碳中和背景下污泥基生物炭的机遇和展望

邵一如 杜 耀 朱于红 李美霖

(浙江卓锦环保科技股份有限公司，浙江杭州，310000)

生物炭，通常是指生物质在有限供氧条件下高温热解制成的固态物质。生物质经过燃烧或者自然分解，释放CO2，残渣中能够长期储存的碳量不到3%；当生物质转化成生物炭，则有20%—30%的碳可长期储存在生物炭中[1](见图1)。将生物质转化成生物炭后再利用，在一定时限范围内抵消人类活动排放的CO2，实现碳减排；生物炭还能吸附CO2、N2O等温室气体[2]，进一步缓解温室效应。

市政污泥是一种富含有机物、营养物质及各种微量元素的废弃生物质，污泥在无氧或缺氧的条件下高温热解产生的就是污泥基生物炭(sludge-based biochar, SBBC)[3]。SBBC具有较大的比表面积，是碳封存新型材料。2021年碳中和目标的提出，给我国产业结构优化调整提出了要求：污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1%—2%，是不可忽视的减排领域。而污泥的处理处置，是污水处理行业的重要一环，也是产生碳排放的主要单元。将污泥烧制成SBBC能够有效减少碳的排放，但如果仅将碳封存起来而不加以利用，只会将污泥转化成一般固体垃圾，造成资源浪费。SBBC的用途包括吸附剂、土壤改良剂、催化剂和储能材料等[4]，土壤改良剂和储能材料的研发与碳排放、碳封存直接相关。

图1 生物质与生物炭的碳贮存路径

1 污泥基生物炭在碳中和背景下的应用

1.1 吸附剂

污泥基生物炭与其他生物质制备的生物炭类似，内部结构孔隙丰富，比表面积较大，是一种良好的吸附材料。因此，SBBC在环境和农业领域应用最多的就是作为吸附剂吸附重金属、营养元素[5]和有机污染物[6]。改性后的SBBC不仅对以阳离子形态存在的Cd2+、Pb2+、Cu2+等金属离子有较好的吸附性[7, 8]，对常以阴离子形态存在的AsO3-、CrO42-吸附量也很好[9, 10]。程伟凤[5]使用多种改性方式优化SBBC对氮磷的吸附效果，研究发现使用发酵后的污泥，加入粉煤灰和秸秆，或者磁化改性都能促进孔结构的生长，使比表面积增大，表面官能团增多，从而对氨氮和磷的吸附作用都有提升。

1.2 土壤改良剂

污泥基生物炭可以吸附氮磷肥料，再缓慢释放于土壤中，有助于保持土壤肥力，促进作物生长。SBBC内部富含大量孔隙，营养物质和水分吸附在SBBC表面或孔道内部，能够长时间贮存在土壤中，减少养分流失，提高土壤保水能力[11]。Yue et al.将SBBC用于城市土地，然后再种植草皮，结果表明，土壤中的氮磷，有机质都有显著提升，而钾的浓度有所下降，降低土壤板结的风险[12]。SBBC回用于污泥和土壤中，还能够改善污泥和土壤的微生物群落结构，促进微生物的生长[13]。另外，SBBC一般呈碱性，可作为调理剂改善弱酸性土壤[14]。

1.3 催化剂

金属改性的SBBC可以作为高级氧化技术中的非均相催化剂，用于活化过硫酸盐或过碳酸钠，产生自由基以降解污染介质中的难降解有机物。Wang et al.[15]用市政污泥制备的SBBC活化过硫酸盐去除4-氯酚，降解效率达到90%以上；循环试验和淋滤试验证明，SBBC在循环使用时能够保持较高的活化效率。Hung et al[16]用Fe-Mn改性SBBC活化过碳酸钠降解多环芳烃，多环芳烃在pH值3.0-11.0 范围内都能被去除。SBBC还可以负载TiO2作为光催化剂。Yuan et al.研究SBBC负载TiO2在可见光下降解有机污染物的效果，结果表明SBBC负载TiO2能有效催化硝基苯酚的光降解[17]。

1.4 储能材料

生物炭由于其稳定的多孔结构和较大的比表面积被证明是锂离子理想的贮存场所，可作为超级电容器中的电极材料。Zhang et al.用消化污泥经过HF或HCl、KOH改性和两级焚烧后制成比表面积高达2103.6 m2/g的分层多孔SBBC。将该材料制成超级电容器的电极在高电流的作用下，仍然保持高比电容，且循环稳定，经过2000次循环恒电流充放电后，电容保留率为98.4%。

污泥基生物炭作为储能材料的另一研究方向是制备建筑材料。张兴伟将一定量的生物炭掺入混凝土中替代水泥，发现生物炭能增强混凝土的强度并满足混凝土工程性能和施工性能的要求。李赫[18]研究SBBC加入混凝土制成建筑材料的可行性。结果表明，污泥生物炭的添加可以使混凝土结构更加均匀连续，添加适当比例能够增强混凝土的抗折和抗压强度。李赫同时还计算了如果将SBBC混凝土在全球范围内应用，碳封存量高达33390.6万吨，可有效减少碳排放量。

2 污泥基生物炭应用面临的问题和挑战

虽然SBBC具有来源广泛、成本低廉、多孔结构、富含营养元素等优点，但在推广应用上还是受到很多限制：首先，污泥的组成和来源不同，如何保持SBBC成品性质稳定，以及制备SBBC的工艺参数怎么根据污泥性质调整，现有研究都不能完整回答这个问题；第二，SBBC热解过程中会产生焦油、多环芳烃等二次污染物，需要妥善处理；第三，SBBC碳固定的相关研究缺少生命周期环境负荷的评估，而这个评估对于估算SBBC的固碳效果和评价SBBC的环境效益是必要的[2, 19]；最后，虽然SBBC本身固定的碳量很好测定和计算，但在制备过程中消耗的燃料量受到原污泥的含水率以及制备工艺影响，难以估算并进行环境效益评价[18, 20]。

3 总结与展望

污泥制备SBBC是一种高效安全处置污泥的手段，能满足“减量化、稳定化、无害化和资源化”的要求。碳中和背景下，碳固定和吸附强的特性，使SBBC拥有了较好的应用推广前景。针对SBBC在实际应用中面临的问题，今后的研究可以着力以下几个方向：

(1)加强对污泥自身性质和制备工艺对SBBC成品性质影响的研究，制定SBBC的制备标准，根据标准筛选污泥原料，调整工艺参数，保证SBBC出厂品质。

(2)对SBBC制备过程中产生焦油和多环芳烃的条件进行研究，选用有效的处理工艺，避免二次污染。

(3)在研究中对SBBC进行全生命周期评价，对SBBC原料收集运输、产品制备改性和施用回收等各阶段排碳和固碳情况进行量化，评价综合环境效益，指导SBBC的应用推广。