污泥活性炭協調處理生活垃圾焚燒飛灰的可行性分析

金 蘇，胡友彪

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

近幾十年，伴隨著城鎮污水處理量及處理效率的逐年提高，活性污泥作為污水處理的副產物產量也在逐年提高，污泥處理成本成為處理廠的一大負擔。與此同時，生活垃圾焚燒飛灰作為危險廢物，飛灰的無害化處理處置問題同樣嚴峻。因此，利用污泥及飛灰的理化性質，將兩種廢棄物協同處理，能達到降低成本及廢棄物資源化利用的目的。

1 活性污泥及垃圾焚燒飛灰現狀

1.1 活性污泥處理現狀

污泥是污水在生化、物化處理過程中伴隨產生的副產物，在污水處理過程中，約40%～50%的污染物從污水轉移到了污泥中。城鎮污水廠的污泥基本來源于初沉池和二沉池等工藝環節，剩余污泥即是二沉池產生的泥水混合物。2018全年我國累計產生含水率80%的污泥4646萬噸，而2008年這一產量為2200萬噸，十年時間增長了2.1倍。我國污泥產量目前仍在以每年約10%的速率在攀升。

污泥的處理處置是污水凈化流程中不可缺少的重要環節。當前我國絕大多數污水處理廠僅對污泥施用濃縮、調理、脫水等簡單的方法實現減量減容，但后續也無任何穩定化處理就進行了填埋，存在巨大的二次污染的隱患。

1.2 生活垃圾焚燒飛灰現狀

近年來生活垃圾在以每年8%～10%的增長率快速增加，到2018年達到了22802萬噸。在急劇增加的生活垃圾處理壓力下，生活垃圾無害化處理量也在逐年上漲，至2018年，達到22801.8萬噸，占生活垃圾產生量的99%。在經濟發展初期，生活垃圾無害化處理量遠遠不能滿足生活垃圾處理需求，日益增多的固體廢物在許多城市形成了垃圾圍城現象，直接破壞了城市市容，同時也在污染著水、土壤、空氣環境，對人民身體健康造成威脅。因此對城市生活垃圾進行無害化、減量化、資源化利用是必不可少的。

我國目前絕大部分城市采用垃圾混合收集的方法，垃圾物理組分復雜，焚燒處理方法與衛生填埋及堆肥回田這兩種常見的生活垃圾資源化方法相比有明顯優勢。衛生填埋占地大、易產生更嚴重環境污染，堆肥回田需對垃圾進行嚴格分類，減量化、無害化水平低。而焚燒發電因能做到徹底消毒、減容化效果好、資源利用高、占地面積小等優勢，正逐漸成為生活垃圾處理的主要方式，與此同時，生活垃圾焚燒產生的副產物飛灰也成為了危害環境健康的一大難題。

2 生物炭的來源及特征

生物炭是生物質在缺氧或者嚴格無氧的條件下經過相對較低的溫度熱裂解而成固態產物[2]，化學性質穩定而且微生物無法降解。生物炭來源非常廣泛，所有生物質材料，如木屑、作物殘渣、果皮、動物糞便等皆可用于制備生物炭[3]。將以上固體廢棄物應用于生物炭的制備，不僅可以減少垃圾的產生，而且可以實現資源再利用，使其作為一種吸附材料應用于環境治理當中。

C、H、O、N是生物炭的的重要組成部分，具有以下幾個特點：一是生物炭含碳量極高，全碳含量在30%～90%之間。二是生物炭具有較大的比表面積和豐富的孔隙結構，生物炭比表面積大多在0～520 m2/g之間，這使其具有吸附重金屬、降低土壤密度和成為土壤微生物棲息地的性能。三是生物炭p H通常呈堿性，其值范圍在5～12，平均為9.15。生物炭內部含有豐富的官能團，因而具有吸附土壤中的氫離子并改良酸性土壤的能力。生物炭的吸附能力取決于在不同條件下制備的材料理化性質的差異，已有研究表明，生物炭制備過程中采用不同原料、不同裂解溫度和pH值均會對產物的比表面積、孔徑大小及官能團結構產生影響。

