污泥生物炭并利用制備的Fe-污泥生物炭處理低濃度吡蟲啉（IMI）廢水，研究結果表明，Fe-污泥生物炭的比表面積和總孔體積明顯增大，且含氧官能團的數量增加，因此對廢水中IMI的吸附能力更強，吸附量為未改性污泥生物炭的1.97倍。可見利用金屬與金屬氧化物負載到生物炭上可以改變生物炭的表面性質，提高對陰陽離子污染物的去除能力。

2.3 "負載納米材料改性

生物炭與新型材料（如石墨烯、納米纖維、碳納米管等）的復合應用與結合是污泥生物炭材料的研究熱點之一。負載納米材料改性生物炭能夠吸附去除環境中的重金屬和有機污染物，改善生物炭的表面性能，增大生物炭的熱穩定性。INYANG等^[19]利用碳納米管制備了生物炭納米復合材料，與未改性的生物炭相比，納米復合材料具有更高的比表面積和孔隙率。石墨烯和碳納米管等是常用的負載納米材料，盡管它的成本較高，但使用納米材料能夠顯著增加生物炭的比表面積，因此負載納米材料改性污泥生物炭仍具有較好的應用前景。

2.4 "有機物改性

利用有機物對生物炭改性主要是通過增加生物炭表面的官能團來改善其吸附性能，用于生物炭改性的有機物主要包括乙二醇、乙醇、檸檬酸及甲醇等。JING等^[20]利用甲醇改性生物炭后，生物炭表面羥基和酯基數量增加，羰基數量下降，表面氧容易形成氫鍵，有利于提高對污染物的吸附性能。有機物改性生物炭增加了生物炭表面羧基、羰基、酯基等官能團，對持久性有機污染物和陽離子污染物的吸附性更強。

3 "污泥生物炭的應用現狀

3.1 "污泥生物炭的環境污染治理應用

污泥生物炭在環境中的應用主要是吸附有毒有害污染物。目前，對重金屬的吸附與固定是污泥基生物炭研究的熱點，As⁵⁺、Cr⁶⁺、Cd²⁺和Pb²⁺等常見的重金屬均能夠被污泥生物炭有效吸附去除。陳坦等^[21]利用Fe₂O₃、ZnO、MnO₂分別對生物炭進行改性，結果表明，Fe₂O₃改性生物炭對Cd²⁺的吸附性更好，Cd²⁺的去除率可達86 %。同時，污泥生物炭還能夠去除廢水中的非金屬和有機污染物。梁寧等^[22]用污泥制備生物炭去除污水中的磷，磷的去除率達到最大值84.38%。其次，印染廢水是主要的有害工業廢水，在印染棉、麻、化學纖維及其混紡制品等紡織材料中，所產生的廢水經物理化學處理后，水量大，色度高，成分復雜，且水質變化范圍大，處理難度較大。徐波等^[23]采用剩余污泥在不同溫度下熱解制備多種生物炭并對印染廢水進行脫色處理，經對比研究發現，所有污泥生物炭對印染廢水都具有脫色效果，其中400 ℃熱解制得的污泥生物炭對印染廢水的脫色效果最佳，證明了污泥生物炭在印染廢水脫色處理應用中的潛力。

對于同時存在重金屬和有機污染物的土壤或水體，污泥生物炭可能具有協同處理能力。JIANG ""等^[24]添加污泥生物炭在豬糞消化池中，結果表明，生物炭對磺胺嘧啶和泰絡菌素的去除率較高，分別可達70%和100%；同時與未添加生物炭相比，添加生物炭后消化池中混合液中的Cu質量分數降至7.99%，還原性Zn下降29.20%，殘余As質量分數提高16.60%，由此可見生物炭可以減少重金屬和抗生素的復合污染。同時，說明重金屬離子在污泥生物炭吸附位點上的競爭可能會極大地限制污泥生物炭在某些條件下去除有機殘留物的應用，且污泥生物炭之所以表現出具有同時去除重金屬和有機污染物的潛力，與其對金屬離子和有機化合物的各種活性吸附位點有關。因此，污泥生物炭被認為是一種高效且具有成本效益的吸附劑，可用于各種污染物的去除。

