污泥基生物炭的研究进展

◎ 吴来荣，黄 林，曹 军，乔俊辉，刘永德

（1.河南工业大学化学化工学院，河南 郑州 450001；2.郑州市污水净化有限公司，河南 郑州 450051）

污泥基生物炭的研究进展

◎ 吴来荣1，黄 林2，曹 军2，乔俊辉2，刘永德1

（1.河南工业大学化学化工学院，河南 郑州 450001；2.郑州市污水净化有限公司，河南 郑州 450051）

近年来，我国污水处理行业发展迅速，随之而来的污泥处置问题成为亟待解决的难题。污泥来源不同，最终的用途也会有差异，部分污泥含重金属、有机污染物，无法直接农用，使污泥经预处理制备成生物炭是一个较好的出路。目前，不少学者研究污泥热解工艺的可行性，热解产物生物炭作为土壤改良剂施加到土壤中，可改善土壤的物理、化学和生物学性状，有效降低土壤中的污染物浓度。基于此。总结污泥基生物炭在国内外的研究应用进展，并在此基础上展望污泥基生物炭的发展前景。

污泥；热解；生物炭

污泥作为一种污水处理过程中不可避免的副产物，其产量随城镇化的快速发展而日益增加，因此，我国迫切需要除填埋和焚烧外，更加有效的处理处置方法。污泥热解制备生物炭因在能量消耗、资源回收、重金属溢出控制方面优于传统的焚烧过程而受到广泛关注[1-3]。大部分污泥热解研究关注于能量和燃料品质[4]、热解行为[5-6]、固态炭作为吸附剂去除水体污染物性能[7-8]等方面，也有学者直接将污泥基生物炭添加到土壤中，探究其对作物的产量和土壤性质的影响[9-10]，还有学者研究了污泥基生物炭对堆肥质量的影响及堆肥成品对作物和土壤性质的影响[11]。污泥基生物炭几乎是纯碳，将其埋至地底下可长达几百年甚至上千年不会消失，等同于将碳封存于土壤中，有助于减缓全球气候变暖的问题。

1 生物炭的定义及特性

1.1 生物炭的定义

生物炭是指在低氧环境下，通过高温裂解将木材、草、玉米秸秆或动物粪便、污泥碳化，以固定碳元素为目的炭。目前，生物炭生产多采用高温分解法，在400～600 ℃的高温下将生物质置于缺氧状态下，有控制地高温慢速裂解。裂解产物除生物炭外，还有焦油、裂解气和木醋液等副产品[2]。

1.2 生物炭的特性

生物炭几乎全部由碳元素组成，且碳原子间具有极强的亲合力，因此无论在低温或高温下都有很好的稳定性。生物炭表面有很多孔洞，其比表面积很大，大孔隙可达750～1 360 m2/g，小孔隙能达51～138 m2/g，生物炭的密度很小，一般为1.5～1.7 g/cm3，容重为0.3～0.7 g/cm3，由于这些特性，生物炭可作为许多复合材料或肥料的原料[5]。不同种类生物质来源制备的生物炭，其理化特性有很大的区别，木炭与竹炭的挥发分比秸秆类（稻秸炭与玉米秸炭）生物炭的挥发分低，燃烧后灰分较少，其固定碳比例较高，热值也远高于禾本科类的生物炭。炭化温度为500 ℃时，不同种类生物炭的理化特性见表1[7]。

表1 不同种类生物炭的理化特性表

2 污泥基生物炭的研究现状

2.1 污泥基生物炭对重金属吸附研究

污泥在无氧条件下，加热至300～900 ℃即可发生热解反应，产生可作为能源的合成气和生物油，固体残渣即为生物炭[12,13]。生物炭是一种环境功能材料，可吸附重金属。目前对污泥热解的报道主要关注提高能量回收的效率，而生物炭的性质与利用，尤其是作为吸附剂方面关注较少。生物炭因底物、反应条件的差异，表现出对重金属不同的吸附性能和吸附机制。Rio等热解石灰干化污泥制得的生物炭对Cu（II）的吸附能力远强于以脱水污泥为基质的生物炭，推测吸附机制为离子交换和表面沉淀的共同作用[14]。Rozada等报道污泥基生物炭对Cu、Pb、Cr的最大吸附量分别为3.6、30.1、1.5 mg/g，且吸附优先顺序为Pb（II）＞Cu（II）＞Cr（III）[15]。丁文川 等在700 ℃下热解富磷剩余污泥制得生物炭，磷元素可增强生物炭表面对重金属的结合能力，对Pb（II）的最大吸附量达34.5 mg/g[16]。陈坦 等研究生物-物理干化污泥900 ℃热解制得的生物炭对Pb、Zn、Cu、Cd4种重金属的吸附性能，得出污泥基生物炭对Pb、Zn、Cu和Cd的最大吸附量实测值分别达到（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应用

