污泥生物炭吸附材料的制备及其应用

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

近年来，随着我国城镇化建设的不断发展，生活污水的排放也大幅增多。污水处理厂由于其工艺的性质，在处理生活污水的过程中将伴随产生出来大量的污泥，而目前大部分的污泥处理方法为填埋和焚烧，这样不仅对环境有所影响，还浪费了污泥的资源化利用机会。据预测，未来两年城镇污水处理厂污泥的年产量将突破6000万吨[1]，而对这些污泥的处置成本一般较高，据统计，基本占据了污水处理厂的大部分投资。因此，寻找有效的污泥处置方法已成为目前污水处理厂的一大待解决问题。污泥的含水率较高，所以批量处理较难，而且不同污泥中可能含有不同的物质，如重金属、有机物、病原微生物等，因此，处理不当会造成后续的很多问题，比如严重的二次污染[2]。根据污泥中含有大量有用物质的特点，将污泥进行资源化利用，实现减量化、资源化和无害化的处理，可以在经济上带来更多的效益，同时也对环境的保护具有十分重要的意义[3-4]。

生物炭自身的结构就拥有极为丰富的孔隙，这些孔隙大大增加了它的比表面积，而这些结构上的特性让它在吸附方面拥有优异的能力，因此生物炭在污染控制方面拥有较好的应用前景。在众多处理污泥的方法和技术中，利用污水处理厂产生的污泥为原料制备生物炭吸附材料是近些年的研究重点之一。相比其他方法，具有处理成本低、废物利用和没有二次污染等优点，且得到的生物炭可以广泛应用于吸附的各个方面[5]。在此基础上，本文首先介绍了如何用不同方法来制备污泥生物炭，然后介绍了污泥生物炭在不同领域里的应用现状，最后展望了污泥制备的生物炭未来的发展和应用方向。

1 生物炭简介

生物炭(biochar)指在低氧或缺氧条件下将木材、农作物秸秆、污泥或动物粪便等生物质经过高温裂解形成的稳定且富含碳元素的物质。生物炭的基本组成元素是碳、氢、氧等，但其主要成分是碳(约70%-80%)[6]。自然界中的生物质多种多样，所以不同生物质制成的生物炭在结构、孔隙结构、比表面积等方面上具有很大差异。但它作为一种功能多样的生物炭材料，在环境学、材料学及农业等方面都展现出了极大的应用潜力，目前已经引起了各行各业的广泛关注。

2 污泥制备生物炭的方法

目前，污泥制备生物炭的方法主要分为热裂解法、微波热解法和水热碳化法三种。

2.1 热裂解法

热裂解碳化法使用的历史比较久远，是一种传统的方法。主要是指在氧浓度很低或无氧的条件下将污泥在高温下进行加热，然后分解形成生物炭的方法[7]。该热解法与焚烧、填埋等传统处理方法相比更为环保与经济，热解过程基本不产生二次污染物，且生产的产物有很高的价值，因此具有极大的研究价值[8]。污泥慢速裂解的温度在300℃左右，中速热裂解的加热温度为400～500℃左右，快速热裂解的加热温度达到了500℃以上，而闪速热裂解或者气化的加热温度更高，均达到了1000℃以上。研究发现，通常情况下，热解过程中的温度逐渐升高，所得到的生物炭越来越少。主要原因是热解温度在不断升高的过程中，污泥中将不断逸出挥发性组分。因此，在制备污泥的原料相同的情况下，用慢速热裂解法制备污泥效率是最低的，而闪速热裂解法和气化法制备污泥效率最高。但慢速热裂解法得到的生物炭最多，闪速热裂解法生物炭得率相对是最低的。

2.2 微波热解法

微波热解法制备生物炭相对热裂解法有相似的地方，主要是对其进行改良后得到的一种方法。与传统热裂解法的区别是利用物质吸收微波得到的热量对物体进行加热，最后使物体整体温度升高。其本质是通过微波作用加快污泥内部分子的高频往复运动，使分子间相互碰撞摩擦产生大量的热量，从而使污泥碳化形成生物炭。制备温度的不同对产生的污泥生物炭的性质影响较大。微波热解碳化法可以分为高温微波热解和低温微波热解，高温的温度在450～700℃左右，而低温热解的温度在300～450℃左右。相对于传统热解法，微波热解法具有高可控性、能源效率高、效益高等优点，且具有很高的安全性加热系统。

