污泥基生物炭的制備技術(shù)及環(huán)境應(yīng)用與研究熱點(diǎn)

全康環(huán)保:摘 要：污泥炭化技術(shù)是污泥資源化處置的研究熱點(diǎn)之一。通過中國期刊全文數(shù)據(jù)庫和Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫，對(duì)2000年―2020年發(fā)表的關(guān)于污泥基生物炭的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索與綜述分析。詳細(xì)分析了污泥基生物炭研究的年度發(fā)文量和研究熱點(diǎn)，討論了現(xiàn)有制備技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢，同時(shí)，結(jié)合污泥基生物炭的理化性質(zhì)特征，探討其在污染物固定、土壤改良及延緩氣候變化等領(lǐng)域應(yīng)用的研究現(xiàn)狀。

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國城市污水處理量不斷提升，導(dǎo)致污泥產(chǎn)量與日俱增。截至2019年底，全國城市污泥產(chǎn)量突破1 175萬t(干重)，并將以約10%的速度逐年增加。然而由于長期以來存在的“重水輕泥”現(xiàn)象，我國約80%的污泥并未得到科學(xué)有效的處置。當(dāng)前，我國污泥處置的主要方式包括填埋法、焚燒法和堆肥法等。在城市中，由于土地資源的限制，填埋法和堆肥法在污泥處理中的占比逐漸降低；焚燒法雖然實(shí)現(xiàn)了污泥的減量化處置，但污泥的高含水率使其耗能成本高，且燃燒產(chǎn)物可能導(dǎo)致空氣二次污染。污泥處置成為“無廢城市”建設(shè)面臨的重要問題之一，實(shí)現(xiàn)由“被消滅”向“被利用”的理念轉(zhuǎn)變，是城市污泥處置技術(shù)未來的發(fā)展方向。

近年來，將污泥隔絕空氣，進(jìn)行無氧熱解制備生物炭的技術(shù)開始受到學(xué)者青睞。污泥熱解的產(chǎn)物(生物炭、熱解焦油和熱解氣等)均具有多重利用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了污泥的“資源化”利用。其中，生物炭比表面積大、表面基團(tuán)豐富且氮、磷、鉀等元素含量高，是良好的環(huán)境修復(fù)材料，并可為植物生長提供一定的養(yǎng)分；熱解焦油和熱解氣具有一定的可燃性，可作為潛在能源。熱解使污泥中難以被分離和去除的持久性有機(jī)污染物和抗生素等有機(jī)成分被完全熱解，無氧環(huán)境則極大程度減少了氮氧化物、硫氧化物的生成，重金屬則被生成的生物炭牢牢吸附固定，從而實(shí)現(xiàn)污泥的“無害化”處置。2020年7月，國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布《城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》，明確提出“加快推進(jìn)污泥無害化處置和資源化利用”。

為全面了解污泥基生物炭的發(fā)展趨勢與研究熱點(diǎn)，本文對(duì)中國期刊全文數(shù)據(jù)庫和Web of Science數(shù)據(jù)庫近20年(2000年―2020年)收錄的污泥基生物炭的相關(guān)研究進(jìn)行了文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)與分析。本文著重討論污泥基生物炭的年度發(fā)文量、研究熱點(diǎn)、制備技術(shù)與主要特征，以期為相關(guān)研究者提供理論參考，為推動(dòng)污泥資源化利用助力。

01 污泥基生物炭的發(fā)文量

發(fā)文量及其年變化趨勢不僅反映了科研工作者對(duì)本領(lǐng)域研究的關(guān)注度，還體現(xiàn)了該學(xué)科或領(lǐng)域的發(fā)展速度。在中國期刊全文數(shù)據(jù)庫，分別以 “污泥基生物炭”、“污泥炭”、“污泥裂解”、“污泥碳化”、“污泥炭化”、“‘污泥’和‘碳化’”、“‘污泥’和‘裂解’”為標(biāo)題和主題檢索近20年(2000年―2020年)收錄的相關(guān)文獻(xiàn)，逐條整理，并去掉重復(fù)或不相關(guān)文獻(xiàn)，分別獲取有效文獻(xiàn)381篇和1 216篇[圖1(a)]。需要指出的是，針對(duì)污泥熱解制備生物炭的相關(guān)文獻(xiàn)中，存在將“碳化”誤用為“炭化”的現(xiàn)象，因此，本文對(duì)“碳化”和“炭化”均進(jìn)行了相關(guān)檢索。在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫，分別以“sludge bio”、“pyrolysis of sludge”、“carbonization of sludge”為標(biāo)題和主題檢索，經(jīng)整理分別獲取有效論文1 131篇和4 949篇[圖1(b)]。

