李小琴，李飛鵬，馮君逸，劉 偉,，賈玉寶，張?jiān)鰟?/p>

(1.如東縣行政審批局，江蘇南通 226400；2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；3.上海悠理環(huán)境科技有限公司，上海 200093)

生物質(zhì)是一種可再生的清潔能源，世界能源消費(fèi)總量?jī)H次于煤炭、石油和天然氣，位居第四位，可部分替代煤炭和石油等傳統(tǒng)能源，發(fā)展和應(yīng)用潛力巨大[1]。生物質(zhì)發(fā)電是國(guó)內(nèi)外利用生物質(zhì)能源效率較高的一種方式。然而，生物質(zhì)發(fā)電會(huì)產(chǎn)生2種工業(yè)副產(chǎn)品：飛灰(電廠(chǎng)除塵系統(tǒng)中收集的顆粒)和底渣(電廠(chǎng)焚燒爐底渣)，主要來(lái)源于電廠(chǎng)生產(chǎn)所用的粉煤爐以及沸騰爐。其中，飛灰由于性質(zhì)單一[2]，已有諸多應(yīng)用，既有制備超級(jí)活性炭、SiO2介孔分子篩和陶瓷粉末等工業(yè)品，又有用于制備土壤調(diào)理劑和育苗基質(zhì)等。然而，這也僅解決了生物質(zhì)電廠(chǎng)少量的固體廢物，對(duì)于大量產(chǎn)生的生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣，目前尚無(wú)較好的處理辦法。一般，生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣利用價(jià)值較低，被視為廢棄物進(jìn)行填埋處理，而這種處理措施會(huì)造成極大的土地資源浪費(fèi)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。隨著生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，其生產(chǎn)過(guò)程中生物質(zhì)灰渣的排放量逐年增加，怎樣合理有效地利用生物質(zhì)灰渣，避免對(duì)環(huán)境造成生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和潛在威脅，已經(jīng)成為當(dāng)前我國(guó)面臨的緊迫問(wèn)題。

生物質(zhì)灰渣最早的處理方式為填埋，但隨著排放量增加、環(huán)境壓力增大和政策的改進(jìn)，填埋要求也逐漸提高。國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)灰渣利用主要集中在建筑、農(nóng)業(yè)、化工和環(huán)境等領(lǐng)域[3-7]，其中，生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣在建筑、農(nóng)業(yè)和化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究逐漸增多。從水處理領(lǐng)域的角度看，填料和濾料是水處理工藝中的核心部分，如原水處理中的過(guò)濾、污水處理中的生物膜法和曝氣生物濾池等主要工藝，均是依靠填料/濾料來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的凈化作用。作為污水處理工藝內(nèi)部的作用基質(zhì)，填料/濾料的種類(lèi)及特性直接影響處理單元內(nèi)部的截留、吸附作用和微生物的附著、生長(zhǎng)情況，決定和制約了污染物的去除效果、工程投資、建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本。然而，如果將現(xiàn)有填料/濾料大規(guī)模應(yīng)用于黑臭水體和海綿城市建設(shè)等領(lǐng)域，成本高昂，且材料的需求量巨大。而生物質(zhì)灰渣作為生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)的廢棄物，來(lái)源廣泛，若能通過(guò)處理后應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，則可達(dá)到固廢資源化和循環(huán)利用的雙重目標(biāo)。本文的主要目的就是通過(guò)對(duì)生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的特性進(jìn)行總結(jié)和分析，明晰生物質(zhì)灰渣作為污水處理填料和濾料的可行性，進(jìn)而對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望，以期為促進(jìn)生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的資源化利用和污水處理領(lǐng)域新型填料/濾料的開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的特性

生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣是秸稈、稻殼和木材等生物質(zhì)燃料，經(jīng)700～800 ℃高溫燃燒后的剩余顆粒殘留物，其粒徑分布較廣、成分含量不一，且隨燃料種類(lèi)、燃燒條件和方式的不同而具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)[8-10]。例如，李剛等[11]對(duì)河南省長(zhǎng)葛恒光生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的粒徑分布進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)灰渣的粒徑主要集中在0.5～2.0 mm，約占總量的80%，且不同生產(chǎn)批次采集的樣品粒徑分布存在較大差異。多數(shù)研究(表1)表明，生物質(zhì)灰渣浸出液呈堿性，密度一般在1～2 g/cm3，具有一定的比表面積，粒徑大多小于幾毫米，其粒徑分布受生物質(zhì)燃料種類(lèi)和灰渣種類(lèi)的影響。因此，生物質(zhì)灰渣較適合作為功能材料應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，但在進(jìn)行生物質(zhì)灰渣的資源化利用前，仍需對(duì)灰渣的特性進(jìn)行充分研究。

