(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，610065)

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，生活污水的排放也大幅增多。污水處理廠由于其工藝的性質(zhì)，在處理生活污水的過程中將伴隨產(chǎn)生出來大量的污泥，而目前大部分的污泥處理方法為填埋和焚燒，這樣不僅對(duì)環(huán)境有所影響，還浪費(fèi)了污泥的資源化利用機(jī)會(huì)。據(jù)預(yù)測(cè)，未來兩年城鎮(zhèn)污水處理廠污泥的年產(chǎn)量將突破6000萬噸[1]，而對(duì)這些污泥的處置成本一般較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，基本占據(jù)了污水處理廠的大部分投資。因此，尋找有效的污泥處置方法已成為目前污水處理廠的一大待解決問題。污泥的含水率較高，所以批量處理較難，而且不同污泥中可能含有不同的物質(zhì)，如重金屬、有機(jī)物、病原微生物等，因此，處理不當(dāng)會(huì)造成后續(xù)的很多問題，比如嚴(yán)重的二次污染[2]。根據(jù)污泥中含有大量有用物質(zhì)的特點(diǎn)，將污泥進(jìn)行資源化利用，實(shí)現(xiàn)減量化、資源化和無害化的處理，可以在經(jīng)濟(jì)上帶來更多的效益，同時(shí)也對(duì)環(huán)境的保護(hù)具有十分重要的意義[3-4]。

生物炭自身的結(jié)構(gòu)就擁有極為豐富的孔隙，這些孔隙大大增加了它的比表面積，而這些結(jié)構(gòu)上的特性讓它在吸附方面擁有優(yōu)異的能力，因此生物炭在污染控制方面擁有較好的應(yīng)用前景。在眾多處理污泥的方法和技術(shù)中，利用污水處理廠產(chǎn)生的污泥為原料制備生物炭吸附材料是近些年的研究重點(diǎn)之一。相比其他方法，具有處理成本低、廢物利用和沒有二次污染等優(yōu)點(diǎn)，且得到的生物炭可以廣泛應(yīng)用于吸附的各個(gè)方面[5]。在此基礎(chǔ)上，本文首先介紹了如何用不同方法來制備污泥生物炭，然后介紹了污泥生物炭在不同領(lǐng)域里的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后展望了污泥制備的生物炭未來的發(fā)展和應(yīng)用方向。

1 生物炭簡(jiǎn)介

生物炭(biochar)指在低氧或缺氧條件下將木材、農(nóng)作物秸稈、污泥或動(dòng)物糞便等生物質(zhì)經(jīng)過高溫裂解形成的穩(wěn)定且富含碳元素的物質(zhì)。生物炭的基本組成元素是碳、氫、氧等，但其主要成分是碳(約70%-80%)[6]。自然界中的生物質(zhì)多種多樣，所以不同生物質(zhì)制成的生物炭在結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積等方面上具有很大差異。但它作為一種功能多樣的生物炭材料，在環(huán)境學(xué)、材料學(xué)及農(nóng)業(yè)等方面都展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力，目前已經(jīng)引起了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。

2 污泥制備生物炭的方法

目前，污泥制備生物炭的方法主要分為熱裂解法、微波熱解法和水熱碳化法三種。

2.1 熱裂解法

熱裂解碳化法使用的歷史比較久遠(yuǎn)，是一種傳統(tǒng)的方法。主要是指在氧濃度很低或無氧的條件下將污泥在高溫下進(jìn)行加熱，然后分解形成生物炭的方法[7]。該熱解法與焚燒、填埋等傳統(tǒng)處理方法相比更為環(huán)保與經(jīng)濟(jì)，熱解過程基本不產(chǎn)生二次污染物，且生產(chǎn)的產(chǎn)物有很高的價(jià)值，因此具有極大的研究?jī)r(jià)值[8]。污泥慢速裂解的溫度在300℃左右，中速熱裂解的加熱溫度為400～500℃左右，快速熱裂解的加熱溫度達(dá)到了500℃以上，而閃速熱裂解或者氣化的加熱溫度更高，均達(dá)到了1000℃以上。研究發(fā)現(xiàn)，通常情況下，熱解過程中的溫度逐漸升高，所得到的生物炭越來越少。主要原因是熱解溫度在不斷升高的過程中，污泥中將不斷逸出揮發(fā)性組分。因此，在制備污泥的原料相同的情況下，用慢速熱裂解法制備污泥效率是最低的，而閃速熱裂解法和氣化法制備污泥效率最高。但慢速熱裂解法得到的生物炭最多，閃速熱裂解法生物炭得率相對(duì)是最低的。

2.2 微波熱解法

微波熱解法制備生物炭相對(duì)熱裂解法有相似的地方，主要是對(duì)其進(jìn)行改良后得到的一種方法。與傳統(tǒng)熱裂解法的區(qū)別是利用物質(zhì)吸收微波得到的熱量對(duì)物體進(jìn)行加熱，最后使物體整體溫度升高。其本質(zhì)是通過微波作用加快污泥內(nèi)部分子的高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使分子間相互碰撞摩擦產(chǎn)生大量的熱量，從而使污泥碳化形成生物炭。制備溫度的不同對(duì)產(chǎn)生的污泥生物炭的性質(zhì)影響較大。微波熱解碳化法可以分為高溫微波熱解和低溫微波熱解，高溫的溫度在450～700℃左右，而低溫?zé)峤獾臏囟仍?00～450℃左右。相對(duì)于傳統(tǒng)熱解法，微波熱解法具有高可控性、能源效率高、效益高等優(yōu)點(diǎn)，且具有很高的安全性加熱系統(tǒng)。

