GSR公开课第42讲：污泥基生物炭调控制备及在重金属污染土壤修复中的应用研究

主讲人：王志朴 副教授

（2023年11月30日）

王志朴，中国石油大学（北京）克拉玛依校区化工与环境工程系副主任，自治区危险废物鉴定专家委员会委员。主要研究领域包括：有机固废资源化与污染控制、土壤地下水污染修复、环境修复多功能材料、环境规划与管理等。近年来，作为项目负责人或骨干人员参加国家、省部级、企业委托项目20余项；在Journal of Hazardous Materials、Waste Management、环境工程、化工研究进展等国内外期刊发表论文20余篇；申请专利6件，授权2件；获省部级科研奖一次。

课程概要：

当前，污泥无害化、资源化处理在我国有号召、有市场。作为生物炭来源之一，其在农业、环境修复等领域的应用为未来我国污泥无害化资源化处理体系建设提供了良好环境。本次讲座作者将从污泥基生物炭合理优化的制备与调控、污泥基生物炭对土壤重金属污染的防治、控制污泥基生物炭在应用中的环境风险等方面对我国污泥基生物炭的研究背景和应用前景进行系统阐述。

课程内容：

一、污泥基生物炭的发展与应用

（一）生物炭的来源与使用

生物炭是一种作为土壤改良剂的木炭，其制备原料来源广泛，包括农作物秸秆、木材、餐厨垃圾、禽畜粪便、污泥等。

最早的生物炭应用起源于上世纪90年代，研究人员对亚马逊黑土进行研究分析，通过人为添加黑炭使得土壤得以长期保持肥力；近年来生物炭在农业、环境修复等领域得到了广泛应用。

图1 生物炭来源与应用

（二）我国污泥处置发展

1、我国污泥处置方法发展

我国生活污水厂产出污泥处置从传统处置转向新兴无害、资源化处置。

1）传统处置

处置方式主要包括：卫生填埋、好氧堆肥、厌氧消化、污泥焚烧等，这类方法在应用推广、后期运维等方面都面临着诸多挑战，随环境管理意识和水平提升，传统处置无法满足当前市场：如焚烧，该处置具有“短平快”的特点，但处置二次污染严重、公众接受度低等问题，都是影响该技术继续使用的限制因素。

图2 我国污泥处置主要技术路线

2）新兴无害、资源化处置

污泥热化学转化是当前国内污泥处置的热点，污泥热化学转化除传统焚烧处置外，还包括热水解、热解液化、热解碳化，其中热解碳化是目前将污泥转化为污泥基生物炭的主要方式。新兴处置同样存在行业困境，热转换中热能消耗是目前技术发展的瓶颈，但随我国新能源技术和市场的开拓，热解碳化处置污泥在未来具有较好应用前景。

图3 生活污泥热解碳化技术路线

2、我国污泥处置需求发展

我国污泥处置需求从传统处置转为经济高效的无害化、资源化处置主要依据两个背景：

1）产业、政策背景

截至2021年底，全国城市和县城建成污水处理厂近4600座，年污水处理量达700亿立方米左右。在污水收集处理中存在“重水轻泥”，设施建设总体滞后，无害化处理和资源化利用水平不高等问题。

污泥既是污染物也是资源，系统推进污泥无害化资源化处理，是深入打好污染防治攻坚战，实现减污降碳协同增效，建设美丽中国的重要举措。2022年国家发展改革委、住房城乡建设部、生态环境部联合印发《污泥无害化处理和资源化利用实施方案》提出，到2025年，全国新增污泥（含水率80%的湿污泥）无害化处置设施规模不少于2万吨/日，城市污泥无害化处置率达到90%以上，地级及以上城市达到95%以上，基本形成设施完备、运行安全、绿色低碳、监管有效的污泥无害化资源化处理体系。

图4 我国污泥处置转向无害化资源化

2）市场需求背景

我国土壤重金属污染严重，问题突出。在此背景下，生态环境部提出2025年，重金属环境管理能力进一步增强，推进治理一批突出历史遗留重金属污染问题。到2035年，建立健全重金属污染防控制度和长效机制，重金属污染治理能力、环境风险防控能力和环境监管能力得到全面提升，重金属环境风险得到全面有效管控。