表1 生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣特性Tab.1 Characteristics of Ash Residue from Biomass Power Plants

國(guó)外對(duì)生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣特性及利用已有較為成熟的研究成果。Fernandes等[12]研究生物質(zhì)在不同燃燒條件下產(chǎn)生的生物質(zhì)稻殼灰渣特性，采用爐排爐、流化床和懸浮燃燒爐產(chǎn)生的灰渣作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)不同燃燒條件下生物質(zhì)灰渣的差別主要集中在比表面積、二氧化硅和碳的含量3個(gè)方面，在形態(tài)、化學(xué)成分和質(zhì)量分布方面具有相似性；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，爐排爐灰渣具有較大的比表面積，可用作吸附材料，流化床灰渣可作為SiC、Si3N4等高分子復(fù)合材料和陶瓷制備的原材料，而懸浮燃燒爐灰渣具有完全不定型二氧化硅特性，適合于作為建筑和沸石的原材料。Girón等[13]對(duì)爐排爐和流化床燃燒森林廢棄物產(chǎn)生的生物質(zhì)灰渣特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)流化床比爐排爐具有更高的燃燒效率，未燃燒碳成分更多集中在大粒徑灰渣中，這在爐排爐灰渣中尤為明顯；大粒徑灰渣具有更好的結(jié)構(gòu)特性，可作為活性炭的前驅(qū)體；礦物成分含量較高的灰渣可作為肥料、沸石和水泥的原料進(jìn)行資源化利用。Reysalgueiro等[14]收集了15個(gè)生物質(zhì)電廠(chǎng)的木質(zhì)底渣和飛灰，對(duì)底渣和飛灰中苯系物和多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物進(jìn)行了研究，探討其作為土壤肥料的可行性，發(fā)現(xiàn)盡管底渣和飛灰均不含有對(duì)環(huán)境有害的危險(xiǎn)物質(zhì)，但底渣較之飛灰更具安全性；同時(shí)，某種苯系物的含量隨著50%燃燒率溫度的增加而增加，不完全燃燒條件下會(huì)產(chǎn)生更多的多環(huán)芳烴類(lèi)污染物。然而，總體來(lái)看，國(guó)外生物質(zhì)電廠(chǎng)多為單一的木質(zhì)生物質(zhì)燃料[13-15]，生物質(zhì)灰渣成分相對(duì)較為穩(wěn)定。

我國(guó)對(duì)生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣特性的研究相對(duì)較少，前期多為對(duì)單一燃料實(shí)驗(yàn)室模擬燃燒所得的生物質(zhì)灰渣特性進(jìn)行的研究，并非來(lái)源于實(shí)際的生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)[16-17]。由于燃燒條件存在很大的差異，模擬灰渣與生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的成分存在較大的差異。莊會(huì)永等[18]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣與模擬灰渣的鉀含量差異顯著，實(shí)際生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的鉀含量?jī)H為5.33%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于模擬燃燒灰渣中的平均K2O含量(17.47%)。韓宗娜[19]研究了江蘇省2家生物質(zhì)直燃電廠(chǎng)灰渣的特性，發(fā)現(xiàn)灰渣中含量較高的主要無(wú)機(jī)元素為Si、Ca、K、Mg、Na等，同時(shí)也存在少量的微量或痕量重金屬元素，燃料種類(lèi)、灰渣粒徑分布的變化對(duì)各無(wú)機(jī)元素的含量有較大影響。不同電廠(chǎng)灰渣的特性也存在一定的差異。Wang等[20]對(duì)2個(gè)不同生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)灰渣的特性進(jìn)行了研究，雖然灰渣的主要元素Si、Ca、K、Al、Mg、Fe和Na等相似，但2種灰渣的理化性質(zhì)和浸出行為卻均存在明顯差異。