2.3 水熱碳化法

水熱碳化法不同于前兩種干式碳化方法，是屬于濕式碳化方法。指在一定的溫度和壓力下以水為加熱媒介對(duì)含水污泥加熱碳化[9]。水熱碳化過程不但反應(yīng)條件容易掌控，且過程極為簡(jiǎn)單，最重要的是生物炭中C元素固定率高[10]。與其他幾種方法相比，水熱碳化法不受各種因素控制，原料含水率的多少對(duì)水熱碳化法影響不大，因此污泥不需要進(jìn)行預(yù)處理，且得到的生物炭吸附力較大，在實(shí)際操作中具有很大的發(fā)展空間。但它也存在一些問題，如產(chǎn)生的生物炭中含有較多的揮發(fā)性物質(zhì)不易處理、在極端條件下其物理和化學(xué)的穩(wěn)定性較差等。

3 污泥生物炭的應(yīng)用

污泥生物炭擁有復(fù)雜的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，其表面的物化性質(zhì)也十分豐富。因此，它作為一種吸附性能好、吸附選擇性低的吸附材料，在各個(gè)領(lǐng)域尤其是環(huán)境領(lǐng)域有著諸多的應(yīng)用。

3.1 污泥生物炭在環(huán)境中的應(yīng)用

污泥生物炭的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致它表面擁有豐富的物理和化學(xué)性質(zhì)，包括高密度的電荷等?；谝陨咸攸c(diǎn)，污泥生物炭對(duì)重金屬離子和農(nóng)藥等有機(jī)污染物的吸附效果顯著。研究表明，制備得到的污泥生物炭對(duì)鎘離子、鉛離子、銅離子和鎳離子等重金屬具有良好的去除效果[11]。在不同的底物、反應(yīng)條件下，生物炭對(duì)不同重金屬的吸附性能有很大的不同。同時(shí)，污泥生物炭對(duì)印染廢水也有很好的吸附去除能力，如將脫水污泥和氯化鋅混合制備生物炭對(duì)活性紅、活性藍(lán)等溶液進(jìn)行脫色處理。研究發(fā)現(xiàn)，熱解制備污泥生物炭的溫度越高，所制得的生物炭的吸附能力越強(qiáng)。因此，污泥生物炭作為一種吸附劑，既滿足了低成本，又做到了高效率，可廣泛應(yīng)用于大氣污染控制和水污染控制的過程。

有研究表明，污泥生物炭能夠在較短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)對(duì)較高濃度的硫化氫氣體有一個(gè)較好的去除效果，且與其他碳材料如木炭相比，其適用范圍更廣，去除效率也更好。因此，生物炭也是一種效果顯著的除臭填料[12]。另外，污泥生物炭的應(yīng)用還可以減少環(huán)境中的溫室效應(yīng)[13]，由于污泥生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)，將其有目的性的加入土壤中，可以吸附其中產(chǎn)生的二氧化碳和甲烷等氣體，從源頭上顯著降低土壤中這些氣體的排放量，達(dá)到控制溫室效應(yīng)的效果。

3.2 污泥生物炭在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn)，生物炭?jī)?nèi)部豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積能為微生物生存提供附著位點(diǎn)，從而在微生物的作用下讓有機(jī)物加速降解。因此，在堆肥處理過程中可以考慮加入生物炭，用于改善有機(jī)物的降解過程和腐殖化過程，最終提高所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，由于其孔隙結(jié)構(gòu)，加入生物炭還可增加堆肥的通氣量[14]。此外，污泥生物炭中豐富的碳、氮、磷等有機(jī)元素可以改善土壤的某些性質(zhì)，從而促進(jìn)各種農(nóng)作物的生長(zhǎng)。由于其多孔結(jié)構(gòu)，污泥生物炭對(duì)改善土壤板結(jié)也有一定效果，將其加入土壤還可提高土壤的透氣性。

4 結(jié)論及展望

利用污泥制備生物炭，原料來源廣泛、制作工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的生物氣等物質(zhì)可用在其他各領(lǐng)域，因此用污泥制備生物炭是一個(gè)資源化處理和利用污泥的有效方式。它制得的生物炭材料用途廣泛，具有孔隙結(jié)構(gòu)豐富、表面性質(zhì)豐富等特點(diǎn)，對(duì)很多物質(zhì)有很好的吸附性能，如重金屬、有機(jī)物和其他有毒有害物質(zhì)。同時(shí)，它在修復(fù)土壤和農(nóng)業(yè)等方面有著無可比擬的作用，因此得到了越來越多人的注意。如今污泥生物炭在實(shí)驗(yàn)室的研究已經(jīng)相對(duì)較多，技術(shù)相對(duì)成熟。由各種研究報(bào)道可以發(fā)現(xiàn)，將污泥在不同溫度下通過不同的熱解工藝制備成生物炭，既可以節(jié)約成本，產(chǎn)生的碳材料又具有廣闊的應(yīng)用前景，是一種極具潛力的吸附材料。