污泥活性炭协调处理生活垃圾焚烧飞灰的可行性分析

金 苏，胡友彪

(安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

近几十年，伴随着城镇污水处理量及处理效率的逐年提高，活性污泥作为污水处理的副产物产量也在逐年提高，污泥处理成本成为处理厂的一大负担。与此同时，生活垃圾焚烧飞灰作为危险废物，飞灰的无害化处理处置问题同样严峻。因此，利用污泥及飞灰的理化性质，将两种废弃物协同处理，能达到降低成本及废弃物资源化利用的目的。

1 活性污泥及垃圾焚烧飞灰现状

1.1 活性污泥处理现状

污泥是污水在生化、物化处理过程中伴随产生的副产物，在污水处理过程中，约40%～50%的污染物从污水转移到了污泥中。城镇污水厂的污泥基本来源于初沉池和二沉池等工艺环节，剩余污泥即是二沉池产生的泥水混合物。2018全年我国累计产生含水率80%的污泥4646万吨，而2008年这一产量为2200万吨，十年时间增长了2.1倍。我国污泥产量目前仍在以每年约10%的速率在攀升。

污泥的处理处置是污水净化流程中不可缺少的重要环节。当前我国绝大多数污水处理厂仅对污泥施用浓缩、调理、脱水等简单的方法实现减量减容，但后续也无任何稳定化处理就进行了填埋，存在巨大的二次污染的隐患。

1.2 生活垃圾焚烧飞灰现状

近年来生活垃圾在以每年8%～10%的增长率快速增加，到2018年达到了22802万吨。在急剧增加的生活垃圾处理压力下，生活垃圾无害化处理量也在逐年上涨，至2018年，达到22801.8万吨，占生活垃圾产生量的99%。在经济发展初期，生活垃圾无害化处理量远远不能满足生活垃圾处理需求，日益增多的固体废物在许多城市形成了垃圾围城现象，直接破坏了城市市容，同时也在污染着水、土壤、空气环境，对人民身体健康造成威胁。因此对城市生活垃圾进行无害化、减量化、资源化利用是必不可少的。

我国目前绝大部分城市采用垃圾混合收集的方法，垃圾物理组分复杂，焚烧处理方法与卫生填埋及堆肥回田这两种常见的生活垃圾资源化方法相比有明显优势。卫生填埋占地大、易产生更严重环境污染，堆肥回田需对垃圾进行严格分类，减量化、无害化水平低。而焚烧发电因能做到彻底消毒、减容化效果好、资源利用高、占地面积小等优势，正逐渐成为生活垃圾处理的主要方式，与此同时，生活垃圾焚烧产生的副产物飞灰也成为了危害环境健康的一大难题。

2 生物炭的来源及特征

生物炭是生物质在缺氧或者严格无氧的条件下经过相对较低的温度热裂解而成固态产物[2]，化学性质稳定而且微生物无法降解。生物炭来源非常广泛，所有生物质材料，如木屑、作物残渣、果皮、动物粪便等皆可用于制备生物炭[3]。将以上固体废弃物应用于生物炭的制备，不仅可以减少垃圾的产生，而且可以实现资源再利用，使其作为一种吸附材料应用于环境治理当中。

C、H、O、N是生物炭的的重要组成部分，具有以下几个特点：一是生物炭含碳量极高，全碳含量在30%～90%之间。二是生物炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，生物炭比表面积大多在0～520 m2/g之间，这使其具有吸附重金属、降低土壤密度和成为土壤微生物栖息地的性能。三是生物炭p H通常呈碱性，其值范围在5～12，平均为9.15。生物炭内部含有丰富的官能团，因而具有吸附土壤中的氢离子并改良酸性土壤的能力。生物炭的吸附能力取决于在不同条件下制备的材料理化性质的差异，已有研究表明，生物炭制备过程中采用不同原料、不同裂解温度和pH值均会对产物的比表面积、孔径大小及官能团结构产生影响。

3 污泥生物炭的制备

污泥生物炭是以活性污泥为原材料，利用有机物的热稳定性差，在部分或完全缺氧条件下热解生物质材料所产生的黑色富碳颗粒[4]。

3.1 污泥活性炭制备原料

通过生物法去除污水中的污染物其实分为两个过程。一个是在污水处理过程中利用微生物去除可溶性有机物或胶体物质，然而在这个过程中有近一半的污染物集聚到了污泥中。因此另一个过程是将污泥中的有机物进行去除。活性污泥中含有大量有机物、病菌、寄生虫卵、重金属离子等，一般采用高温焚烧、土地利用等方法进行资源化处理[5]。然而这些处理方法或多或少都会为环境带来一些危害。污泥焚烧过程中可能会产生有毒气体及炉渣等物质，造成营养元素损失和重金属富集，且焚烧工艺造价较高[6]。污泥土地利用需要考虑到营养元素、重金属以及相关卫生指标要求，在实际调查实验的基础上，科学的展开污泥土地利用工作对环境是安全的[7]，但长期施用污泥可能会造成Cu、Zn 等污染的风险。

传统的污泥资源化方法对人类健康和环境安全带来的威胁不可忽视，因此，将产量丰富的活性污泥经热解制作成活性炭，是一种行之有效的资源化处理方法。

3.2 污泥活性炭制备过程

污水生物处理过程中产生的大量浓缩、脱水和消化污泥，经炭化和活化后可转化为活性炭[10]。污泥成炭必须经过热解,不同热解工艺所得的活性炭, 性能指标千差万别。传统的热解主要是通过马弗炉等进行一步热解,产物吸附性能较差，实际应用价值低。因此,研究人员将热解与活化过程分开,形成了两步热解工艺,即先炭化,炭化后样品与活化剂混合共同热解[11]。在第一步的炭化过程中，污泥中部分灰分被去除,再活化时活化剂能充分与污泥中的碳接触, 对碳进行开孔，提高活性炭比表面积、改善活性炭吸附性能。