因此，生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的資源化利用需根據(jù)其理化性質(zhì)與特征進(jìn)行區(qū)別化利用，同時(shí)由于灰渣的主要成分相似，其資源化利用在一定范圍內(nèi)又具有普遍適用性。另外，由于燃料收集和供應(yīng)的限制，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中往往采用多種燃料混合進(jìn)料燃燒，不同燃料在燃燒過(guò)程中可能發(fā)生相互作用。根據(jù)單一燃料模擬灰渣特性研究和國(guó)外相關(guān)研究成果來(lái)確定生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的成分和特性，以及分析后續(xù)的應(yīng)用途徑，存在很大的局限性。單一的資源利用方式并非適用于所有的灰渣類(lèi)型。石炎等[21]基于不同的灰渣粒徑提出了生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣一體化資源利用方案，將灰渣綜合應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、土壤修復(fù)改良、元素回收、污水處理吸附材料與復(fù)合材料制備等領(lǐng)域，提高生物質(zhì)灰渣的資源化利用效率。

2 生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣用于污水處理填料和濾料

生物質(zhì)燃料經(jīng)燃燒后產(chǎn)生的灰渣，表面疏松多孔，具有一定的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，吸附性能較強(qiáng)，在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用雖然不多，但已有一些研究將其作為環(huán)保材料應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。在污水處理填料應(yīng)用方面，生物質(zhì)灰渣多采用實(shí)驗(yàn)室模擬生物質(zhì)燃燒制備的生物炭載體材料進(jìn)行相關(guān)研究。王永芳[22]利用花生殼燃燒制備生物炭質(zhì)填料，對(duì)生活污水進(jìn)行處理，初步探索了生物炭質(zhì)填料與普通陶粒的掛膜效果，發(fā)現(xiàn)熱解溫度越高制備的填料掛膜效果越好，在300 ℃條件下熱解制備的填料掛膜量同普通陶粒相當(dāng)，掛膜效果最佳的熱解溫度為700 ℃；相應(yīng)地，在污染物去除效果方面，700 ℃熱解制備的填料出水CODCr和NH3-N穩(wěn)定性良好，且熱解溫度越高，填料對(duì)污染物的去除效果越好，普通陶粒的污染物去除率與300 ℃制備的填料效果相近。生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的產(chǎn)生條件與實(shí)驗(yàn)室模擬燃燒灰渣雖有不同，但結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室研究情況與生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣特性，其作為污水處理填料存在一定的可行性。

對(duì)實(shí)際生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的研究較少。Yeboah等[23]對(duì)美國(guó)8個(gè)火力發(fā)電廠(chǎng)的粉煤灰、煤與生物質(zhì)混燃灰和生物質(zhì)灰渣的特性及潛在的應(yīng)用方向進(jìn)行了比對(duì)研究，通過(guò)掃描電鏡、BET比表面積、XRD和XRF等手段對(duì)各樣品的理化性質(zhì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)灰渣比重更小，顆粒尺寸分布更廣、未燃燒碳成分含量更高，且比表面積更大，用作吸附材料具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究總體較少，多作為吸附材料、土柱淋溶填充基質(zhì)(表2)等，用于對(duì)重金屬離子進(jìn)行吸附或進(jìn)行生活污水處理。徐磊等[24]將生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣(小麥、水稻、玉米和棉花等為主要燃料)過(guò)1 mm篩后，用于水溶液中Cu2+的吸附，發(fā)現(xiàn)灰渣對(duì)Cu2+的吸附效果優(yōu)于相關(guān)研究中的大部分吸附材料，同時(shí)灰渣對(duì)Cu2+的吸附熱力學(xué)規(guī)律符合Langmuir模型。王侃[25]采用生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣，經(jīng)研磨處理后用于土柱淋溶裝置對(duì)生活污水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)水力負(fù)荷會(huì)影響生物質(zhì)灰渣對(duì)CODCr、TN、TP和NH3-N的處理效果。田冬等[26]把生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣研磨后，得到不同粒徑的灰渣材料，應(yīng)用于間歇土柱淋溶裝置，發(fā)現(xiàn)灰渣對(duì)CODCr、TN、TP和NH3-N均有較好的去除效果。但若要達(dá)到污水的最優(yōu)處理效果，除了使用最佳粒徑分布范圍內(nèi)的灰渣，還需選擇合適的水力負(fù)荷和填充密度[27-28]。目前，生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣與常規(guī)載體材料，如陶粒、沸石等的對(duì)比分析研究較少，相關(guān)研究尚需開(kāi)展。

