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(guò)中國期刊全文數據庫和Web of Science核心合集數據庫，對2000年―2020年發(fā)表的關(guān)于污泥基生物炭的文獻進(jìn)行檢索與綜述分析。詳細分析了污泥基生物炭研究的年度發(fā)文量和研究熱點(diǎn)，討論了現有制備技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展趨勢，同時(shí)，結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)域應用的研究現狀。

隨著(zhù)經(jīng)濟的持續快速發(fā)展，我國城市污水處理量不斷提升，導致污泥產(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(wàn)t(干重)，并將以約10%的速度逐年增加。然而由于長(cháng)期以來(lái)存在的“重水輕泥”現象，我國約80%的污泥并未得到科學(xué)有效的處置。當前，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)物可能導致空氣二次污染。污泥處置成為“無(wú)廢城市”建設面臨的重要問(wèn)題之一，實(shí)現由“被消滅”向“被利用”的理念轉變，是城市污泥處置技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

近年來(lái)，將污泥隔絕空氣，進(jìn)行無(wú)氧熱解制備生物炭的技術(shù)開(kāi)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)現了污泥的“資源化”利用。其中，生物炭比表面積大、表面基團豐富且氮、磷、鉀等元素含量高，是良好的環(huán)境修復材料，并可為植物生長(cháng)提供一定的養分；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污染物和抗生素等有機成分被完全熱解，無(wú)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)現污泥的“無(wú)害化”處置。2020年7月，國家發(fā)展改革委、住房城鄉建設部聯(lián)合發(fā)布《城鎮生活污水處理設施補短板強弱項實(shí)施方案》，明確提出“加快推進(jìn)污泥無(wú)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)，本文對中國期刊全文數據庫和Web of Science數據庫近20年(2000年―2020年)收錄的污泥基生物炭的相關(guān)研究進(jìn)行了文獻統計與分析。本文著(zhù)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本領(lǐng)域研究的關(guān)注度，還體現了該學(xué)科或領(lǐng)域的發(fā)展速度。在中國期刊全文數據庫，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’”為標題和主題檢索近20年(2000年―2020年)收錄的相關(guān)文獻，逐條整理，并去掉重復或不相關(guān)文獻，分別獲取有效文獻381篇和1 216篇[圖1(a)]。需要指出的是，針對污泥熱解制備生物炭的相關(guān)文獻中，存在將“碳化”誤用為“炭化”的現象，因此，本文對“碳化”和“炭化”均進(jìn)行了相關(guān)檢索。在Web of Science核心數據庫，分別以“sludge bio”、“pyrolysis of sludge”、“carbonization of sludge”為標題和主題檢索，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(kāi)始起步；快速增長(cháng)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(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要(2006―2020年)》6個(gè)重大專(zhuān)項計劃之一，為我國水污染防治和水生態(tài)修復提供重要科技支撐的同時(shí)，開(kāi)啟了污泥基生物炭的初步探究。2015年，國家“水十條”明確指出“污水處理設施產(chǎn)生的污泥應進(jìn)行穩定化、無(wú)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)現資源化和減量化的同時(shí)，更加注重無(wú)害化處置。傳統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(guò)程可以通過(guò)高溫將病毒炭化，實(shí)現完全滅菌。因此，隨著(zhù)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?jì)热莸母叨雀爬?，關(guān)鍵詞的共現網(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(guān)地綜述近年來(lái)污泥基生物炭的研究熱點(diǎn)，本文采用CiteSpace對所檢索文獻的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，結果如圖2所示。圖中圓形節點(diǎn)的大小反映了關(guān)鍵詞出現的頻次，節點(diǎn)越大即出現的頻次越高。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)現污泥基生物炭資源化利用的重要作用對象。一方面，文獻中涉及的污泥種類(lèi)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)驗室研究已經(jīng)證實(shí)，炭化過(guò)程雖不能有效去除污泥中的重金屬，但可對重金屬起到顯著(zhù)固定/穩定化的作用，其浸出毒性低于國家標準限值，然而炭化過(guò)程中重金屬的固定機制及轉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，與傳統生物炭(如植物源生物炭)類(lèi)似，污泥生物炭也具有比表面積大、空隙發(fā)達及官能團豐度等特點(diǎn)，表現出對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(lèi)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(lèi)中，市政污泥的產(chǎn)量最高且污染物含量相對較低。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)險更低，因此，污泥基生物炭具有廣闊的應用前景。含油污泥因有機成分含量高，尤其是富含持久性有機污染物，炭化的高溫過(guò)程中可有效破壞有機污染物的結構，缺氧條件則避免了二?英的產(chǎn)生，從而實(shí)現含油污泥減量化、無(wú)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(lèi)。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，其出現頻次最高[圖2(b)]，主要包括城鎮污水處理廠(chǎng)污泥和工業(yè)污水處理廠(chǎng)污泥，這與Singh等的綜述結果相近，超過(guò)半數的污泥炭化研究對象為“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用的基礎，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，本文后續對該研究熱點(diǎn)進(jìn)行系統綜述。