由圖1可知，可大致可將污泥基生物炭的相關(guān)研究分為以下3個(gè)階段：萌芽階段(2000年―2005年)，中英文期刊發(fā)文量極少，研究尚處于初步探索中；起步階段(2005年―2015年)，發(fā)文量緩慢增加，污泥基生物炭研究開始起步；快速增長階段(2015年―2020年)，中英文期刊發(fā)文量快速增加，污泥基生物炭研究迅速發(fā)展。國家政策及基金扶持可能是我國污泥基生物炭研究的重要推動(dòng)力。2006年，國家將水體污染控制與治理科技作為《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006―2020年)》6個(gè)重大專項(xiàng)計(jì)劃之一，為我國水污染防治和水生態(tài)修復(fù)提供重要科技支撐的同時(shí)，開啟了污泥基生物炭的初步探究。2015年，國家“水十條”明確指出“污水處理設(shè)施產(chǎn)生的污泥應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置”，極大地推動(dòng)了污泥基生物炭的相關(guān)理論與技術(shù)研究。英文期刊發(fā)文量的增加，一方面由于國際社會(huì)對(duì)污泥處置的重視，另一方面得益于我國污泥研究的不斷深入。

需要指出的是，在全球新冠疫情暴發(fā)的背景下，城鎮(zhèn)污水及污泥中均已檢出病毒的存在，這使污泥處置在實(shí)現(xiàn)資源化和減量化的同時(shí)，更加注重?zé)o害化處置。傳統(tǒng)的填埋和堆肥等處置方式難以完全殺滅污泥中的病原體，而污泥炭化過程可以通過高溫將病毒炭化，實(shí)現(xiàn)完全滅菌。因此，隨著全球進(jìn)入“后疫情時(shí)代”，污泥處置的要求進(jìn)一步提升，污泥基生物炭的相關(guān)研究將更加深入，其工程應(yīng)用也將得到更進(jìn)一步地推廣。

02 污泥基生物炭的研究熱點(diǎn)

關(guān)鍵詞作為科技論文的重要部分，是論文研究內(nèi)容的高度概括，關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析，在一定程度上可以反映出該學(xué)科的研究熱點(diǎn)。因此，為了更加直觀地綜述近年來污泥基生物炭的研究熱點(diǎn)，本文采用CiteSpace對(duì)所檢索文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。圖中圓形節(jié)點(diǎn)的大小反映了關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次，節(jié)點(diǎn)越大即出現(xiàn)的頻次越高。由圖2(a)可知，除了“污泥基生物炭”和“生物炭”主題詞匯外，“重金屬”、“動(dòng)力學(xué)”、“市政污泥”和“含油污泥”為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)詞匯；由圖2(b)可知，“sewage sludge”、“pyrolysis”、“bio”“adsorption”和“heavy metal”為出現(xiàn)的高頻詞匯。

綜上，“重金屬(heavy metal)”是知網(wǎng)論文和Web of Science論文共同的關(guān)注熱點(diǎn)。其主要原因在于，重金屬既是制約污泥資源化利用的關(guān)鍵因素之一，又是實(shí)現(xiàn)污泥基生物炭資源化利用的重要作用對(duì)象。一方面，文獻(xiàn)中涉及的污泥種類繁多，如市政污泥、化工污泥、冶煉污泥等，其中，化工污泥和冶煉污泥等工業(yè)污泥中往往重金屬含量較高，因此，污泥基生物炭的利用受到制約。盡管實(shí)驗(yàn)室研究已經(jīng)證實(shí)，炭化過程雖不能有效去除污泥中的重金屬，但可對(duì)重金屬起到顯著固定/穩(wěn)定化的作用，其浸出毒性低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值，然而炭化過程中重金屬的固定機(jī)制及轉(zhuǎn)化途徑尚不完全清晰，含重金屬污泥炭化產(chǎn)物的安全性仍存在較大爭議。另一方面，與傳統(tǒng)生物炭(如植物源生物炭)類似，污泥生物炭也具有比表面積大、空隙發(fā)達(dá)及官能團(tuán)豐度等特點(diǎn)，表現(xiàn)出對(duì)重金屬等污染物巨大的吸附與固定能力，且因其具有廉價(jià)和可持續(xù)的特性，污泥基生物炭有望成為新的環(huán)境功能材料。因此，“重金屬(heavy metal)”成為國內(nèi)外學(xué)者探究污泥基生物炭的主要關(guān)注點(diǎn)之一。