污泥生物炭也被認為是一種有效且有前途的吸附溫室氣體的材料。溫室氣體的主要成分是CH₄、N₂O和CO₂，減少這些氣體的排放有利于緩解全球變暖。AWASTHI等^[25]通過加入污泥生物炭2～3天后，可觀察到CH₄、N₂O及CO₂的排放量明顯減少。這種潛力可以通過基于原料化學和結構特性來設計生物炭進行探索。

3.2 "污泥生物炭的農業應用

污泥生物炭的添加可以顯著提高土壤中的有機質含量，從而提高土壤肥力。由于污泥生物炭具有高度豐富的多孔結構和較大的比表面積，因此可以為有益的土壤微生物（如菌根和細菌）提供避難所，并影響陽離子和陰離子的交換能力。相關研究結果表明，施用污泥生物炭可以提高植物生長產量，改善水質，減少養分的淋失，降低土壤酸度，增加保水性，減少灌溉和肥料需求。施用污泥生物炭后，植物對關鍵營養素的吸收和生長產量顯著增加，特別是在添加營養素的情況下^[26]。

污泥生物炭可以提高土壤養分。土壤中加入污泥生物炭后可以降低土壤酸度，增加土壤電導率和陽離子交換能力（CEC）以及養分有效性。污泥生物炭施用引起的土壤pH升高能夠改善養分有效性，特別是磷和鉀的有效性。當土壤中陽離子交換能力提高，氧化的有機物質吸附到污泥生物炭表面上可能會產生負表面電荷，這些都能夠使養分被固定在土壤中以防止淋溶流失。MIERZWA-HERSZTEK""等^[27]采用不同的污泥制備多種生物炭以研究生物炭對土壤中碳元素含量的影響，結果表明無論生物炭的類型如何，在生物炭添加量最多的土壤中，碳含量的增加也最高。由于添加生物炭可以改善土壤孔隙度并額外引入微生物生長所需的關鍵營養元素，從而為土壤中的微生物創造了完美的棲息地，利于微生物的增殖。

污泥生物炭影響農作物產量。由于污泥生物炭具有多孔結構和豐富的表面官能團，添加到土壤中能夠增加土壤肥力，提高土壤的滲透性和離子交換能力及營養物質利用率。KHAN等^[28]對水稻盆栽實驗的研究結果表明，污泥生物炭作為改良劑不僅增加了土壤的pH、總氮、土壤有機碳和有效養分，并可以增加地上部分生物量（增長率71.3%～92.2%）、籽粒產量（增長率148.8%～175.1%）以及磷和鈉的生物累積。與此同時，Zn和Cu等高度富集的金屬在植物中有所積累，與土壤相比，As、Pb、Ni、Cd和Cr等重金屬在植物中沒有明顯的積累潛力，由此可見隨著更多的生物炭被添加到土壤中，將有更多的養分可被植物利用，從而對植物生長產生積極的促進作用。污泥生物炭在減少污染物由土壤向水和植物的轉移方面也有效果，但污泥生物炭的這種能力受土壤性質、溫度和生產原料等因素的影響，所以需要進一步研究。

3.3 "污泥生物炭高級氧化水處理技術應用

近年來，高級氧化技術因其對新型污染物的強大破壞能力而受到學術界和工業界越來越多的關注。污泥生物炭作為催化劑在高級氧化水處理體系中也有應用，主要包括光催化、芬頓及過硫酸鹽體系等。

