污泥制備生物炭及資源化利用的研究進(jìn)展

摘 """""要：污泥是廢水經(jīng)污水處理廠處理后殘留的固體殘?jiān)渲写嬖诙喾N有毒有害物質(zhì)，若處置不當(dāng)，可能對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大危害。面對(duì)我國(guó)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的客觀要求，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、無害化、資源化，成為污泥處理處置的重要任務(wù)。污泥生物炭是污泥在一定條件下熱解的產(chǎn)物，具有比表面積大、表面基團(tuán)豐富且營(yíng)養(yǎng)元素含量高等特點(diǎn)，在土壤改良、重金屬去除和水處理等領(lǐng)域均有應(yīng)用，因此利用污泥制備生物炭已發(fā)展成為污泥資源化利用的有效途徑之一。從總結(jié)污泥生物炭制備與改性方法開始，對(duì)污泥生物炭性質(zhì)及影響因素進(jìn)行分析，重點(diǎn)闡述了污泥生物炭在環(huán)境、農(nóng)業(yè)、高級(jí)氧化水處理和儲(chǔ)能材料領(lǐng)域的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)污泥生物炭未來的研究方向和發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān) "鍵 "詞：污泥生物炭；固廢資源化；環(huán)境修復(fù)；農(nóng)業(yè)利用；儲(chǔ)能材料

中圖分類號(hào)：X705 """""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"文章編號(hào)：1004-0935（2025）03-0490-06

隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速穩(wěn)定發(fā)展，城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模日益提升，污泥的產(chǎn)量也不斷增加。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2025年中國(guó)污水污泥（含水量為80 %）預(yù)計(jì)將達(dá)到9"000萬t^[1-2]。污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的主要產(chǎn)物，它是一種由有機(jī)質(zhì)、微生物菌體、原生動(dòng)物蟲卵、無機(jī)顆粒和膠體等組成的極其復(fù)雜的非均勻體^[3]。污泥有機(jī)質(zhì)含量過高，容易腐化發(fā)臭，這些物質(zhì)若不能得到合適的處理將導(dǎo)致嚴(yán)重的二次污染。目前處理剩余污泥最常用的方法是焚燒、填埋、海洋傾倒^[4]、農(nóng)業(yè)再利用（直接或堆肥后）以及生產(chǎn)水泥、磚和瀝青等建筑材料的再利用^[5]。“十三五”指出污泥應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置，因此污泥資源化一直是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外污泥處理處置技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

生物炭是指生物質(zhì)在缺氧的情況下，經(jīng)熱解而成的富含碳素的固態(tài)物質(zhì)^[6]。生物炭的生物質(zhì)原料多樣且成本低，椰殼、核桃殼、秸稈、木屑以及城市污泥等廢棄物都可以用作原料，可見利用污泥制備生物炭是治理廢棄污泥的一種可選方法，也是當(dāng)前污泥處理處置的一種新型方式，相比于填埋和農(nóng)業(yè)再利用的方法，污泥生物炭可減少固體殘留物的體積，消除污泥中存在的病原體和有機(jī)化合物，并進(jìn)行生物炭的再利用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)污泥資源的回收和利用，使單純的污染治理與能源可持續(xù)利用相結(jié)合，充分體現(xiàn)該技術(shù)在環(huán)境污染處理工藝方面的新理念。在“雙碳”背景下，伴隨生物炭產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，生物炭技術(shù)作為污泥資源化的重要途徑之一，有望在全國(guó)范圍內(nèi)取得規(guī)模化推廣和應(yīng)用，未來行業(yè)發(fā)展前景可期。

對(duì)近年來污泥生物炭的制備技術(shù)及改性方法進(jìn)行總結(jié)，對(duì)污泥生物炭性質(zhì)及影響因素進(jìn)行分析，著重闡述污泥生物炭在環(huán)境、農(nóng)業(yè)、高級(jí)氧化水處理和儲(chǔ)能材料等領(lǐng)域的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，為污泥生物炭制備工藝和應(yīng)用研究提供參考，并為推動(dòng)污泥資源利用助力。

1 "污泥生物炭制備技術(shù)

污泥生物炭是污泥熱解的產(chǎn)物，熱解過程通常是指污泥在無氧或低氧環(huán)境下，污泥經(jīng)加熱升溫引起分子分解產(chǎn)生生物炭、可冷凝液體和氣體產(chǎn)物的過程^[7]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外污泥制備生物炭的主要技術(shù)包括熱裂解法、微波熱解法及水熱碳化法等，其中熱裂解法和微波熱解法屬于干式碳化法，而水熱碳化法屬于濕式碳化法。常見污泥生物炭制備技術(shù)與特性如表1所示。