用于炭化的污泥類型也是研究的重要熱點(diǎn)之一?！笆姓勰唷焙汀昂臀勰唷痹谥W(wǎng)論文中出現(xiàn)頻次較高[圖2(a)]?！笆姓勰唷背蔀樵擃I(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，主要原因是在諸多污泥種類中，市政污泥的產(chǎn)量最高且污染物含量相對(duì)較低。與工業(yè)污泥不同，城市污泥中重金屬等有害成分含量較低，其炭化產(chǎn)物――生物炭的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)更低，因此，污泥基生物炭具有廣闊的應(yīng)用前景。含油污泥因有機(jī)成分含量高，尤其是富含持久性有機(jī)污染物，炭化的高溫過程中可有效破壞有機(jī)污染物的結(jié)構(gòu)，缺氧條件則避免了二?英的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)含油污泥減量化、無害化和資源化利用，因此，成為污泥熱解炭化研究重點(diǎn)關(guān)注的一類。在Web of Science論文中，學(xué)者主要采用“sewage sludge”為污泥基生物炭的原料，其出現(xiàn)頻次最高[圖2(b)]，主要包括城鎮(zhèn)污水處理廠污泥和工業(yè)污水處理廠污泥，這與Singh等的綜述結(jié)果相近，超過半數(shù)的污泥炭化研究對(duì)象為“sewage sludge”。

此外，炭化工藝也是污泥基生物炭相關(guān)研究的熱點(diǎn)之一。在知網(wǎng)論文中的“動(dòng)力學(xué)”與Web of Science論文中的“pyrolysis”均呈現(xiàn)較高的頻次。炭化工藝技術(shù)是污泥基生物炭理論研究和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，直接影響污泥炭化相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，備受學(xué)者關(guān)注，因此，本文后續(xù)對(duì)該研究熱點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)綜述。

03 污泥基生物炭的制備技術(shù)

目前，污泥基生物炭的制備技術(shù)主要包括熱裂解技術(shù)和水熱炭化技術(shù)。污泥熱解是指在隔絕空氣或惰性氣體條件下加熱污泥，使有機(jī)物發(fā)生熱裂解，形成具有較高利用價(jià)值的熱解氣、熱解焦油和熱解殘?jiān)?即生物炭)。當(dāng)前，國內(nèi)外污泥熱解技術(shù)主要包括高溫?zé)峤?、低溫?zé)峤饧夹g(shù)和微波熱解法。

高溫?zé)峤饧夹g(shù)是指熱解溫度高于600 ℃，熱解產(chǎn)物以熱解氣為主的熱解工藝。其具體的炭化系統(tǒng)包括污泥接受系統(tǒng)(污泥斗和傳送帶)、污泥干化爐、污泥炭化系統(tǒng)(炭化爐、預(yù)熱爐和再燃爐)、粉塵收集系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、炭化產(chǎn)品冷卻和包裝系統(tǒng)。炭化主要分為污泥水分蒸發(fā)階段(100 ℃)、吸附氣體釋放階段(200 ℃)、有機(jī)硫化物轉(zhuǎn)化為硫化氫階段(300 ℃)、氮化物轉(zhuǎn)化為氨階段(500 ℃)和甲烷、乙炔及一氧化碳產(chǎn)生階段(600 ℃)等。該技術(shù)條件下，熱解氣產(chǎn)率高達(dá)50%，生物炭占比為30%～40%，熱解焦油占比為10%～20%。較高的熱解氣產(chǎn)出率，使得熱解得到的生物炭孔隙度豐度、比表面積大，因此，該類生物炭對(duì)重金屬及有機(jī)污染物具有良好的吸附性能。該技術(shù)起步較早，但技術(shù)工藝復(fù)雜、穩(wěn)定性低、工程應(yīng)用進(jìn)展緩慢。20世紀(jì)七八十年代，由日本三菱重工參與設(shè)計(jì)建造的第一所污泥高溫炭化廠投入使用，其日處理量為300 t，處理成本為42美元/t。2012年，我國首家污泥高溫?zé)峤馓炕幚眄?xiàng)目在武漢通過驗(yàn)收，隨后各地開始陸續(xù)引進(jìn)污泥炭化工藝與設(shè)備。