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、熱解焦油和熱解殘渣(即生物炭)。當前，國內外污泥熱解技術(shù)主要包括高溫熱解、低溫熱解技術(shù)和微波熱解法。

高溫熱解技術(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。其具體的炭化系統包括污泥接受系統(污泥斗和傳送帶)、污泥干化爐、污泥炭化系統(炭化爐、預熱爐和再燃爐)、粉塵收集系統、熱交換系統、尾氣處理系統、炭化產(chǎn)品冷卻和包裝系統。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 ℃)、有機硫化物轉化為硫化氫階段(300 ℃)、氮化物轉化為氨階段(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(lèi)生物炭對重金屬及有機污染物具有良好的吸附性能。該技術(shù)起步較早，但技術(shù)工藝復雜、穩定性低、工程應用進(jìn)展緩慢。20世紀七八十年代，由日本三菱重工參與設計建造的第一所污泥高溫炭化廠(chǎng)投入使用，其日處理量為300 t，處理成本為42美元/t。2012年，我國首家污泥高溫熱解炭化處理項目在武漢通過(guò)驗收，隨后各地開(kāi)始陸續引進(jìn)污泥炭化工藝與設備。

低溫熱解技術(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(chēng)低溫熱解制油技術(shù)。該技術(shù)中熱解焦油的產(chǎn)出率可高達30%，其主要成分為烴類(lèi)、脂肪族、芳香化合物等有機物，燃值較高，可回收污泥中有機質(zhì)約60%的能量。與高溫熱解技術(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(chǎng)，2010年我國山西省建成第一座污泥低溫炭化廠(chǎng)。

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(chǎng)中，將微波能轉化為內能，提升污泥溫度，達到裂解的目的。這種熱解方式具有均勻性強、即時(shí)性高和節能效果好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于含油污泥的處理。然而受到微波輻射強度和反應釜大小的限制，微波裂解技術(shù)依然缺乏大規模的工業(yè)化應用。

近年來(lái)，開(kāi)始探究一種低溫磁化裂解技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)磁場(chǎng)作用，使氣體分子由無(wú)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)的主要設備及系統包括反應釜、U型加熱管、進(jìn)氣磁化空氣風(fēng)機、內部空氣循環(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，污泥磁化低溫熱解已初步應用于福州市閩候荊溪污水處理廠(chǎng)建設的污泥處理處置項目。

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)的密閉反應器中，污泥中微生物細胞被破碎，大分子有機物發(fā)生水解，膠體結構被破壞，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)在國內尚無(wú)工業(yè)規模應用的工藝和流程相關(guān)具體參數，其系列裝備亟待研發(fā)。此外，為實(shí)現對炭化過(guò)程及其產(chǎn)物的精確控制，尚需開(kāi)發(fā)對水熱處理過(guò)程進(jìn)行原位觀(guān)測的新型監測儀器。

04 污泥基生物炭的理化性質(zhì)

水廠(chǎng)污泥基生物炭的理化性質(zhì)及應用如圖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(zhù)影響污泥基生物炭的孔隙度和比表面積。一般而言，隨著(zhù)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，當熱解溫度從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。其主要原因是當溫度較低時(shí)，污泥中的有機物揮發(fā)能力差且易冷凝堵塞孔道；溫度較高時(shí)，污泥中有機物的揮發(fā)能力強、揮發(fā)量增加，使生物炭的孔隙度和比表面積顯著(zhù)增加。類(lèi)似的結果出現在Udayanga等的研究中，該研究進(jìn)一步指出，污泥炭化過(guò)程中存在臨界溫度，當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(zhù)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(guò)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(zhù)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，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表面負電特性。

污泥基生物炭的化學(xué)性質(zhì)主要包括pH、養分交換、固碳能力及表面基團等。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(zhù)溫度的增加，pH逐漸提升，其主要原因是隨著(zhù)熱解溫度的升高，有機酸等酸性物質(zhì)揮發(fā)和裂解量增加，同時(shí)，有機氮易轉化成類(lèi)吡啶的雜環(huán)結構。然而Udayanga等研究發(fā)現，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在Gao等的研究中，其原因可能是隨著(zhù)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(yíng)養成分在污泥炭化的過(guò)程中得以被保留下來(lái)，此外，污泥基生物炭可以提升土壤陽(yáng)離子交換量及有機碳含量，進(jìn)而改善土壤肥力，提升農作物產(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(cháng)，該研究發(fā)現，當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(guò)促進(jìn)植物生長(cháng)的作用實(shí)現，生產(chǎn)1 kg污泥基生物炭相當于釋放1.16 kg CO₂，盡管該值高于常見(jiàn)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，主要包括羧基(-COOH)、酰胺基(-NHR)、羥基(-OH)和羰基(C=O)等。表面基團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(zhù)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含量。在隔絕空氣條件(如氮氣環(huán)境)下，生物炭表面幾乎難以形成含氧官能團；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的含量。

05 污泥基生物炭的應用

污泥基生物炭具有比表面積大、孔隙度高、表面基團豐富等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境修復領(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、催化和儲能等。