2 "污泥生物炭改性方法

生物炭作為一種環(huán)保經(jīng)濟(jì)的吸附材料，被廣泛應(yīng)用于去除環(huán)境中的污染物，但生物炭的可再生率、污染物去除能力等仍有待提高，因而需對(duì)生物炭進(jìn)行改性。改性的主要目的是改善生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積和豐富表面基團(tuán)，從而最大化發(fā)揮生物炭的吸附作用。目前，污泥生物炭的改性方法主要有物理改性法、化學(xué)改性法、負(fù)載礦物法、生物改性法等，不同的改性方法可以賦予生物炭不同的理化性質(zhì)和功能，提高生物炭對(duì)污染物的去除效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)生物炭的高效應(yīng)用具有重要意義。

2.1 "酸堿改性

酸堿改性能夠提升生物炭的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)的形成，同時(shí)酸改性能夠增加生物炭中含氧官能團(tuán)的數(shù)量，堿改性則可產(chǎn)生較高的表面芳香度和N/C比值。常用的酸改性劑包括鹽酸、硫酸、磷酸、硝酸及草酸等，堿改性劑主要為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水與尿素等。唐雪嬌等^[16]利用草酸改性污泥生物炭，經(jīng)分析得出改性后的生物炭引入多種含氧官能團(tuán)，生物炭的比表面積增加了3.5倍，孔體積增大1.5倍，對(duì)甲基橙的吸附率也提高了35 %。周佳麗等^[17]采用響應(yīng)曲面法用KOH改性污泥生物炭，結(jié)果表明改性后的污泥生物炭表面粗糙，比表面積是未改性生物炭的24倍，微孔體積從0.000"5 cm³·g^-1增加到0.023"6 cm³·g^-1，污泥生物炭的芳香性和親水性也得到提高，對(duì)Pb²⁺的吸附結(jié)果表明，KOH改性生物炭的Pb²⁺最大理論吸附量可達(dá)原污泥生物炭的5倍。不同類型的酸和堿對(duì)生物炭的改性效果不同，一般而言酸堿改性可以大幅度改善生物炭的比表面積和吸附性能，從而提高對(duì)污染物的去除能力。

2.2 "負(fù)載金屬/金屬氧化物改性

污泥生物炭負(fù)載金屬或金屬氧化物改性，能夠使污泥生物炭兼具生物炭與金屬或金屬氧化物的多重性質(zhì)，增加孔徑、比表面積與官能團(tuán)數(shù)量，并可能賦予生物炭磁性。常用的金屬與金屬氧化物包括Fe、Mn、Al、FeCl₃、FeO及其他金屬氧化物等，它們與生物炭結(jié)合的方法主要為浸漬法、共沉淀法和液相還原法等。鄒意義等^[18]采用FeCl₃改性污泥生物炭并利用制備的Fe-污泥生物炭處理低濃度吡蟲啉（IMI）廢水，研究結(jié)果表明，F(xiàn)e-污泥生物炭的比表面積和總孔體積明顯增大，且含氧官能團(tuán)的數(shù)量增加，因此對(duì)廢水中IMI的吸附能力更強(qiáng)，吸附量為未改性污泥生物炭的1.97倍。可見利用金屬與金屬氧化物負(fù)載到生物炭上可以改變生物炭的表面性質(zhì)，提高對(duì)陰陽離子污染物的去除能力。

2.3 "負(fù)載納米材料改性

生物炭與新型材料（如石墨烯、納米纖維、碳納米管等）的復(fù)合應(yīng)用與結(jié)合是污泥生物炭材料的研究熱點(diǎn)之一。負(fù)載納米材料改性生物炭能夠吸附去除環(huán)境中的重金屬和有機(jī)污染物，改善生物炭的表面性能，增大生物炭的熱穩(wěn)定性。INYANG等^[19]利用碳納米管制備了生物炭納米復(fù)合材料，與未改性的生物炭相比，納米復(fù)合材料具有更高的比表面積和孔隙率。石墨烯和碳納米管等是常用的負(fù)載納米材料，盡管它的成本較高，但使用納米材料能夠顯著增加生物炭的比表面積，因此負(fù)載納米材料改性污泥生物炭仍具有較好的應(yīng)用前景。

