邵一如 杜 耀 朱于紅 李美霖

(浙江卓錦環(huán)保科技股份有限公司，浙江杭州，310000)

生物炭，通常是指生物質(zhì)在有限供氧條件下高溫?zé)峤庵瞥傻墓虘B(tài)物質(zhì)。生物質(zhì)經(jīng)過燃燒或者自然分解，釋放CO2，殘?jiān)心軌蜷L(zhǎng)期儲(chǔ)存的碳量不到3%；當(dāng)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物炭，則有20%—30%的碳可長(zhǎng)期儲(chǔ)存在生物炭中[1](見圖1)。將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物炭后再利用，在一定時(shí)限范圍內(nèi)抵消人類活動(dòng)排放的CO2，實(shí)現(xiàn)碳減排；生物炭還能吸附CO2、N2O等溫室氣體[2]，進(jìn)一步緩解溫室效應(yīng)。

市政污泥是一種富含有機(jī)物、營養(yǎng)物質(zhì)及各種微量元素的廢棄生物質(zhì)，污泥在無氧或缺氧的條件下高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的就是污泥基生物炭(sludge-based biochar, SBBC)[3]。SBBC具有較大的比表面積，是碳封存新型材料。2021年碳中和目標(biāo)的提出，給我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整提出了要求：污水處理行業(yè)碳排放量占全社會(huì)總排放量的1%—2%，是不可忽視的減排領(lǐng)域。而污泥的處理處置，是污水處理行業(yè)的重要一環(huán)，也是產(chǎn)生碳排放的主要單元。將污泥燒制成SBBC能夠有效減少碳的排放，但如果僅將碳封存起來而不加以利用，只會(huì)將污泥轉(zhuǎn)化成一般固體垃圾，造成資源浪費(fèi)。SBBC的用途包括吸附劑、土壤改良劑、催化劑和儲(chǔ)能材料等[4]，土壤改良劑和儲(chǔ)能材料的研發(fā)與碳排放、碳封存直接相關(guān)。

圖1 生物質(zhì)與生物炭的碳貯存路徑

1 污泥基生物炭在碳中和背景下的應(yīng)用

1.1 吸附劑

污泥基生物炭與其他生物質(zhì)制備的生物炭類似，內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙豐富，比表面積較大，是一種良好的吸附材料。因此，SBBC在環(huán)境和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的就是作為吸附劑吸附重金屬、營養(yǎng)元素[5]和有機(jī)污染物[6]。改性后的SBBC不僅對(duì)以陽離子形態(tài)存在的Cd2+、Pb2+、Cu2+等金屬離子有較好的吸附性[7, 8]，對(duì)常以陰離子形態(tài)存在的AsO3-、CrO42-吸附量也很好[9, 10]。程偉鳳[5]使用多種改性方式優(yōu)化SBBC對(duì)氮磷的吸附效果，研究發(fā)現(xiàn)使用發(fā)酵后的污泥，加入粉煤灰和秸稈，或者磁化改性都能促進(jìn)孔結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)，使比表面積增大，表面官能團(tuán)增多，從而對(duì)氨氮和磷的吸附作用都有提升。

1.2 土壤改良劑

污泥基生物炭可以吸附氮磷肥料，再緩慢釋放于土壤中，有助于保持土壤肥力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。SBBC內(nèi)部富含大量孔隙，營養(yǎng)物質(zhì)和水分吸附在SBBC表面或孔道內(nèi)部，能夠長(zhǎng)時(shí)間貯存在土壤中，減少養(yǎng)分流失，提高土壤保水能力[11]。Yue et al.將SBBC用于城市土地，然后再種植草皮，結(jié)果表明，土壤中的氮磷，有機(jī)質(zhì)都有顯著提升，而鉀的濃度有所下降，降低土壤板結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)[12]。SBBC回用于污泥和土壤中，還能夠改善污泥和土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)[13]。另外，SBBC一般呈堿性，可作為調(diào)理劑改善弱酸性土壤[14]。