低溫?zé)峤饧夹g(shù)是指熱解溫度低于600 ℃，熱解產(chǎn)物以熱解焦油為主的熱解工藝，又稱低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)。該技術(shù)中熱解焦油的產(chǎn)出率可高達(dá)30%，其主要成分為烴類、脂肪族、芳香化合物等有機(jī)物，燃值較高，可回收污泥中有機(jī)質(zhì)約60%的能量。與高溫?zé)峤饧夹g(shù)相比，該技術(shù)工藝所需溫度低、耗能小、操作便捷。2008年美國加州建成日處理為575 t的低溫炭化廠，2010年我國山西省建成第一座污泥低溫炭化廠。

與上述兩種直接進(jìn)行熱能傳遞的熱解技術(shù)不同，微波熱解法是將污泥置于微波場中，將微波能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，提升污泥溫度，達(dá)到裂解的目的。這種熱解方式具有均勻性強(qiáng)、即時(shí)性高和節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于含油污泥的處理。然而受到微波輻射強(qiáng)度和反應(yīng)釜大小的限制，微波裂解技術(shù)依然缺乏大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。

近年來，開始探究一種低溫磁化裂解技術(shù)。該技術(shù)通過磁場作用，使氣體分子由無序變?yōu)橛行?，提升氣體分子活化能，降低被裂解物質(zhì)分子間的內(nèi)聚力，使裂解所需溫度大大降低(<350 ℃)，提升熱解效率，降低能耗。該技術(shù)的主要設(shè)備及系統(tǒng)包括反應(yīng)釜、U型加熱管、進(jìn)氣磁化空氣風(fēng)機(jī)、內(nèi)部空氣循環(huán)裝置、水蒸汽產(chǎn)生裝置、焦油回流裝置、溫度傳感器和除臭筒。目前，污泥磁化低溫?zé)峤庖殉醪綉?yīng)用于福州市閩候荊溪污水處理廠建設(shè)的污泥處理處置項(xiàng)目。

水熱炭化技術(shù)是指將高含水率(約80%)的污泥投入一定溫度(150～250 ℃)和壓力(2～3.5 MPa)的密閉反應(yīng)器中，污泥中微生物細(xì)胞被破碎，大分子有機(jī)物發(fā)生水解，膠體結(jié)構(gòu)被破壞，最終得到碳材料的污泥炭化技術(shù)。與熱解生物炭相比，水熱生物炭含氧官能團(tuán)更加豐富，能為污染物的吸附與固定提供更多的活性位點(diǎn)。目前，污泥水熱炭化處理技術(shù)在國內(nèi)尚無工業(yè)規(guī)模應(yīng)用的工藝和流程相關(guān)具體參數(shù)，其系列裝備亟待研發(fā)。此外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)炭化過程及其產(chǎn)物的精確控制，尚需開發(fā)對(duì)水熱處理過程進(jìn)行原位觀測的新型監(jiān)測儀器。

04 污泥基生物炭的理化性質(zhì)