2.4 "有機(jī)物改性

利用有機(jī)物對(duì)生物炭改性主要是通過增加生物炭表面的官能團(tuán)來改善其吸附性能，用于生物炭改性的有機(jī)物主要包括乙二醇、乙醇、檸檬酸及甲醇等。JING等^[20]利用甲醇改性生物炭后，生物炭表面羥基和酯基數(shù)量增加，羰基數(shù)量下降，表面氧容易形成氫鍵，有利于提高對(duì)污染物的吸附性能。有機(jī)物改性生物炭增加了生物炭表面羧基、羰基、酯基等官能團(tuán)，對(duì)持久性有機(jī)污染物和陽離子污染物的吸附性更強(qiáng)。

3 "污泥生物炭的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 "污泥生物炭的環(huán)境污染治理應(yīng)用

污泥生物炭在環(huán)境中的應(yīng)用主要是吸附有毒有害污染物。目前，對(duì)重金屬的吸附與固定是污泥基生物炭研究的熱點(diǎn)，As⁵⁺、Cr⁶⁺、Cd²⁺和Pb²⁺等常見的重金屬均能夠被污泥生物炭有效吸附去除。陳坦等^[21]利用Fe₂O₃、ZnO、MnO₂分別對(duì)生物炭進(jìn)行改性，結(jié)果表明，F(xiàn)e₂O₃改性生物炭對(duì)Cd²⁺的吸附性更好，Cd²⁺的去除率可達(dá)86 %。同時(shí)，污泥生物炭還能夠去除廢水中的非金屬和有機(jī)污染物。梁寧等^[22]用污泥制備生物炭去除污水中的磷，磷的去除率達(dá)到最大值84.38%。其次，印染廢水是主要的有害工業(yè)廢水，在印染棉、麻、化學(xué)纖維及其混紡制品等紡織材料中，所產(chǎn)生的廢水經(jīng)物理化學(xué)處理后，水量大，色度高，成分復(fù)雜，且水質(zhì)變化范圍大，處理難度較大。徐波等^[23]采用剩余污泥在不同溫度下熱解制備多種生物炭并對(duì)印染廢水進(jìn)行脫色處理，經(jīng)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，所有污泥生物炭對(duì)印染廢水都具有脫色效果，其中400 ℃熱解制得的污泥生物炭對(duì)印染廢水的脫色效果最佳，證明了污泥生物炭在印染廢水脫色處理應(yīng)用中的潛力。

對(duì)于同時(shí)存在重金屬和有機(jī)污染物的土壤或水體，污泥生物炭可能具有協(xié)同處理能力。JIANG ""等^[24]添加污泥生物炭在豬糞消化池中，結(jié)果表明，生物炭對(duì)磺胺嘧啶和泰絡(luò)菌素的去除率較高，分別可達(dá)70%和100%；同時(shí)與未添加生物炭相比，添加生物炭后消化池中混合液中的Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至7.99%，還原性Zn下降29.20%，殘余As質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高16.60%，由此可見生物炭可以減少重金屬和抗生素的復(fù)合污染。同時(shí)，說明重金屬離子在污泥生物炭吸附位點(diǎn)上的競(jìng)爭(zhēng)可能會(huì)極大地限制污泥生物炭在某些條件下去除有機(jī)殘留物的應(yīng)用，且污泥生物炭之所以表現(xiàn)出具有同時(shí)去除重金屬和有機(jī)污染物的潛力，與其對(duì)金屬離子和有機(jī)化合物的各種活性吸附位點(diǎn)有關(guān)。因此，污泥生物炭被認(rèn)為是一種高效且具有成本效益的吸附劑，可用于各種污染物的去除。

污泥生物炭也被認(rèn)為是一種有效且有前途的吸附溫室氣體的材料。溫室氣體的主要成分是CH₄、N₂O和CO₂，減少這些氣體的排放有利于緩解全球變暖。AWASTHI等^[25]通過加入污泥生物炭2～3天后，可觀察到CH₄、N₂O及CO₂的排放量明顯減少。這種潛力可以通過基于原料化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性來設(shè)計(jì)生物炭進(jìn)行探索。