3 污泥生物炭的制備

污泥生物炭是以活性污泥為原材料，利用有機物的熱穩定性差，在部分或完全缺氧條件下熱解生物質材料所產生的黑色富碳顆粒[4]。

3.1 污泥活性炭制備原料

通過生物法去除污水中的污染物其實分為兩個過程。一個是在污水處理過程中利用微生物去除可溶性有機物或膠體物質，然而在這個過程中有近一半的污染物集聚到了污泥中。因此另一個過程是將污泥中的有機物進行去除。活性污泥中含有大量有機物、病菌、寄生蟲卵、重金屬離子等，一般采用高溫焚燒、土地利用等方法進行資源化處理[5]。然而這些處理方法或多或少都會為環境帶來一些危害。污泥焚燒過程中可能會產生有毒氣體及爐渣等物質，造成營養元素損失和重金屬富集，且焚燒工藝造價較高[6]。污泥土地利用需要考慮到營養元素、重金屬以及相關衛生指標要求，在實際調查實驗的基礎上，科學的展開污泥土地利用工作對環境是安全的[7]，但長期施用污泥可能會造成Cu、Zn 等污染的風險。

傳統的污泥資源化方法對人類健康和環境安全帶來的威脅不可忽視，因此，將產量豐富的活性污泥經熱解制作成活性炭，是一種行之有效的資源化處理方法。

3.2 污泥活性炭制備過程

污水生物處理過程中產生的大量濃縮、脫水和消化污泥，經炭化和活化后可轉化為活性炭[10]。污泥成炭必須經過熱解,不同熱解工藝所得的活性炭, 性能指標千差萬別。傳統的熱解主要是通過馬弗爐等進行一步熱解,產物吸附性能較差，實際應用價值低。因此,研究人員將熱解與活化過程分開,形成了兩步熱解工藝,即先炭化,炭化后樣品與活化劑混合共同熱解[11]。在第一步的炭化過程中，污泥中部分灰分被去除,再活化時活化劑能充分與污泥中的碳接觸, 對碳進行開孔，提高活性炭比表面積、改善活性炭吸附性能。

炭化工藝根據其熱解溫度可劃分為低溫(250～300 ℃)、中溫(400～550 ℃)和高溫(550～900 ℃)三種類別。低溫炭化只產生生物炭；中溫炭化工藝在產生污泥生物炭的同時，也產生熱解油和熱解燃氣；高溫炭化工藝產物則為生物炭和熱解燃氣[12]。

生物炭活化方法主要包括物理活化和化學活化，不同的活化方法會影響污泥活性炭的孔隙和官能團[13]。物理活化法也稱為氣體活化法，通常是指在惰性氣體環境下先將污泥進行高溫炭化，除去其中的易揮發組分，使污泥發生熱縮聚和熱分解反應，而后再在高溫下通入水蒸氣、空氣、二氧化碳或煙道氣等氧化性氣體，使污泥中沒有定型的碳和殘留的焦油被氧化分解，從而達到擴孔和開孔的目的[14]。物理活化法對環境影響較小，但所需活化溫度高、活化時間長，制得的活性炭孔徑分布難以控制，比表面積較小。

化學活化法也稱為藥品活化法，通過添加NaOH、FeSO4、ZnCl2、H2SO4等化學試劑來達到改變活性炭比表面積的目的。化學活化劑通常在制備前與污泥進行浸漬混合, 在惰性氣體保護下加熱，利用藥品的腐蝕性對污泥中有機質、礦物質進行刻蝕，形成小分子碳氫化合物和水蒸氣等逸出，從而形成發達的孔隙結構[19]。化學活化法所需溫度較低，但對環境影響較大，對設備的腐蝕性也較大。