当前重金属污染土壤修复面临的一大难题就是我国重金属污染场地规模多、场地状况复杂：从高浓度小范围、小场地覆盖至中低浓度大面积矿区。然而我国市场上尚未形成针对大面积中低浓度矿区等场地修复的成熟方法与体系，因此在保证修复效果的前提下，发展经济、可持续的重金属污染土壤修复方式是当前相关研究重点方向。

重金属污染修复污泥基生物炭最早用做吸附剂使用，其良好的吸附能力使其在重金属污染土壤修复中具有强大应用潜力。

（三）污泥基生物炭修复矿区重金属污染土壤应用

通常大面积重金属污染土壤修复优先考虑原位钝化修复，或与植物修复和联合使用。其修复效果关键在于钝化剂的选择与使用。常见钝化剂类型、材料、劣势如下图所示：

图5 常见钝化剂分类及其存在的问题

比较污泥基生物炭作物原位修复钝化剂，则通常具有较大优势：

1、污泥生物炭表面含羧基、羟基等有机官能团以及无机矿物质，其重金属吸附能力较其他生物炭更强；

2、污泥生物炭中N、P、K等营养元素远高于其它来源的生物炭，更具备土壤改良的优势；

3、消除污泥处置的环境污染和风险，将碳固定在污泥生物炭中，减少大气碳排放，缓解气候变化，来源更为广泛。

图6 污泥基生物炭环境修复应用

二、污泥基生物炭调控制备与性质

使用污泥基生物炭作为钝化剂的大面积矿区重金属污染土壤修复中，污泥基生物炭调控制备技术是决定污泥资源化利用程度、土壤污染修复程度和矿区生态恢复程度的关键因素。

（一）污泥基生物炭调控制备原则

重金属污染钝化修复材料选取随重金属种类、迁移转换规律等因素变化而不同。同时，实际修复场景中重金属复合、协同吸附、竞争吸附、拮抗等情况导致污泥基生物炭调控制备的复杂性。因此，在明确场地重金属在浓度、种类等性质的前提下，污泥基生物炭调控制备首要分析生物炭的作用目标以及期望效应。

（二）污泥基生物炭性质影响因素

从污泥基生物炭特性看，可将其划分为一种多孔、低密度、富碳类芳香族。为满足污泥基生物炭在复杂污染场景中的应用需求，可通过多种途径改变其性质。

影响污泥基生物炭制备的因素通常包括：加热方式、热解温度、停留时间、升温速率、保护气氛、活化剂种类、污泥来源等。

1、加热方式对污泥基生物炭的影响

图7 污泥基生物炭制备的不同加热方式

2、温度对污泥基生物炭的影响

图8 热解温度对孔结构特征的影响

图9 热解温度对元素组成的影响

3、不同活化剂对污泥基生物炭的影响

图10 活化剂选取对生物炭制备的影响

4、孔隙结构对污泥基生物炭的影响

污泥基生物炭孔隙结构可通过与其他生物质共热解等方式改变。如污泥与农作物秸秆共热解可实现增加生物炭比表面积、改善表面结构、降低环境风险等目的。秸秆含碳量高；重金属含量低；富含纤维素与半纤维素，是良好的生物炭材料；其次来源广泛，产生量大，获取途径简单，同时实现材料的资源化利用。