3.2 "污泥生物炭的農(nóng)業(yè)應(yīng)用

污泥生物炭的添加可以顯著提高土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，從而提高土壤肥力。由于污泥生物炭具有高度豐富的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，因此可以為有益的土壤微生物（如菌根和細(xì)菌）提供避難所，并影響陽離子和陰離子的交換能力。相關(guān)研究結(jié)果表明，施用污泥生物炭可以提高植物生長(zhǎng)產(chǎn)量，改善水質(zhì)，減少養(yǎng)分的淋失，降低土壤酸度，增加保水性，減少灌溉和肥料需求。施用污泥生物炭后，植物對(duì)關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)素的吸收和生長(zhǎng)產(chǎn)量顯著增加，特別是在添加營(yíng)養(yǎng)素的情況下^[26]。

污泥生物炭可以提高土壤養(yǎng)分。土壤中加入污泥生物炭后可以降低土壤酸度，增加土壤電導(dǎo)率和陽離子交換能力（CEC）以及養(yǎng)分有效性。污泥生物炭施用引起的土壤pH升高能夠改善養(yǎng)分有效性，特別是磷和鉀的有效性。當(dāng)土壤中陽離子交換能力提高，氧化的有機(jī)物質(zhì)吸附到污泥生物炭表面上可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)表面電荷，這些都能夠使養(yǎng)分被固定在土壤中以防止淋溶流失。MIERZWA-HERSZTEK""等^[27]采用不同的污泥制備多種生物炭以研究生物炭對(duì)土壤中碳元素含量的影響，結(jié)果表明無論生物炭的類型如何，在生物炭添加量最多的土壤中，碳含量的增加也最高。由于添加生物炭可以改善土壤孔隙度并額外引入微生物生長(zhǎng)所需的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素，從而為土壤中的微生物創(chuàng)造了完美的棲息地，利于微生物的增殖。

污泥生物炭影響農(nóng)作物產(chǎn)量。由于污泥生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán)，添加到土壤中能夠增加土壤肥力，提高土壤的滲透性和離子交換能力及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用率。KHAN等^[28]對(duì)水稻盆栽實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，污泥生物炭作為改良劑不僅增加了土壤的pH、總氮、土壤有機(jī)碳和有效養(yǎng)分，并可以增加地上部分生物量（增長(zhǎng)率71.3%～92.2%）、籽粒產(chǎn)量（增長(zhǎng)率148.8%～175.1%）以及磷和鈉的生物累積。與此同時(shí)，Zn和Cu等高度富集的金屬在植物中有所積累，與土壤相比，As、Pb、Ni、Cd和Cr等重金屬在植物中沒有明顯的積累潛力，由此可見隨著更多的生物炭被添加到土壤中，將有更多的養(yǎng)分可被植物利用，從而對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。污泥生物炭在減少污染物由土壤向水和植物的轉(zhuǎn)移方面也有效果，但污泥生物炭的這種能力受土壤性質(zhì)、溫度和生產(chǎn)原料等因素的影響，所以需要進(jìn)一步研究。

3.3 "污泥生物炭高級(jí)氧化水處理技術(shù)應(yīng)用

近年來，高級(jí)氧化技術(shù)因其對(duì)新型污染物的強(qiáng)大破壞能力而受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注。污泥生物炭作為催化劑在高級(jí)氧化水處理體系中也有應(yīng)用，主要包括光催化、芬頓及過硫酸鹽體系等。

光催化是指在光照的條件下產(chǎn)生氧化還原能力達(dá)到去除污染物的目的^[29]。由于光子誘導(dǎo)的電 ""子-空穴對(duì)的高復(fù)合率、低吸附能力和窄的光吸收范圍^[30]，單獨(dú)使用二氧化鈦的產(chǎn)率有限，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。MIAN等^[31]利用污水污泥和鈦浸漬殼聚糖的共熱解合成新型TiO₂/Fe/Fe₃C混合生物炭復(fù)合材料，作為一種非均相催化劑用于亞甲基藍(lán)降解實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，pH為中性、反應(yīng)時(shí)間為300"min時(shí)，亞甲基藍(lán)的最大吸附能力達(dá)376.9 mg·L^-1。這種簡(jiǎn)單且成本效益高的方法同時(shí)顯示了一種將污水污泥轉(zhuǎn)化為高價(jià)值催化材料的環(huán)保方式及其降解有機(jī)污染物的潛力，特別是光催化劑的典型特征將使其成為非常適合用于凈化污染水的配置和高效光反應(yīng)器。