水廠污泥基生物炭的理化性質(zhì)及應(yīng)用如圖3所示。污泥基生物炭的物理性質(zhì)主要包括孔隙度、比表面積、持水性和表面電荷等。熱解溫度顯著影響污泥基生物炭的孔隙度和比表面積。一般而言，隨著熱解溫度的升高，污泥基生物炭的孔隙度和比表面積增大。Yuan等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱解溫度從300 ℃提升至500 ℃時(shí)，污泥基生物炭的孔隙度和比表面積分別從27 μL/g和20.2 m²/g增至53 μL/g和52.5 m²/g。其主要原因是當(dāng)溫度較低時(shí)，污泥中的有機(jī)物揮發(fā)能力差且易冷凝堵塞孔道；溫度較高時(shí)，污泥中有機(jī)物的揮發(fā)能力強(qiáng)、揮發(fā)量增加，使生物炭的孔隙度和比表面積顯著增加。類似的結(jié)果出現(xiàn)在Udayanga等的研究中，該研究進(jìn)一步指出，污泥炭化過程中存在臨界溫度，當(dāng)裂解溫度高于該值時(shí)，污泥中纖維素發(fā)生裂解，生物炭比表面積迅速增加。例如，裂解溫度從400 ℃增加至700 ℃時(shí)，生物炭比表面積僅從37.9 m²/g提升至44.1 m²/g，隨著溫度增加至800 ℃，比表面積幾乎增加1倍(81.6 m²/g)。然而由于缺少活化過程，污泥生物炭的比表面積通常小于活性炭的比表面積(約200 m²/g)，其應(yīng)用功能也弱于活性炭。熱解溫度的變化同樣影響生物炭的持水性，隨著熱解溫度的增加，污泥中脂肪族化合物揮發(fā)量逐漸提升，生物炭的親水性增強(qiáng)，持水能力提高。污泥基生物炭的表面電荷特性不僅受到熱解溫度的制約，還受到生物炭所處環(huán)境pH的影響。熱解溫度增加，生物炭的等電點(diǎn)提升，但提升幅度微弱，在3.0～5.0，因此，在中性條件下生物炭呈現(xiàn)表面負(fù)電特性。

污泥基生物炭的化學(xué)性質(zhì)主要包括pH、養(yǎng)分交換、固碳能力及表面基團(tuán)等。污泥基生物炭的酸堿度受到裂解溫度的影響。通常，在低溫條件下，生物炭的酸堿度接近中性，隨著溫度的增加，pH逐漸提升，其主要原因是隨著熱解溫度的升高，有機(jī)酸等酸性物質(zhì)揮發(fā)和裂解量增加，同時(shí)，有機(jī)氮易轉(zhuǎn)化成類吡啶的雜環(huán)結(jié)構(gòu)。然而Udayanga等研究發(fā)現(xiàn)，熱解溫度從400 ℃增加至600 ℃時(shí)，生物炭的pH值從7.1提升至8.4，當(dāng)溫度提升至800 ℃，生物炭的pH值卻降至6.7。這種pH隨溫度升高而下降的趨勢也出現(xiàn)在Gao等的研究中，其原因可能是隨著裂解溫度的升高，生物炭中鐵元素占比增加，易于水解產(chǎn)生H+。市政污泥中含有大量氮、磷和鉀等植物必需大量元素，且具有鐵、錳和鋅等必需微量元素，這些營養(yǎng)成分在污泥炭化的過程中得以被保留下來，此外，污泥基生物炭可以提升土壤陽離子交換量及有機(jī)碳含量，進(jìn)而改善土壤肥力，提升農(nóng)作物產(chǎn)量。Song等指出，與植物基生物炭相比，污泥基生物炭的碳氮比較低(6.4～9.2)，可以作為有效的氮源，促進(jìn)微生物及植物生長，該研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭與土壤的混合比為1∶5時(shí)，大蒜的生物量是空白組的近3倍。污泥基生物炭的固碳功能主要通過促進(jìn)植物生長的作用實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)1 kg污泥基生物炭相當(dāng)于釋放1.16 kg CO₂，盡管該值高于常見的植物基生物炭，但仍低于生產(chǎn)1 kg活性炭的碳排放(1.44 kg CO₂)。污泥基生物炭含有豐富的表面基團(tuán)，主要包括羧基(-COOH)、酰胺基(-NHR)、羥基(-OH)和羰基(C=O)等。表面基團(tuán)的含量受到熱解溫度影響，例如，在300 ℃下裂解得到的生物炭，其表面含有豐富的酰胺基，隨著溫度升高，酰胺基逐漸被破壞。共存熱解物和氣體環(huán)境同樣影響生物炭表面基團(tuán)含量。在隔絕空氣條件(如氮?dú)猸h(huán)境)下，生物炭表面幾乎難以形成含氧官能團(tuán)；而腐植酸、富里酸及磷石膏等添加劑則可以有效增加污泥基生物炭表面基團(tuán)的含量。

05 污泥基生物炭的應(yīng)用

污泥基生物炭具有比表面積大、孔隙度高、表面基團(tuán)豐富等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，主要涉及污染物固定、土壤改良、延緩溫室效應(yīng)、催化和儲(chǔ)能等。