图11 纯污泥生物炭表面相对光滑 污泥-秸秆混合基生物炭的表面相对多孔

5、元素组成与理化性质对污泥基生物炭的影响

随着棉杆添加比例增加，混合基生物炭中C、H、O元素含量增加，而N元素含量减少；H/C和O/C比降低，说明生物炭的芳香化程度提高，亲水性减弱

图12 污泥-秸秆混合基生物炭元素组成

三、污泥基生物炭修复重金属污染土壤的效果与机制

（一）污泥基生物炭作用过程中对不同作用对象的影响

污泥基生物炭在修复过程中，与场地中土壤、植物、重金属污染物等对象相互作用，会对修复场地内土壤性质、植物生长、重金属迁移性、可生物利用性及其化学形态转化产生影响。

图13 污泥基生物炭对植物生长发育具有促进作用

污泥基生物炭发挥改善土壤理化性质稳定、促进植物生长发育、减缓土壤中重金属迁移利用、催化土壤中重金属化学形态转向稳定等作用，实现大面积矿区重金属污染修复目的。

图14 污泥基生物炭对重金属的固定，致使其在土壤中迁移性和可生物利用性下降

（二）污泥生物炭修复改良重金属污染实例

世界上许多国家在污泥处置领域都步入了无害化、资源化利用阶段，并产生了大量应用实例。

图15 不同国家地区使用污泥基生物炭修复成效

四、污泥基生物炭环境风险

污泥作为污水处理产物，其自身除残余有机质、植物营养成分外，还可能含有重金属、有机污染物，这对污泥基生物炭的制备与使用提出了挑战。

从制备调控流程来看，污泥中污染物环境风险主要体现在热解温度和生物质添加两个方面：

1、热解温度对污泥重金属元素迁移转化影响

1）热解温度与污泥中重金属迁移转化相关关系

有机污染物在高温热解过程中基本消解，故污泥基生物炭环境风险主要考虑重金属迁移转化。污泥热解通常造成污泥中重金属浓度增加，从净土毒性结果看，随温度升高，生物炭中不同重金属均出现浸出率降低，重金属可生物利用性明显下降，同时重金属由活性组分转化为稳定组分结果。总体上，热解温度与污泥重金属环境风险成负相关。

图16 热解温度对生物炭中重金属的总浓度的影响

2）污泥基生物炭重金属潜在生态风险定量评估

当前，污泥基生物炭相关环境或生态定量评估方法主要有：潜在生态风险指数法；综合污染指数法；风险评估指数法；地质累积指数法等。其中，潜在生态风险指数法考虑重金属环境背景及重金属毒性，可评价单一重金属或复合重金属环境风险。

2、生物质添加对污泥中重金属稳定影响

以当前污泥基生物炭中应用最广泛的生物质为秸秆为例，设置对照实验，实验结果表明：

1）与单独热解污泥产生的生物炭相比，添加棉花秸秆进行共热解显著降低了生物炭中重金属的浓度；

2）添加棉花秸秆进行共热解，生物可利用组分百分比急剧下降，而稳定组分百分比显著提高，表明污泥-秸秆混合基生物炭降低了重金属的潜在环境风险。

图17 不同实验组重金属浓度结果

五、结论与展望

（一）现有研究和实证结果表明：

1、通过热解、污泥与秸秆共热解的方法，能够改善污泥基生物炭的孔结构，进而提高其在环境中吸附固定重金属的能力，并且能够有效的降低污泥中重金属的潜在环境风险。

2、污泥基生物炭在改良西北干旱地区风沙土方面是极具潜力的。在提高土壤保水能力、增加土壤养分、提高土壤微生物活性方面是效果明显的。

3、污泥基生物炭在钝化稳定土壤中Pb、Cu、Zn，降低这些重金属的迁移性和可生物利用性方面是有效的，可以作为一种修复矿区大面积重金属土壤污染的修复材料加以推广应用。

（二）目前，污泥基生物炭在大面积重金属修复领域存在研究不足和空缺，未来相关研究可围绕以下几个方面开展：

1、目前污泥热解的能耗较大，今后的重点之一就是开发高效低耗污泥热解关键技术与设备。

2、生物炭作为修复剂在进行土地利用之前，应充分考虑污泥基生物炭在土地利用过程中自身重金属、PAHs等有机污染物的变化，开展生物炭毒理性的长期研究。

3、现实环境条件相比于实验条件更加复杂，污泥基生物炭在现实环境中的老化过程中作用如何需要深入研究，特别是极端环境，如冻融交替、干湿交替条件下，污泥基生物炭的长期有效性进行跟踪监测。

4、长久来看，污泥将越来越“干净”，污泥中重金属含量历年来呈下降趋势，在我国西北干旱地区资源开采矿区生态恢复方面极具应用潜力。污泥基生物炭的应用具有广阔的前景，但目前还没有相关的政策予以支持。

课程总结：聂雨欣