傳統(tǒng)的芬頓體系由亞鐵離子和過氧化氫的均勻溶液組成，由于亞鐵離子在pH高于4.0時(shí)具有不穩(wěn)定性，導(dǎo)致在高pH區(qū)域的效率極低，從而產(chǎn)生氫氧化物絡(luò)合物或氫氧化鐵^[32]。GAN等^[33]通過芬頓試劑和赤泥（RM）處理污泥餅，熱解制備出含有多價(jià)鐵化合物（Fe⁰、Fe_0.95C_0.05、Fe₃O₄和FeAl₂O₄）的富鐵生物炭，用作降解4-氯酚（4-CP）的高效芬頓催化劑，經(jīng)過5輪連續(xù)降解后，4-CP的去除效率保持100%，均相Fenton反應(yīng)主要在第一輪降解中起作用，非均相Fenton反應(yīng)在隨后的降解中占主導(dǎo)地位。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，污水污泥衍生的富鐵生物炭可以作為一種高效的芬頓催化劑用于難降解有機(jī)物的降解。

活化過硫酸鹽是一種高級(jí)氧化新技術(shù)，氧化效率更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)且成本更低，可廣泛應(yīng)用于廢水消毒、有機(jī)廢水和重金屬?gòu)U水等的處理中。目前國(guó)內(nèi)外已有一些研究污泥生物炭對(duì)硫酸鹽的活化作用，并用來降解難降解的有機(jī)化合物。劉彥禧等^[34]采用PMS作為氧化劑負(fù)載到Mn/Cu改性污泥生物炭中，通過降解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚乙烯醇去除率可達(dá)到96.5%。不僅如此，也有研究結(jié)果表明其他材料也能作為催化劑活化過硫酸鹽并對(duì)廢水中的污染物進(jìn)行去除^[35-37]。

3.4 "污泥生物炭的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用

由于污泥生物炭表面上具有不同類型的芳香環(huán)和氧化還原結(jié)構(gòu)，在不同熱解溫度下制備的生物炭會(huì)表現(xiàn)出不同的電導(dǎo)率和氧化還原性能^[38]，因此污泥生物炭在儲(chǔ)能材料中具有良好的發(fā)展前景。

碳材料是鈉離子電池和鋰離子電池最有前途的陽極^[39]，而生物質(zhì)衍生的碳通常可以提供比石墨更高的容量，因?yàn)樯镔|(zhì)本質(zhì)上具有理想的分子結(jié)構(gòu)，有利于電荷存儲(chǔ)和傳輸^[40]。BAO等^[41]利用含油污泥制備污泥生物炭，并探究了污泥生物炭作為電池正極材料的可行性，結(jié)果表明，進(jìn)行10次放電充電循環(huán)后，熱解溫度分別為500、600、700 ℃下制備所得生物炭的放電比容量依次減少為第一次循環(huán)后的38.4 %、97.3 %和96.9 %，可見700"℃熱解的生物炭在多次電化學(xué)循環(huán)后具有最佳的比容量再現(xiàn)性，能夠保持高放電容量且表現(xiàn)出良好的抗沖擊性，可作為潛在的電極材料。除此之外，不同原料制備的生物炭也能在電極材料方面有著相同的應(yīng)用^[42]。

相變材料（PCM）是一種新型的能量?jī)?chǔ)存物質(zhì)，它能在特定的溫度范圍內(nèi)改變物理狀態(tài)，吸收或釋放大量潛熱。在建筑材料領(lǐng)域，相變材料的應(yīng)用對(duì)于緩解建筑物的高能源消耗和環(huán)境污染非常重要。常用的固-液PCM在固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟倪^程中容易發(fā)生泄漏，將PCM浸漬到多孔材料中則可以起到吸附固定液相的作用。生物炭由于原料獲取便捷、制備過程綠色環(huán)保，因此將生物炭作為載體吸附PCM已成為PCM開發(fā)的研究熱點(diǎn)之一。ATINAFU等^[43]以芒草（MS）、油菜（OS）和污水污泥（SS）為原料，經(jīng)熱解得到生物炭，采用真空浸漬法與有機(jī)PCM（1-十二醇和正十二烷）復(fù)合以增強(qiáng)形狀穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明生物炭顯示出高穩(wěn)定性，OS、SS和MS的重量損失分別為39.3%、33.8%和27.4%，這些特性有助于設(shè)計(jì)形狀穩(wěn)定的PCM。與污水污泥生物炭相比，油菜生物炭微孔高，中孔比例范圍廣，對(duì)PCM包封有顯著影響，這就證明大的微孔/中孔比例有利于對(duì)PCM的高吸附量。生物炭所具有的可承受性、環(huán)境友好性和結(jié)構(gòu)可調(diào)性的特性，對(duì)其在相變儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，已逐漸成為能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換應(yīng)用的研究方向。污泥生物炭作為基體吸附PCM制備復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的研究目前還相對(duì)較少，而其在建筑節(jié)能、可再生能源利用等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用潛力，可以有效減少碳排放量，因此是一種前景良好的污泥生物炭應(yīng)用技術(shù)。