對重金屬及常見(jiàn)有機物的吸附與固定，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。污泥基生物炭對重金屬和有機物的吸附如表1所示，結果顯示，污泥基生物炭對污染物的吸附固定受到熱解溫度、污染物類(lèi)型、溶液pH及污泥類(lèi)型的影響。對于重金屬，污泥生物炭對其吸附機制與傳統生物炭類(lèi)似，主要包括離子交換、沉淀作用、絡(luò )合作用、陽(yáng)離子-π相互作用、靜電吸附、氧化還原等。Gao等選用城鎮污水處理污泥為原料，在氮氣條件下分別經(jīng)300、500、700 ℃高溫裂解得到污泥生物炭，對Cd2+進(jìn)行吸附固定研究，結果顯示，熱解溫度為500 ℃時(shí)，生物炭對Cd²⁺的吸附能力最大，為110.93 mg/g，其吸附機制為陽(yáng)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Cd2+的吸附能力(95.24～110.93 mg/g)高于傳統生物炭(6.72～49.26 mg/g)和活性炭(2.50～12.64 mg/g)。與重金屬不同，污泥基生物炭對有機污染物的吸附機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)現污泥基生物炭對亞甲基藍的吸附主要為表面化學(xué)吸附，最大吸附能力可達19.2 mg/g。

污泥基生物炭通過(guò)改善土壤結構、平衡鹽水分布及提升有效養分含量等途徑顯著(zhù)提升土壤肥力，被認為是環(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(yíng)養的提升，作物生物量隨著(zhù)污泥基生物炭添加量的增加而成比例增長(cháng)，平均增幅可達74%。類(lèi)似的，Song等研究發(fā)現，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，對于保障糧食安全具有重大意義。

污泥基生物炭對全球變暖的延緩作用主要通過(guò)對溫室氣體(二氧化碳、氧化二氮和甲烷等)吸附固定實(shí)現。Grutzmacher等通過(guò)對比污泥和污泥基生物炭對農田土壤二氧化碳釋放的影響，發(fā)現與污泥相比，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，與傳統氮肥相比，污泥基生物炭可使農田氧化二氮釋放量下降87%。Awasthi等系統探究土壤中施加污泥基生物炭后溫室氣體的排放規律，結果顯示，施加生物炭第2 d后，二氧化碳和甲烷釋放開(kāi)始放緩，隨著(zhù)施加成熟期(maturation phase)的到來(lái)，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(guò)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)域的應用主要包括Fenton反應催化和TiO₂光催化。良好的孔隙結構、較高的比表面積、較強的物化穩定性和較寬的pH適應范圍使污泥基生物炭具有Fenton反應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輪連續降解后，可實(shí)現4-氯酚的100%去除。因此，光驅動(dòng)的負載 TiO₂的光催化劑也是近年來(lái)污泥基生物炭應用的研究熱點(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雜化生物炭復合材料的簡(jiǎn)單且經(jīng)濟有效的方法，合成的TiO2/Fe/Fe3C生物炭復合材料通過(guò)光反應和H₂O₂活化對亞甲基藍的降解表現出良好的催化性能。

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用的前沿研究之一。Bao等系統研究了不同溫度(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，結果表明，熱解溫度主要通過(guò)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的電子轉移能力，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 結論

隨著(zhù)我國污泥處置相關(guān)領(lǐng)域政策和標準的不斷完善，實(shí)現污泥處置的要求進(jìn)一步提高，炭化技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，實(shí)現了污泥的減量化、穩定化、無(wú)害化和資源化處置的要求，已成為污泥研究熱點(diǎn)問(wèn)題，備受學(xué)者關(guān)注，近年來(lái)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)的研究和應用得到進(jìn)一步地推進(jìn)。在未來(lái)的研究中可能會(huì )面臨如下的挑戰：(1)降低污泥基生物炭制備過(guò)程中的溫度和能耗，亟待研發(fā)經(jīng)濟、綠色和安全的炭化技術(shù)；(2)炭化過(guò)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)應用推廣的因素之一；(3)污泥炭化過(guò)程中污染物的形態(tài)轉化與固定機制有待進(jìn)一步探究；(4)污泥基生物炭作為環(huán)境工程材料，對人體、動(dòng)植物及環(huán)境潛在的風(fēng)險，仍存在較多爭議，亟待系統研究。隨著(zhù)上述問(wèn)題的克服，污泥炭化制備生物炭技術(shù)將得到廣泛的應用，從而真正實(shí)現污泥的科學(xué)化處置。

作者簡(jiǎn)介：

孫東曉，高級工程師，中鐵上海工程局集團市政環(huán)保工程有限公司 副總經(jīng)理、總工程師，上海市科技專(zhuān)家庫成員，長(cháng)期從事市政環(huán)保項目建設與科技研發(fā)。

更多信息：

孫東曉1，董志強1，劉學(xué)明1，*，張吉琛2，陳錢(qián)寶1，雷思聰3(1. 中鐵上海工程局集團市政環(huán)保工程有限公司，上海 201900；2. 同濟大學(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)