炭化工艺根据其热解温度可划分为低温(250～300 ℃)、中温(400～550 ℃)和高温(550～900 ℃)三种类别。低温炭化只产生生物炭；中温炭化工艺在产生污泥生物炭的同时，也产生热解油和热解燃气；高温炭化工艺产物则为生物炭和热解燃气[12]。

生物炭活化方法主要包括物理活化和化学活化，不同的活化方法会影响污泥活性炭的孔隙和官能团[13]。物理活化法也称为气体活化法，通常是指在惰性气体环境下先将污泥进行高温炭化，除去其中的易挥发组分，使污泥发生热缩聚和热分解反应，而后再在高温下通入水蒸气、空气、二氧化碳或烟道气等氧化性气体，使污泥中没有定型的碳和残留的焦油被氧化分解，从而达到扩孔和开孔的目的[14]。物理活化法对环境影响较小，但所需活化温度高、活化时间长，制得的活性炭孔径分布难以控制，比表面积较小。

化学活化法也称为药品活化法，通过添加NaOH、FeSO4、ZnCl2、H2SO4等化学试剂来达到改变活性炭比表面积的目的。化学活化剂通常在制备前与污泥进行浸渍混合, 在惰性气体保护下加热，利用药品的腐蚀性对污泥中有机质、矿物质进行刻蚀，形成小分子碳氢化合物和水蒸气等逸出，从而形成发达的孔隙结构[19]。化学活化法所需温度较低，但对环境影响较大，对设备的腐蚀性也较大。

4 污泥生物炭吸附重金属原理

污泥生物炭对于重金属的吸附是多种机制共同作用的结果。生物污泥在热解炭化过程中，挥发分减少，使得生物炭形成比表面积较多的多孔结构，生物炭表面结构中的羧基、酚羟基、羰基等丰富的有机官能团[21]，产生较强的物质转换和吸附能力。污泥生物炭对重金属的主要吸附机制有：(1)重金属与生物炭表面相互静电作用；(2)重金属与污泥生物炭表面官能团的络合作用；(3)生物炭表面氧化还原作用。同时，不同条件下制备的污泥生物炭对不同种类、形态重金属的吸附机制存在较大差异，可以通过改变制备方法或对活性生物炭改性，增加重金属吸附容量和吸附选择性。

5 污泥活性炭吸附飞灰中重金属可行性分析

5.1 垃圾焚烧飞灰的基本特性

垃圾焚烧飞灰的主要成分是金属或非金属的氧化物，其次是可溶性盐类。飞灰具有明显的重金属富集特性。在高温炉膛中，容易挥发的金属元素如Zn、Pb、Cu、Cd等挥发进入烟气，冷却后吸附在飞灰颗粒的表面，造成飞灰重金属富集。焚烧飞灰中的重金属短多分布于飞灰表面，如Pb、Zn等易挥发金属由于其本身较大的表面积而倾向于富集在小粒径的飞灰上[27]，其他不易挥发的重金属，大多存在于飞灰颗粒内部稳定的矿物相中[28]。重金属具有毒性大、易被生物富集等提点，严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属的技术可行性分析

飞灰中高含量氯盐和可溶性重金属是飞灰资源化过程中需要解决的关键问题。由于飞灰颗粒表面呈疏松多孔状，导致重金属元素在一定条件下极易从飞灰中浸出，而污泥生物炭对重金属离子有较强的吸附作用，将污泥生物炭与飞灰混合后，采用淋滤、水洗等重金属浸取方式，使飞灰中重金属浸出，浸出的重金属离子与生物炭表面的官能团形成稳定的络合物，降低垃圾焚烧飞灰的浸出毒性与氯离子含量。根据研究发现，人工形成的生物炭留存时间虽然比天然形成的生物炭短，但在土壤中也可以封存百年，远超过一般有机碳的留存时间[30]。活性污泥生物炭的稳定性在一定程度上可以保障其对重金属的稳定效果。

5.3 污泥活性炭、飞灰协同处置需解决问题

(1)协同处置对重金属形态的影响，是否能降低飞灰浸出毒性；

(2)协同处置对飞灰中高含量氯盐的影响，是否能降低Cl-含量，为进一步替代水泥原料资源化提供基础；

(3)现有研究表明，生物炭在某些pH条件下会溶解于环境之中，从而造成二次污染，污泥生物炭对环境中生物的环境毒理学危害需进一步研究；

(4)考虑实现污泥生物炭工业化生产及其生产过程中的成本是否符合实际应用要求。

6 展 望

6.1 飞灰中重金属之间的吸附机理研究

飞灰中重金属组成成分复杂，不同的重金属吸附之间存在协同或拮抗作用，因此，需研究不同制备过程产生的污泥活性炭对重金属吸附影响。

6.2 污泥活性炭制备过程中的环境危害

在制备污泥活性炭的过程中，活性污泥中挥发性有机物会进行高温分解，产生有毒有害气体。加强控制污泥活性炭的制备过程，防止二次污染是必要的。

6.3 污泥活性炭吸附飞灰中重金属最优化应用条件研究

不同的反应温度、添加剂量等都将对重金属吸附结果产生影响[18]，吸附反应产物的资源化利用及其对环境的二次污染问题，这些都是未来的研究中需要关注的问题。