4 "結(jié)束語

當(dāng)前，我國(guó)的污水收集處理取得顯著成效，而污泥的安全穩(wěn)定處置已成為制約污水處理行業(yè)健康發(fā)展的重要瓶頸。隨著碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，未來污泥處理處置應(yīng)以節(jié)能降耗及能源資源回收為目標(biāo)。作為一種高效安全處置污泥的手段，污泥制備生物炭可以提高污泥能源的回收利用，促進(jìn)低碳循環(huán)的綠色發(fā)展，已成為污泥資源化利用的研究熱點(diǎn)之一。從污泥生物炭制備技術(shù)及資源化應(yīng)用的研究發(fā)展現(xiàn)狀來看，污泥生物炭的研究及應(yīng)用還存在一些問題，研究著力點(diǎn)可關(guān)注以下幾方面：

1）現(xiàn)階段污泥熱解/水熱技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，不同反應(yīng)條件和污泥性質(zhì)使反應(yīng)產(chǎn)物和生物炭產(chǎn)品具有一定差異性和復(fù)雜性，導(dǎo)致制備生物炭的技術(shù)應(yīng)用仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，在推廣應(yīng)用上受到了諸多因素的限制，例如污泥生物炭制備過程中產(chǎn)生的熱解氣和熱解油的有效利用途徑尚不明確，避免熱解產(chǎn)物二次污染的工藝條件也不確定，因此應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合理論研究，開發(fā)經(jīng)濟(jì)、綠色和安全的污泥炭化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的協(xié)同提升。

2）由于污泥的來源和組成不同，使污泥生物炭成品性質(zhì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，如何根據(jù)污泥性質(zhì)進(jìn)行制備工藝參數(shù)調(diào)整以提高生物炭產(chǎn)品性質(zhì)的穩(wěn)定性，現(xiàn)有的研究還沒有解決。同時(shí)，污泥生物炭制備工藝標(biāo)準(zhǔn)的確立也是污泥生物炭面向工業(yè)化和市場(chǎng)化需要解決的重點(diǎn)問題。

3）污泥生物炭在多個(gè)領(lǐng)域均有資源化利用研究及應(yīng)用，尤其在農(nóng)業(yè)和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用較多，而作為儲(chǔ)能材料的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用技術(shù)研究則較少。利用污泥生物炭制備復(fù)合儲(chǔ)能材料，既可以實(shí)現(xiàn)污泥固廢資源回收，也可以借助儲(chǔ)能材料的開發(fā)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，從而達(dá)到雙重減碳的效果，對(duì)于相關(guān)工藝技術(shù)、應(yīng)用途徑及手段的研究應(yīng)是今后研究工作的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]"YANG G， HU Y， WANG J. Biohydrogen production from co- fermentation of fallen leaves and sewage sludge[J]. Bioresource technology， 2019， 285： 121342.

[2]"FAN H， LV M， WANG X， et al. Effect of Cr on the mineral structure and composition of cement clinker and its solidification behavior[J]. Materials， 2020， 13（7）： 1529.

[3]"姜瑞勛. 污泥低溫薄層干燥及污染物析出特性研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[4]"QIAN L， WANG S， XU D， et al. Treatment of municipal sewage sludge in supercritical water： A review[J]. Water research， 2016， 89： 118-131.

[5]"GOMES S D C， ZHOU J L， LI W， et al. Progress in manufacture and properties of construction materials incorporating water treatment sludge： A review[J]. Resources， conservation and recycling， 2019， 145： 148-159.

[6]"YUAN H， LU T， WANG Y， et al. Sewage sludge biochar： Nutrient composition and its effect on the leaching of soil nutrients[J]. Geoderma， 2016， 267： 17-23.

[7]"AGRAFIOTI E， BOURAS G， KALDERIS D， et al. Biochar production by sewage sludge pyrolysis[J]. Journal of analytical and applied pyrolysis， 2013， 101： 72-78.

[8]"WANG J， LIU P， LAI F， et al. Pyrolysis of different sewage sludge feedstocks for biochar products： Characterization and application[J]. Journal of Central South University， 2020， 27（11）： 3302-3319.