光催化是指在光照的條件下產生氧化還原能力達到去除污染物的目的^[29]。由于光子誘導的電 ""子-空穴對的高復合率、低吸附能力和窄的光吸收范圍^[30]，單獨使用二氧化鈦的產率有限，阻礙了其實際應用。MIAN等^[31]利用污水污泥和鈦浸漬殼聚糖的共熱解合成新型TiO₂/Fe/Fe₃C混合生物炭復合材料，作為一種非均相催化劑用于亞甲基藍降解實驗。結果表明，pH為中性、反應時間為300"min時，亞甲基藍的最大吸附能力達376.9 mg·L^-1。這種簡單且成本效益高的方法同時顯示了一種將污水污泥轉化為高價值催化材料的環保方式及其降解有機污染物的潛力，特別是光催化劑的典型特征將使其成為非常適合用于凈化污染水的配置和高效光反應器。

傳統的芬頓體系由亞鐵離子和過氧化氫的均勻溶液組成，由于亞鐵離子在pH高于4.0時具有不穩定性，導致在高pH區域的效率極低，從而產生氫氧化物絡合物或氫氧化鐵^[32]。GAN等^[33]通過芬頓試劑和赤泥（RM）處理污泥餅，熱解制備出含有多價鐵化合物（Fe⁰、Fe_0.95C_0.05、Fe₃O₄和FeAl₂O₄）的富鐵生物炭，用作降解4-氯酚（4-CP）的高效芬頓催化劑，經過5輪連續降解后，4-CP的去除效率保持100%，均相Fenton反應主要在第一輪降解中起作用，非均相Fenton反應在隨后的降解中占主導地位。這項研究的結果表明，污水污泥衍生的富鐵生物炭可以作為一種高效的芬頓催化劑用于難降解有機物的降解。

活化過硫酸鹽是一種高級氧化新技術，氧化效率更高、穩定性更強且成本更低，可廣泛應用于廢水消毒、有機廢水和重金屬廢水等的處理中。目前國內外已有一些研究污泥生物炭對硫酸鹽的活化作用，并用來降解難降解的有機化合物。劉彥禧等^[34]采用PMS作為氧化劑負載到Mn/Cu改性污泥生物炭中，通過降解實驗發現，聚乙烯醇去除率可達到96.5%。不僅如此，也有研究結果表明其他材料也能作為催化劑活化過硫酸鹽并對廢水中的污染物進行去除^[35-37]。

3.4 "污泥生物炭的儲能技術應用

由于污泥生物炭表面上具有不同類型的芳香環和氧化還原結構，在不同熱解溫度下制備的生物炭會表現出不同的電導率和氧化還原性能^[38]，因此污泥生物炭在儲能材料中具有良好的發展前景。

碳材料是鈉離子電池和鋰離子電池最有前途的陽極^[39]，而生物質衍生的碳通常可以提供比石墨更高的容量，因為生物質本質上具有理想的分子結構，有利于電荷存儲和傳輸^[40]。BAO等^[41]利用含油污泥制備污泥生物炭，并探究了污泥生物炭作為電池正極材料的可行性，結果表明，進行10次放電充電循環后，熱解溫度分別為500、600、700 ℃下制備所得生物炭的放電比容量依次減少為第一次循環后的38.4 %、97.3 %和96.9 %，可見700"℃熱解的生物炭在多次電化學循環后具有最佳的比容量再現性，能夠保持高放電容量且表現出良好的抗沖擊性，可作為潛在的電極材料。除此之外，不同原料制備的生物炭也能在電極材料方面有著相同的應用^[42]。

相變材料（PCM）是一種新型的能量儲存物質，它能在特定的溫度范圍內改變物理狀態，吸收或釋放大量潛熱。在建筑材料領域，相變材料的應用對于緩解建筑物的高能源消耗和環境污染非常重要。常用的固-液PCM在固相轉變為液相的過程中容易發生泄漏，將PCM浸漬到多孔材料中則可以起到吸附固定液相的作用。生物炭由于原料獲取便捷、制備過程綠色環保，因此將生物炭作為載體吸附PCM已成為PCM開發的研究熱點之一。ATINAFU等^[43]以芒草（MS）、油菜（OS）和污水污泥（SS）為原料，經熱解得到生物炭，采用真空浸漬法與有機PCM（1-十二醇和正十二烷）復合以增強形狀穩定性，研究結果表明生物炭顯示出高穩定性，OS、SS和MS的重量損失分別為39.3%、33.8%和27.4%，這些特性有助于設計形狀穩定的PCM。與污水污泥生物炭相比，油菜生物炭微孔高，中孔比例范圍廣，對PCM包封有顯著影響，這就證明大的微孔/中孔比例有利于對PCM的高吸附量。生物炭所具有的可承受性、環境友好性和結構可調性的特性，對其在相變儲能領域的應用具有重要意義，已逐漸成為能源儲存和轉換應用的研究方向。污泥生物炭作為基體吸附PCM制備復合相變儲能材料的研究目前還相對較少，而其在建筑節能、可再生能源利用等領域具有較好的應用潛力，可以有效減少碳排放量，因此是一種前景良好的污泥生物炭應用技術。