2.3 水热碳化法

水热碳化法不同于前两种干式碳化方法，是属于湿式碳化方法。指在一定的温度和压力下以水为加热媒介对含水污泥加热碳化[9]。水热碳化过程不但反应条件容易掌控，且过程极为简单，最重要的是生物炭中C元素固定率高[10]。与其他几种方法相比，水热碳化法不受各种因素控制，原料含水率的多少对水热碳化法影响不大，因此污泥不需要进行预处理，且得到的生物炭吸附力较大，在实际操作中具有很大的发展空间。但它也存在一些问题，如产生的生物炭中含有较多的挥发性物质不易处理、在极端条件下其物理和化学的稳定性较差等。

3 污泥生物炭的应用

污泥生物炭拥有复杂的内部孔隙结构，其表面的物化性质也十分丰富。因此，它作为一种吸附性能好、吸附选择性低的吸附材料，在各个领域尤其是环境领域有着诸多的应用。

3.1 污泥生物炭在环境中的应用

污泥生物炭的结构导致它表面拥有丰富的物理和化学性质，包括高密度的电荷等。基于以上特点，污泥生物炭对重金属离子和农药等有机污染物的吸附效果显著。研究表明，制备得到的污泥生物炭对镉离子、铅离子、铜离子和镍离子等重金属具有良好的去除效果[11]。在不同的底物、反应条件下，生物炭对不同重金属的吸附性能有很大的不同。同时，污泥生物炭对印染废水也有很好的吸附去除能力，如将脱水污泥和氯化锌混合制备生物炭对活性红、活性蓝等溶液进行脱色处理。研究发现，热解制备污泥生物炭的温度越高，所制得的生物炭的吸附能力越强。因此，污泥生物炭作为一种吸附剂，既满足了低成本，又做到了高效率，可广泛应用于大气污染控制和水污染控制的过程。

有研究表明，污泥生物炭能够在较短的反应时间内对较高浓度的硫化氢气体有一个较好的去除效果，且与其他碳材料如木炭相比，其适用范围更广，去除效率也更好。因此，生物炭也是一种效果显著的除臭填料[12]。另外，污泥生物炭的应用还可以减少环境中的温室效应[13]，由于污泥生物炭的孔隙结构，将其有目的性的加入土壤中，可以吸附其中产生的二氧化碳和甲烷等气体，从源头上显著降低土壤中这些气体的排放量，达到控制温室效应的效果。

3.2 污泥生物炭在其他领域中的应用

研究发现，生物炭内部丰富的孔隙结构和高比表面积能为微生物生存提供附着位点，从而在微生物的作用下让有机物加速降解。因此，在堆肥处理过程中可以考虑加入生物炭，用于改善有机物的降解过程和腐殖化过程，最终提高所生产的产品质量。同时，由于其孔隙结构，加入生物炭还可增加堆肥的通气量[14]。此外，污泥生物炭中丰富的碳、氮、磷等有机元素可以改善土壤的某些性质，从而促进各种农作物的生长。由于其多孔结构，污泥生物炭对改善土壤板结也有一定效果，将其加入土壤还可提高土壤的透气性。

4 结论及展望

利用污泥制备生物炭，原料来源广泛、制作工艺简单，生产过程中产生的生物气等物质可用在其他各领域，因此用污泥制备生物炭是一个资源化处理和利用污泥的有效方式。它制得的生物炭材料用途广泛，具有孔隙结构丰富、表面性质丰富等特点，对很多物质有很好的吸附性能，如重金属、有机物和其他有毒有害物质。同时，它在修复土壤和农业等方面有着无可比拟的作用，因此得到了越来越多人的注意。如今污泥生物炭在实验室的研究已经相对较多，技术相对成熟。由各种研究报道可以发现，将污泥在不同温度下通过不同的热解工艺制备成生物炭，既可以节约成本，产生的碳材料又具有广阔的应用前景，是一种极具潜力的吸附材料。