1.3 催化劑

金屬改性的SBBC可以作為高級(jí)氧化技術(shù)中的非均相催化劑，用于活化過硫酸鹽或過碳酸鈉，產(chǎn)生自由基以降解污染介質(zhì)中的難降解有機(jī)物。Wang et al.[15]用市政污泥制備的SBBC活化過硫酸鹽去除4-氯酚，降解效率達(dá)到90%以上；循環(huán)試驗(yàn)和淋濾試驗(yàn)證明，SBBC在循環(huán)使用時(shí)能夠保持較高的活化效率。Hung et al[16]用Fe-Mn改性SBBC活化過碳酸鈉降解多環(huán)芳烴，多環(huán)芳烴在pH值3.0-11.0 范圍內(nèi)都能被去除。SBBC還可以負(fù)載TiO2作為光催化劑。Yuan et al.研究SBBC負(fù)載TiO2在可見光下降解有機(jī)污染物的效果，結(jié)果表明SBBC負(fù)載TiO2能有效催化硝基苯酚的光降解[17]。

1.4 儲(chǔ)能材料

生物炭由于其穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積被證明是鋰離子理想的貯存場(chǎng)所，可作為超級(jí)電容器中的電極材料。Zhang et al.用消化污泥經(jīng)過HF或HCl、KOH改性和兩級(jí)焚燒后制成比表面積高達(dá)2103.6 m2/g的分層多孔SBBC。將該材料制成超級(jí)電容器的電極在高電流的作用下，仍然保持高比電容，且循環(huán)穩(wěn)定，經(jīng)過2000次循環(huán)恒電流充放電后，電容保留率為98.4%。

污泥基生物炭作為儲(chǔ)能材料的另一研究方向是制備建筑材料。張興偉將一定量的生物炭摻入混凝土中替代水泥，發(fā)現(xiàn)生物炭能增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度并滿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。結(jié)果表明，污泥生物炭的添加可以使混凝土結(jié)構(gòu)更加均勻連續(xù)，添加適當(dāng)比例能夠增強(qiáng)混凝土的抗折和抗壓強(qiáng)度。李赫同時(shí)還計(jì)算了如果將SBBC混凝土在全球范圍內(nèi)應(yīng)用，碳封存量高達(dá)33390.6萬噸，可有效減少碳排放量。

2 污泥基生物炭應(yīng)用面臨的問題和挑戰(zhàn)

雖然SBBC具有來源廣泛、成本低廉、多孔結(jié)構(gòu)、富含營養(yǎng)元素等優(yōu)點(diǎn)，但在推廣應(yīng)用上還是受到很多限制：首先，污泥的組成和來源不同，如何保持SBBC成品性質(zhì)穩(wěn)定，以及制備SBBC的工藝參數(shù)怎么根據(jù)污泥性質(zhì)調(diào)整，現(xiàn)有研究都不能完整回答這個(gè)問題；第二，SBBC熱解過程中會(huì)產(chǎn)生焦油、多環(huán)芳烴等二次污染物，需要妥善處理；第三，SBBC碳固定的相關(guān)研究缺少生命周期環(huán)境負(fù)荷的評(píng)估，而這個(gè)評(píng)估對(duì)于估算SBBC的固碳效果和評(píng)價(jià)SBBC的環(huán)境效益是必要的[2, 19]；最后，雖然SBBC本身固定的碳量很好測(cè)定和計(jì)算，但在制備過程中消耗的燃料量受到原污泥的含水率以及制備工藝影響，難以估算并進(jìn)行環(huán)境效益評(píng)價(jià)[18, 20]。

3 總結(jié)與展望

污泥制備SBBC是一種高效安全處置污泥的手段，能滿足“減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化”的要求。碳中和背景下，碳固定和吸附強(qiáng)的特性，使SBBC擁有了較好的應(yīng)用推廣前景。針對(duì)SBBC在實(shí)際應(yīng)用中面臨的問題，今后的研究可以著力以下幾個(gè)方向：

(1)加強(qiáng)對(duì)污泥自身性質(zhì)和制備工藝對(duì)SBBC成品性質(zhì)影響的研究，制定SBBC的制備標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)篩選污泥原料，調(diào)整工藝參數(shù)，保證SBBC出廠品質(zhì)。

(2)對(duì)SBBC制備過程中產(chǎn)生焦油和多環(huán)芳烴的條件進(jìn)行研究，選用有效的處理工藝，避免二次污染。

(3)在研究中對(duì)SBBC進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)，對(duì)SBBC原料收集運(yùn)輸、產(chǎn)品制備改性和施用回收等各階段排碳和固碳情況進(jìn)行量化，評(píng)價(jià)綜合環(huán)境效益，指導(dǎo)SBBC的應(yīng)用推廣。