[9]"王格格，李剛，陸江銀，等. 熱解工藝對(duì)污泥制備生物炭物理結(jié)構(gòu)的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10（12）：7289-7293.

[10]"王同華，胡俊生，夏莉，等. 微波熱解污泥及產(chǎn)物組成的分析[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，24（4）：662-666.

[11]"任正元. 微波熱解污泥過程中產(chǎn)生NH₃和HCN的規(guī)律及影響因素研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[12]"Hu B， Wang K， Wu L， et al. Engineering carbon materials from the hydrothermal carbonization process of biomass[J]. Advanced materials， 2010， 22（7）： 813-828.

[13]"陳麗媛，李大鵬，朱文娟，等. 污泥水熱炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附特性[J]. 環(huán)境科學(xué)，2020，41（4）：1761-1769.

[14]"王定美，王躍強(qiáng)，袁浩然，等. 水熱炭化制備污泥生物炭的碳固定[J]. 化工學(xué)報(bào)，2013，64（7）：2625-2632.

[15]"趙丹，張琳，郭亮，等.水熱碳化與干法碳化對(duì)剩余污泥的處理比較[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38（10）：78-83.

[16]"唐雪嬌，章鵬鵬，徐曹磊，等. 生活污泥炭改性及其吸附性能研究[J]. 南開大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，53（2）：50-55.

[17]"周佳麗，林偉雄，關(guān)智杰，等. 響應(yīng)曲面法優(yōu)化KOH改性污泥生物炭的制備及其強(qiáng)化去除Pb（Ⅱ）的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2022， 42（8）：194-207.

[18]"鄒意義，袁怡，沈濤，等. FeCl₃改性污泥生物炭對(duì)水中吡蟲啉的吸附性能研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2021，41（9）：3478-3486.

[19]"INYANG M， GAO B， ZIMMERMAN A， et al. Synthesis， characterization， and dye sorption ability of carbon nanotube-biochar nanocomposites[J]. Chemical Engineering Journal， 2014， 236： 39-46.

[20]"JING X R， WANG Y Y， LIU W J， et al. Enhanced adsorption performance of tetracycline in aqueous solutions by methanol-modified biochar[J]. Chemical Engineering Journal， 2014， 248： 168-174.

[21]"陳坦，周澤宇，孟瑞紅，等. 改性污泥基生物炭的性質(zhì)與重金屬吸附效果[J]. 環(huán)境科學(xué)，2019，40（4）：1842-1848.

[22]"梁寧，莫福金，周街榮，等. 污泥生物炭制備及其對(duì)磷的吸附性能研究[J]. 無機(jī)鹽工業(yè)，2021，53（6）：174-179.

[23]"徐波，甘雁飛，丁付革，等. 污泥生物炭的制備及其對(duì)印染廢水的處理研究[J]. 水處理技術(shù)，2020，46（7）：67-71.

[24]"JIANG B， TIAN J， CHEN H， et al. Heavy metals migration and antibiotics removal in anaerobic digestion of swine manure with biochar addition[J]. Environmental Technology amp; Innovation， 2022， 27： 102735.

[25]"AWASTHI M K， WANG Q， REN X， et al. Role of biochar amendment in mitigation of nitrogen loss and greenhouse gas emission during sewage sludge composting[J]. Bioresource Technology， 2016， 219： 270-280.

[26]"WOODS W I， FALC?O N P S， TEIXEIRA W G. Biochar trials aim to enrich soil for smallholders[J]. Nature， 2006， 443（7108）： 144-144.

[27]"MIERZWA-HERSZTEK M， GONDEK K， KLIMKOWICZ-PAWLAS A， et al. Sewage sludge biochars management—Ecotoxicity， mobility of heavy metals， and soil microbial biomass[J]. Environmental toxicology and chemistry， 2018， 37（4）： 1197-1207.

[28]"KHAN S， CHAO C， WAQAS M， et al. Sewage sludge biochar influence upon rice （Oryza sativa L） yield， metal bioaccumulation and greenhouse gas emissions from acidic paddy soil[J]. Environmental science amp; technology， 2013， 47（15）： 8624-8632.

[29]"張玉立，常浩，王振，等. 以棉花纖維為模板制備 Fe³⁺摻雜 TiO₂雜化材料及其性能研究[J]. 河南化工，2019，36（11）：23-26.

[30]"JO W K， KANG H J. Titanium dioxide-graphene oxide composites with different ratios supported by pyrex tube for photocatalysis of toxic aromatic vapors[J]. Powder Technology，2013，250：115-121.