4 污泥生物炭吸附重金屬原理

污泥生物炭對于重金屬的吸附是多種機制共同作用的結果。生物污泥在熱解炭化過程中，揮發分減少，使得生物炭形成比表面積較多的多孔結構，生物炭表面結構中的羧基、酚羥基、羰基等豐富的有機官能團[21]，產生較強的物質轉換和吸附能力。污泥生物炭對重金屬的主要吸附機制有：(1)重金屬與生物炭表面相互靜電作用；(2)重金屬與污泥生物炭表面官能團的絡合作用；(3)生物炭表面氧化還原作用。同時，不同條件下制備的污泥生物炭對不同種類、形態重金屬的吸附機制存在較大差異，可以通過改變制備方法或對活性生物炭改性，增加重金屬吸附容量和吸附選擇性。

5 污泥活性炭吸附飛灰中重金屬可行性分析

5.1 垃圾焚燒飛灰的基本特性

垃圾焚燒飛灰的主要成分是金屬或非金屬的氧化物，其次是可溶性鹽類。飛灰具有明顯的重金屬富集特性。在高溫爐膛中，容易揮發的金屬元素如Zn、Pb、Cu、Cd等揮發進入煙氣，冷卻后吸附在飛灰顆粒的表面，造成飛灰重金屬富集。焚燒飛灰中的重金屬短多分布于飛灰表面，如Pb、Zn等易揮發金屬由于其本身較大的表面積而傾向于富集在小粒徑的飛灰上[27]，其他不易揮發的重金屬，大多存在于飛灰顆粒內部穩定的礦物相中[28]。重金屬具有毒性大、易被生物富集等提點，嚴重危害了人和其他生物的生存。

5.2 利用污泥活性炭吸附重金屬的技術可行性分析

飛灰中高含量氯鹽和可溶性重金屬是飛灰資源化過程中需要解決的關鍵問題。由于飛灰顆粒表面呈疏松多孔狀，導致重金屬元素在一定條件下極易從飛灰中浸出，而污泥生物炭對重金屬離子有較強的吸附作用，將污泥生物炭與飛灰混合后，采用淋濾、水洗等重金屬浸取方式，使飛灰中重金屬浸出，浸出的重金屬離子與生物炭表面的官能團形成穩定的絡合物，降低垃圾焚燒飛灰的浸出毒性與氯離子含量。根據研究發現，人工形成的生物炭留存時間雖然比天然形成的生物炭短，但在土壤中也可以封存百年，遠超過一般有機碳的留存時間[30]。活性污泥生物炭的穩定性在一定程度上可以保障其對重金屬的穩定效果。

5.3 污泥活性炭、飛灰協同處置需解決問題

(1)協同處置對重金屬形態的影響，是否能降低飛灰浸出毒性；

(2)協同處置對飛灰中高含量氯鹽的影響，是否能降低Cl-含量，為進一步替代水泥原料資源化提供基礎；

(3)現有研究表明，生物炭在某些pH條件下會溶解于環境之中，從而造成二次污染，污泥生物炭對環境中生物的環境毒理學危害需進一步研究；

(4)考慮實現污泥生物炭工業化生產及其生產過程中的成本是否符合實際應用要求。

6 展 望

6.1 飛灰中重金屬之間的吸附機理研究

飛灰中重金屬組成成分復雜，不同的重金屬吸附之間存在協同或拮抗作用，因此，需研究不同制備過程產生的污泥活性炭對重金屬吸附影響。

6.2 污泥活性炭制備過程中的環境危害

在制備污泥活性炭的過程中，活性污泥中揮發性有機物會進行高溫分解，產生有毒有害氣體。加強控制污泥活性炭的制備過程，防止二次污染是必要的。

6.3 污泥活性炭吸附飛灰中重金屬最優化應用條件研究

不同的反應溫度、添加劑量等都將對重金屬吸附結果產生影響[18]，吸附反應產物的資源化利用及其對環境的二次污染問題，這些都是未來的研究中需要關注的問題。