4 "結束語

當前，我國的污水收集處理取得顯著成效，而污泥的安全穩定處置已成為制約污水處理行業健康發展的重要瓶頸。隨著碳中和目標的推進，未來污泥處理處置應以節能降耗及能源資源回收為目標。作為一種高效安全處置污泥的手段，污泥制備生物炭可以提高污泥能源的回收利用，促進低碳循環的綠色發展，已成為污泥資源化利用的研究熱點之一。從污泥生物炭制備技術及資源化應用的研究發展現狀來看，污泥生物炭的研究及應用還存在一些問題，研究著力點可關注以下幾方面：

1）現階段污泥熱解/水熱技術具有不同的特點，不同反應條件和污泥性質使反應產物和生物炭產品具有一定差異性和復雜性，導致制備生物炭的技術應用仍處于實驗研究階段，在推廣應用上受到了諸多因素的限制，例如污泥生物炭制備過程中產生的熱解氣和熱解油的有效利用途徑尚不明確，避免熱解產物二次污染的工藝條件也不確定，因此應進一步結合理論研究，開發經濟、綠色和安全的污泥炭化技術，實現經濟效益和環境效益的協同提升。

2）由于污泥的來源和組成不同，使污泥生物炭成品性質表現出不穩定性，如何根據污泥性質進行制備工藝參數調整以提高生物炭產品性質的穩定性，現有的研究還沒有解決。同時，污泥生物炭制備工藝標準的確立也是污泥生物炭面向工業化和市場化需要解決的重點問題。

3）污泥生物炭在多個領域均有資源化利用研究及應用，尤其在農業和環境修復領域的應用較多，而作為儲能材料的實驗和應用技術研究則較少。利用污泥生物炭制備復合儲能材料，既可以實現污泥固廢資源回收，也可以借助儲能材料的開發和應用實現節能降耗，從而達到雙重減碳的效果，對于相關工藝技術、應用途徑及手段的研究應是今后研究工作的重點。

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Research Progress of Biochar Preparation and Resource Utilization from Sludge

CHU Shuping， MENG Duo， SHAO Wei

（School of Civil and Architectural Engineering， Liaoning University of Technology， Jinzhou Liaoning 121000， China）

Abstract："As one of the most important solid residues of wastewater treatment， sludge contains various toxic and harmful substances. If it"can"be"not treated properly， it may cause great harm to the ecological environment. To meet the urgent requirements of energy conservation， emission reduction， and environmental protection in China， achieving reduction， harmlessness and resource utilization of the sludge has become an important aim for sludge treatment and disposal. Sludge biochar， produced from sludge pyrolysis， performs super features including large specific surface area， rich surface groups and high nutrient content. It has been applied in various fields， such as soil improvement， heavy metal removal， and water treatment. Therefore， the preparation of biochar from sludge has become one of the effective ways for sludge resource utilization. In this article， preparation and modification methods of sludge biochar were summarized， as well as the properties and influencing factors of sludge biochar. The applications of sludge biochar in the fields of environment， agriculture， advanced oxidation water treatment， and energy storage materials were also introduced. Finally， future researches and development prospect of sludge biochar were discussed.

Key words：Sludge biochar;Recycling of solid wastes;Environmental modification;Agricultural utilization;Energy storage materials