[31]"MIAN M M， LIU G. Sewage sludge-derived TiO₂/Fe/Fe₃C-biochar composite as an efficient heterogeneous catalyst for degradation of methylene blue[J]. Chemosphere， 2019， 215： 101-114.

[32]"ZHU N， GU L， YUAN H， et al. Degradation pathway of the naphthalene azo dye intermediate 1-diazo-2-naphthol-4-sulfonic acid using Fenton's reagent[J]. Water Research， 2012， 46（12）： 3859-3867.

[33]"GAN Q， HOU H， LIANG S， et al. Sludge-derived biochar with multivalent iron as an efficient Fenton catalyst for degradation of 4-chlorophenol[J]. Science of The Total Environment， 2020， 725： 138299.

[34]"劉彥禧，李彥成，黃雷，等.改性污泥生物炭催化PMS降解印染廢水中PVA的研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2021（12）：32-38.

[35]"AHER A， PAPP J， COLBURN A， et al. Naphthenic acids removal from high TDS produced water by persulfate mediated iron oxide functionalized catalytic membrane， and by nanofiltration[J]. Chemical Engineering Journal， 2017， 327： 573-583.

[36]"WU Y， PRULHO R， BRIGANTE M， et al. Activation of persulfate by Fe （Ⅲ） species： Implications for 4-tert-butylphenol degradation[J]. Journal of hazardous materials， 2017， 322： 380-386.

[37]"HAMMOUDA S B， ZHAO F， SAFAEI Z， et al. Degradation and mineralization of phenol in aqueous medium by heterogeneous monopersulfate activation on nanostructured cobalt based-perovskite catalysts ACoO₃"（A= La， Ba， Sr and Ce）： Characterization， kinetics and mechanism study[J]. Applied Catalysis B： Environmental， 2017， 215： 60-73.

[38]"BEIYUAN J， AWAD Y M， BECKERS F， et al. Mobility and phytoavailability of As and Pb in a contaminated soil using pine sawdust biochar under systematic change of redox conditions[J]. Chemosphere， 2017， 178： 110-118.

[39]"LOTFABAD E M， DING J， CUI K， et al. High-density sodium and lithium ion battery anodes from banana peels[J]. ACS nano， 2014， 8（7）： 7115-7129.

[40]"YAO Y， WU F. Naturally derived nanostructured materials from biomass for rechargeable lithium/sodium batteries[J]. Nano energy， 2015， 17： 91-103.

[41]"BAO D， LI Z， LIU X， et al. Biochar derived from pyrolysis of oily sludge waste： Structural characteristics and electrochemical properties[J]. Journal of Environmental Management， 2020， 268： 110734.

[42]"ZHONG K， LI M， YANG Y， et al. Nitrogen-doped biochar derived from watermelon rind as oxygen reduction catalyst in air cathode microbial fuel cells[J]. Applied Energy， 2019， 242： 516-525.

[43]"ATINAFU D G， CHANG S J， KIM K H， et al. Tuning surface functionality of standard biochars and the resulting uplift capacity of loading/energy storage for organic phase change materials[J]. Chemical Engineering Journal， 2020， 394： 125049.

Research Progress of Biochar Preparation and Resource Utilization from Sludge

CHU Shuping， MENG Duo， SHAO Wei

（School of Civil and Architectural Engineering， Liaoning University of Technology， Jinzhou Liaoning 121000， China）

Abstract："As one of the most important solid residues of wastewater treatment， sludge contains various toxic and harmful substances. If it"can"be"not treated properly， it may cause great harm to the ecological environment. To meet the urgent requirements of energy conservation， emission reduction， and environmental protection in China， achieving reduction， harmlessness and resource utilization of the sludge has become an important aim for sludge treatment and disposal. Sludge biochar， produced from sludge pyrolysis， performs super features including large specific surface area， rich surface groups and high nutrient content. It has been applied in various fields， such as soil improvement， heavy metal removal， and water treatment. Therefore， the preparation of biochar from sludge has become one of the effective ways for sludge resource utilization. In this article， preparation and modification methods of sludge biochar were summarized， as well as the properties and influencing factors of sludge biochar. The applications of sludge biochar in the fields of environment， agriculture， advanced oxidation water treatment， and energy storage materials were also introduced. Finally， future researches and development prospect of sludge biochar were discussed.

Key words：Sludge biochar;Recycling of solid wastes;Environmental modification;Agricultural utilization;Energy storage materials