表2 生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用Tab.2 Application of Ash Residue from Biomass Power Plant in Wastewater Treatment

3 生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣在污水處理中的應(yīng)用前景分析

生物質(zhì)灰渣作為生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)的廢棄物，通過(guò)合理的處理工藝可將其變?yōu)槲鬯幚聿牧希粌H為水環(huán)境治理提供新的材料、降低高額成本，也可為灰渣的資源化利用和生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)的綠色發(fā)展提供新的思路和保障。賈玉寶[29]以生物質(zhì)電廠(chǎng)循環(huán)流化床燃燒所產(chǎn)生的灰渣為主要原料，在對(duì)灰渣原料進(jìn)行安全性分析的基礎(chǔ)上，采用磁選、篩分、清洗工藝進(jìn)行處理，得到不同粒徑的灰渣，可用于水處理工程，進(jìn)而達(dá)到良好的水質(zhì)凈化效果。Li等[30]通過(guò)改性生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣載體用于河道原水處理的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以將生物質(zhì)填料作為掛膜載體用于河道原水處理時(shí)，出水pH平均值為8.23左右，對(duì)CODCr的去除率為75%，對(duì)NH3-N的去除率達(dá)到80%；生物質(zhì)填料生物膜載體樣品的高通量測(cè)序表明：與硝化作用有關(guān)的變形菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)所占比重最大，分別為40.72%和32.24%，這與較好的CODCr和NH3-N去除效果一致。劉偉[31]通過(guò)小試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)灰渣能緩釋弱堿，大大增強(qiáng)養(yǎng)殖水體中氨氮和溶解性有機(jī)物的降解能力。

隨著我國(guó)水環(huán)境問(wèn)題的日益突出，以及河湖治理和海綿城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，填料和濾料的需求量逐漸增大，相關(guān)的應(yīng)用也不僅局限在原水和污水處理領(lǐng)域。生物質(zhì)灰渣應(yīng)用于污水處理材料時(shí)，除考慮處理效果外，還需考慮其吸附性、粒徑、比表面積及其掛膜特性等因素[32-33]。

目前，國(guó)內(nèi)外與生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的成本和經(jīng)濟(jì)分析相關(guān)的文獻(xiàn)較為缺乏，僅為吸附工藝經(jīng)濟(jì)分析的文獻(xiàn)[34]。例如，Prashanth等[34]基于以吸附、酸洗(去除填料表面沉淀物)、脫附再生組成的磷吸附工藝流程，構(gòu)建了關(guān)于化學(xué)品成本的模型，其中包含了吸附柱填料成本。雖然該模型的前提條件較為理想化，但可通過(guò)借鑒其思路來(lái)評(píng)估灰渣作為填料對(duì)相關(guān)污水處理工藝的成本影響?？傊?，關(guān)于灰渣在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用方面，有必要進(jìn)行相關(guān)的經(jīng)濟(jì)分析，從而為灰渣工業(yè)化應(yīng)用的潛力和價(jià)值提供依據(jù)。

4 結(jié)論

本文對(duì)生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的特性研究進(jìn)行了總結(jié)?；以闹饕煞窒嗨?，其資源化利用在一定范圍內(nèi)具有普遍適用性；但是，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，多種燃料混合進(jìn)料燃燒又會(huì)導(dǎo)致灰渣成分和特性存在一定的差異性。因此，生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣的資源化利用需根據(jù)其理化性質(zhì)與特征進(jìn)行區(qū)別化利用。近年的研究結(jié)果表明，生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣經(jīng)合理處理后制成的污水處理填料和濾料表現(xiàn)出良好的性能，可作為一種新型填料/濾料進(jìn)行廣泛應(yīng)用，但實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中不僅要考慮處理效果，同時(shí)還要結(jié)合其理化性質(zhì)、處理?xiàng)l件、經(jīng)濟(jì)價(jià)值等進(jìn)行綜合考查。從污水處理研究的角度考慮，生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣對(duì)污染物去除的吸附作用機(jī)理以及相關(guān)改性方法有待進(jìn)一步深入研究分析。從污水處理工藝的成本和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的角度考慮，有必要針對(duì)生物質(zhì)電廠(chǎng)灰渣進(jìn)行相關(guān)的經(jīng)濟(jì)分析。