對(duì)重金屬及常見有機(jī)物的吸附與固定，是污泥基生物炭研究的熱點(diǎn)，也是其資源化利用及“以廢治廢”的重要體現(xiàn)。污泥基生物炭對(duì)重金屬和有機(jī)物的吸附如表1所示，結(jié)果顯示，污泥基生物炭對(duì)污染物的吸附固定受到熱解溫度、污染物類型、溶液pH及污泥類型的影響。對(duì)于重金屬，污泥生物炭對(duì)其吸附機(jī)制與傳統(tǒng)生物炭類似，主要包括離子交換、沉淀作用、絡(luò)合作用、陽離子-π相互作用、靜電吸附、氧化還原等。Gao等選用城鎮(zhèn)污水處理污泥為原料，在氮?dú)鈼l件下分別經(jīng)300、500、700 ℃高溫裂解得到污泥生物炭，對(duì)Cd2+進(jìn)行吸附固定研究，結(jié)果顯示，熱解溫度為500 ℃時(shí)，生物炭對(duì)Cd²⁺的吸附能力最大，為110.93 mg/g，其吸附機(jī)制為陽離子-π相互作用，占比為59.2%～62.9%。此外，該研究進(jìn)一步指出，污泥基生物炭對(duì)Cd2+的吸附能力(95.24～110.93 mg/g)高于傳統(tǒng)生物炭(6.72～49.26 mg/g)和活性炭(2.50～12.64 mg/g)。與重金屬不同，污泥基生物炭對(duì)有機(jī)污染物的吸附機(jī)制主要分為表面吸附和分配作用。例如，Ahmad等采用吸附動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)污泥基生物炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附主要為表面化學(xué)吸附，最大吸附能力可達(dá)19.2 mg/g。

污泥基生物炭通過改善土壤結(jié)構(gòu)、平衡鹽水分布及提升有效養(yǎng)分含量等途徑顯著提升土壤肥力，被認(rèn)為是環(huán)境友好型土壤改良劑。在土壤中施加污泥基生物炭后，土壤全氮、有機(jī)碳、黑炭、速效磷、速效鉀分別增加1.5、1.9、4.5、5.6、0.4倍以上，由于植物礦質(zhì)營養(yǎng)的提升，作物生物量隨著污泥基生物炭添加量的增加而成比例增長，平均增幅可達(dá)74%。類似的，Song等研究發(fā)現(xiàn)，污泥基生物炭可以增加土壤的氮、磷和鉀等元素的含量，從而提升大蒜的產(chǎn)量，當(dāng)生物炭與土壤按照質(zhì)量比為1∶5混合時(shí)，大蒜產(chǎn)量最高，是對(duì)照組產(chǎn)量的2.5倍。此外，該研究進(jìn)一步指出，污泥基生物炭的添加有效地抑制了砷、鉛、鎳和鎘等重金屬在大蒜中的富集。因此，污泥基生物炭作為土壤改良劑不僅能有效改善土壤肥力，提升作物產(chǎn)量，而且能有效降低污染物的生物活性，對(duì)于保障糧食安全具有重大意義。

污泥基生物炭對(duì)全球變暖的延緩作用主要通過對(duì)溫室氣體(二氧化碳、氧化二氮和甲烷等)吸附固定實(shí)現(xiàn)。Grutzmacher等通過對(duì)比污泥和污泥基生物炭對(duì)農(nóng)田土壤二氧化碳釋放的影響，發(fā)現(xiàn)與污泥相比，施加污泥基生物炭后，土壤二氧化碳的釋放下降75%～80%，同時(shí)，該研究進(jìn)一步指出，與傳統(tǒng)氮肥相比，污泥基生物炭可使農(nóng)田氧化二氮釋放量下降87%。Awasthi等系統(tǒng)探究土壤中施加污泥基生物炭后溫室氣體的排放規(guī)律，結(jié)果顯示，施加生物炭第2 d后，二氧化碳和甲烷釋放開始放緩，隨著施加成熟期(maturation phase)的到來，二氧化碳、甲烷及氨氣等的釋放均得到有效抑制。盡管這些研究已經(jīng)證實(shí)污泥基生物炭可以通過有效減緩溫室氣體的排放進(jìn)而延緩氣候變化，然而其減緩效果與環(huán)境條件(如溫度和濕度)等的內(nèi)在關(guān)系尚不完全清晰，仍需進(jìn)一步探究。