在堆肥处理过程中，加入生物炭改善有机物降解和腐殖化过程、提高产品品质是近年来堆肥处理的研究热点。已有研究将木炭、竹炭等不同类型的生物炭应用于禽畜粪便和污泥的堆肥，发现由于生物炭的多孔性和高比表面积，具有较好的吸附能力，且可改善堆肥通气状况[18]，为微生物生存提供附着位点，从而能加速有机物降解，促进产品腐熟[19-21]，减少氮损失[22]。且污泥基生物炭价格更为低廉、可在污泥处理场地制备确保其可获得性，从而被广大学者应用于堆肥中。董金星 等设计一套城市生活污泥堆肥装置，以污泥基生物炭的投加量为变量设计堆肥实验，所有的堆体均经历升温期、高温期、降温期3个阶段。得出投加量在3%～6%时可延长高温期持续时间，有利于堆肥反应的进行，但投加量过高会抑制堆肥过程，减少高温期持续时间及最高温度[23]。

2.3 污泥基生物炭在污泥好氧降解中的应用

余琴芳等在300、500、700℃下热解获得污泥基生物炭，记为C300、C500、C700，分别添加至污泥中进行好氧降解反应，研究降解过程中污泥性质的变化和反应前后污泥生物炭重金属含量的变化。结果表明，添加污泥生物炭可提高污泥降解产物的稳定性，降低污泥中重金属的生物有效性。添加C300的产物稳定性最高、重金属生物有效性最低，相比对照工况，其产物的5日耗氧量降低了27%，Cu、Zn、As和Ni的生物有效性分别降低24%、15%、26%和19%[24]。

2.4 污泥基生物炭用作除臭填料的研究

曾祥专 等分别采用污泥生物炭和目前市场上广泛使用的竹炭填料，在不同的进气浓度、停留时间下进行除臭对比试验。结果表明，污泥生物炭是一种优良的除臭填料，在较短的停留时间下，对中、高浓度硫化氢气体的去除效果要优于竹炭，污泥基生物炭填料更适用于处理较高浓度的臭气。在停留时间为15 s的情况下，当进气硫化氢平均浓度接近70 mg/m3时，去除率接近86%；当停留时间延长到30 s时，生物炭填料对各种浓度硫化氢（0～150 mg/m3）的去除率都在92%以上[25]。

3 结语

结合国内外的研究现状，污泥基生物炭在重金属吸附方面的研究较为深刻，成果较为成熟，污泥基生物炭作为一种廉价、易获取的功能性材料，可有效地降低土壤中重金属的生物有效性，具有竹炭、木炭所无法比拟的吸附效果。污泥基生物炭应用于堆肥过程，由于其多孔性和高比表面积，可改善堆肥过程中的通气状况，加速有机物降解，促进堆肥产品腐熟，同时减少氮损失。污泥基生物炭在污泥好氧降解中的应用和用作除臭填料的实验结果证明污泥基生物炭是一种经济可行的污泥好氧降解添加剂和优良的除臭填料。各种研究表明，将污泥通过热解工艺制备成生物炭是一种既经济又实用的方法，其热解产物污泥基生物炭是极具潜力的一种功能性材料，广泛应用可实现经济和环境的双重积极作用，具有良好的应用前景。

[1]Kist1er RC，Widmer F，Brunner P H. Behavior of chromium，nicke1，copper，zinc，cadmium，mercury，and 1ead during the pyro1ysis of sewage s1udge [J].Environmenta1 science and techno1ogy，1987（7）：704-708.

[2]Karayi1dirim T，Yanik J，Yukse1 M，et a1. Characterization of products from pyro1ysis of waste s1udges[J].Fue1，2006（10-11）：1498-1508.

[3]Agrafioti E，Bouras G，Ka1deris D，et a1. Biochar production by sewage s1udge pyro1ysis[J].Journa1 of ana1ytica1 and app1ied pyro1ysis，2013（5）：72-78.

[4]Fonts I，Azuara M，Gea G，et a1. Study of the pyro1ysis 1iquids obtained from different sewage s1udge[J].Journa1 of Ana1ytica1 and App1ied Pyro1ysis，2009（1）：184-191.

[5]Gasco G，B1anco CG，Guerrero F，et a1. The inf1uence of organic matter on sewage s1udge pyro1ysis[J]. Journa1 of Ana1ytica1 and App1ied Pyro1ysis，2005（1-2）：413-420.

[6]Sanchez ME，Menendez JA，Dominguez A，et a1. Effect of pyro1ysis temperature on the composition of the oi1s obtained from sewage s1udge[J].Biomass and Bioenergy，2009（6-7）：933-940.

[7]Mendez A，Gasco G. Optimization of water desa1ination using carbon based adsorbents[J]. Desa1ination，2005（1）：249-255.