污泥基生物炭在催化領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括Fenton反應(yīng)催化和TiO₂光催化。良好的孔隙結(jié)構(gòu)、較高的比表面積、較強(qiáng)的物化穩(wěn)定性和較寬的pH適應(yīng)范圍使污泥基生物炭具有Fenton反應(yīng)體系催化劑載體的潛質(zhì)。例如，Gan等將污泥與多種價(jià)態(tài)鐵基化合物(如Fe3O4和FeAl2O4)共熱解產(chǎn)物作為Fenton催化劑載體降解4-氯酚，經(jīng)5輪連續(xù)降解后，可實(shí)現(xiàn)4-氯酚的100%去除。因此，光驅(qū)動(dòng)的負(fù)載 TiO₂的光催化劑也是近年來污泥基生物炭應(yīng)用的研究熱點(diǎn)之一。Manik等提出了一種利用污泥和鈦浸漬殼聚糖，共熱解合成TiO2/Fe/Fe3C雜化生物炭復(fù)合材料的簡單且經(jīng)濟(jì)有效的方法，合成的TiO2/Fe/Fe3C生物炭復(fù)合材料通過光反應(yīng)和H₂O₂活化對(duì)亞甲基藍(lán)的降解表現(xiàn)出良好的催化性能。

電極材料是目前商業(yè)化最成功和最廣泛的電極材料，也是污泥基生物炭應(yīng)用的前沿研究之一。Bao等系統(tǒng)研究了不同溫度(400、500、600、700 ℃)條件下熱解制備污泥生物炭電化學(xué)性能的變化，結(jié)果表明，熱解溫度主要通過影響醌的含量，進(jìn)而改變生物炭的氧化還原容量。其中，600 ℃制備的生物炭具有最強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移能力，在較高的熱解溫度(700 ℃)下，熱解產(chǎn)物的縮合度和芳構(gòu)性最高，生物炭放電容量較高，循環(huán)性能好，為污泥生物炭作為電池正極材料提出了可行性方案。

06 結(jié)論

隨著我國污泥處置相關(guān)領(lǐng)域政策和標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，實(shí)現(xiàn)污泥處置的要求進(jìn)一步提高，炭化技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化處置的要求，已成為污泥研究熱點(diǎn)問題，備受學(xué)者關(guān)注，近年來發(fā)文量迅速增加。在后疫情時(shí)代，為徹底殺滅污泥中可能存在的新冠病毒，污泥炭化裂解技術(shù)的研究和應(yīng)用得到進(jìn)一步地推進(jìn)。在未來的研究中可能會(huì)面臨如下的挑戰(zhàn)：(1)降低污泥基生物炭制備過程中的溫度和能耗，亟待研發(fā)經(jīng)濟(jì)、綠色和安全的炭化技術(shù)；(2)炭化過程中產(chǎn)生的熱解氣和熱解油有效利用途徑尚不明晰，可能成為制約污泥炭化技術(shù)應(yīng)用推廣的因素之一；(3)污泥炭化過程中污染物的形態(tài)轉(zhuǎn)化與固定機(jī)制有待進(jìn)一步探究；(4)污泥基生物炭作為環(huán)境工程材料，對(duì)人體、動(dòng)植物及環(huán)境潛在的風(fēng)險(xiǎn)，仍存在較多爭議，亟待系統(tǒng)研究。隨著上述問題的克服，污泥炭化制備生物炭技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用，從而真正實(shí)現(xiàn)污泥的科學(xué)化處置。

作者簡介：

孫東曉，高級(jí)工程師，中鐵上海工程局集團(tuán)市政環(huán)保工程有限公司 副總經(jīng)理、總工程師，上海市科技專家?guī)斐蓡T，長期從事市政環(huán)保項(xiàng)目建設(shè)與科技研發(fā)。

更多信息：

孫東曉1，董志強(qiáng)1，劉學(xué)明1，*，張吉琛2，陳錢寶1，雷思聰3(1. 中鐵上海工程局集團(tuán)市政環(huán)保工程有限公司，上海 201900；2. 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；3. 福建省建筑科學(xué)研究院有限公司，福建福州 350100)