[8]Wang XJ，Xu XM，Liang X，et a1. Adsorption of copper（Ⅱ）onto sewage s1udge-derived materia1s via microwave irradiation [J]. Journa1 of Hazardous Materia1s，2011（3）：1226-1233.

[9] Khan S，Chao C，Waqas M，et a1.Sewage s1udge biochar inf1uence upon rice（Oryza sativa L.）yie1d，meta1bioaccumu1ation and greenhouse gas emissions from acidic paddy soi1[J].Environmenta1 Science and Techno1ogy，2013（15）：8624-8632.

[10]Andrey B, Teresa J, David CL. Pore structure and surface chemistry of adsorbents obtained by pyro1ysis of sewage s1udge derived ferti1izer[J].Carbon，2001（13）：1971-1979.

[11]Zhang X，Zhang GL，Sun QN et a1.Inf1uence of biocarbon from spent mushroom substrate on properties of pig manure compost and rice growth[J].Journa1 of Agroenvironment Science，2014（10）：2036-2041.

[12]Pittman JK. Managing the manganese：Mo1ecu1ar mechanisms of manganese transport and homeostasis[J].New Phyto1ogist，2005（3）：733-742.

[13]Uren NC.Chemica1-reduction of an inso1ub1e higher oxide of manganese by p1ant-roots[J].Journa1 of P1ant Nutrition，1981（1）：65-71.

[14]Hebbern CA，Pedas P，Schjoerring JK，et a1.Genotypic differences in manganese efficiency：Fie1d experiments with winter bar1ey（Hordeum L.）[J].P1ant and Soi1，2005（1-2）：233-244.

[15]Thompson IA，Huber DM，Guest CA，et a1.Funga1 manganese oxidation in a reduced soi1[J].Environmenta1 Microbio1ogy，2005（9）：1480-1487.

[16]丁文川，杜 勇，曹晓岚，等.富磷污泥生物炭去除水中Pb（II）的特性研究[J].环境化学，2012（9）：1375-1380.

[17]陈 坦，韩 融，王洪涛，等.污泥基生物炭对重金属的吸附作用[J].清华大学学报，2014（8）：1062-1067.

[18]Czekała W，Ma1ińska K，Cáceres R，et a1.Cocomposting of pou1try manure mixtures amended with biochar–The effect of biochar on temperature and C-CO2emission[J].Bioresource techno1ogy，2016（1）：921-927.

[19]Zhang JN，Lu F，Shao LM，et a1. The use of biocharamended composting to improve the humification and degradation of sewage s1udge[J].Bioresource Techno1ogy，2014（3）：252-258.

[20]Jindo K，Suto K，Matsumoto K，et a1.Chemica1 and biochemica1 characterization of biochar b1ended composts prepared from pou1try manure[J]. Bioresource Techno1ogy，2012（2）：396-404.

[21]闫金龙，江 韬，赵秀兰，等.含生物质炭城市污泥堆肥中溶解性有机质的光谱特征[J].中国环境科学，2014，34（2）：459-465.

[22]Steiner C，Das K C，Me1ear N，et a1.Reducing nitrogen 1oss during pou1try 1itter composting using biochar [J].Journa1 of Environmenta1 Qua1ity，2010（4）：1236-1242.

[23]董金星，杨梦娇，陈小芳，等.生物炭作为EM菌载体影响因素及其优化条件[J].安徽科技学院学报，2015，（6）：81-86.

[24]余琴芳，吕 凡，於 进，等.污泥生物炭在污泥好氧降解中的原位应用[J].中国环境科学，2016（6）：1794-1801.

[25]曾祥专，卢欢亮，黄志华，等.污泥生物炭用作除臭填料的试验研究[J].中国给水排水，2013，29（17）：40-43.

The Research Progress of Sludge-based Bio-carbon

Wu Lairong1，Huang Lin2，Cao Jun2，Qiao Junhui2，Liu Yongde1
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China; 2.Zhengzhou Sewage Purification Co., Ltd., Zhengzhou 450051, China)

In recent years, China’s sewage treatment industry has developed rapidly, followed by sludge disposal problems become the priority that environmentalists need to solve. If the source of sludge is different, the final use of sludge will be different. Some sludge contain heavy metals, organic pollutants, so that can’t be used in agriculture directly, it is a better way to make sludge for bio-carbon after pretreatment. At present, many scholars are studying the feasibility of the pyrolysis process, bio-carbon as a soil amendment to the soil can improve the soil physical and chemical properties and biological traits, effectively reduce the concentration of soil contaminants. In this paper, the progress of research and application of sludge-based bio-carbon at home and abroad is summarized, the development prospect of sludge-based bio-carbon is evaluated and forecasted.

Sludge; Pyrolysis; Bio-carbon

10.16736/j.cnki.cn41-1434/ts.2016.20.004

X703

郑州市重大科技专项（编号：141PZDZX045）

吴来荣（1992-），男，硕士；专业方向为：固体废弃物处理与资源化研究。