生物炭改善污泥脱水性能及其机理研究进展.pdf

第53卷第2 期2024年2 月生物炭改善污泥脱水性能及其机理研究进展郭毅斌，陈琪，郝宗娣，饶品华，张文启（上海工程技术大学化学化工学院，上海2 0 16 2 0）摘要：介绍了污泥脱水性能的主要影响因素和污泥脱水调理技术,综述了生物炭的特征、改性方法及其单独或与其他方法联合用于污泥调理的研究进展,并对影响污泥脱水性能的相应机理进行了探讨。对生物炭调理技术的发展与应用前景进行了展望，提出深入探究生物炭改性方式以及联合调理方法以进一步提高污泥脱水性能的必要性，以期为生物炭在污泥调理理论研究和工程应用等方面提供参考。关键词：污泥；脱水性能；生物炭；机理中图分类号：TQ424;X703Research progress of biochar to improve sludgedewatering performance and its mechanismGUO Yi-bin,CHEN Qi,HAO Zong-di,RAO Pin-hua,ZHANG Wen-qi(School of Chemistry and Chemical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract:This paper introduced the main influencing factors of sludge dewatering performance and sludgeconditioning technologies,and reviewed the research progress of biochar for sludge conditioning,includingthe characteristics of biochar,modification methods,combined conditioning methods and the mechanismsof improving sludge dewaterability.The prospect of biochar conditioning technology was presented,and itwas suggested that in-depth studies about biochar modification and joint conditioning methods could bedeveloped for providing references for the theoretical research and engineering applications of biochar insludge conditioning.Key words:sludge;dewatering performance;biochar;mechanism我国城镇人口的增长与人民生活水平日益提高致使污水排放量逐年增加。污泥是污水处理过程中产生的副产物2 ,其产量每年都在急剧增长3。污泥含有大量的病原体、有机污染物以及重金属等有害物质4，如果处置不当，就会造成严重的二次污染问题5。同时，污泥富含有机质和N、P等营养物质,具有一定的资源属性。因此,污泥的高效处理与资源化对生态环境保护和物质循环具有深远意义。在污水处理环节，剩余污泥经沉淀浓缩后，含水率仍高达95%。为实现污泥减容化处理，需对污泥进行脱水处理，但污泥中水赋存形式复杂，水结合能高,导致固液分离难度大，进而影响其后续的处理与处置。因此,改善污泥脱水性能是目前污泥处理中的研究热点。1污泥脱水性能的影响因素1.1胞外聚合物污泥是一种由多种物质组成的复杂混合物,其中包含大量的微生物细胞残渣和胞外聚合物（Ex-tracellular polymeric substances,EPS)7。EPS 构成复杂，包括多糖（Polysaccharide,PS）、蛋白质（Pro-收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 5基金项目：上海市“浦江人才”计划项目（19PJ1404100）作者简介：郭毅斌（1996），男，河南商丘人，硕士在读，师从郝宗娣讲师。电话：1356 4392 7 91,E-mail：g u o 112 7 15 16 3.c o m通信作者：郝宗娣（198 8-），女，博士，讲师。E-mail:应用化工Applied Chemical Industry3文献标识码：A文章编号:16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 47 9-0 5tein,PN）、腐殖酸（Humic acid,HA）、核酸（Nucleicacid,NA)等生化成分，占污泥总有机物含量的50%90%。EPS包裹着细胞壁，使微生物聚集,保证了以聚集微生物作为主要成分的三维空间结构不被轻易破坏。污泥颗粒被EPS包裹,EPS为细胞提供了必要的营养物质,阻断了内外水的流动,阻碍了内水的释放，从而使结合水的去除更加困难9EPS的高水化率和絮体间的粘附力也是导致污泥脱水性能变差的原因10 ,另外,EPS 形成的聚合体带有负电荷,颗粒之间产生强静电斥力,难以接近,影响着污泥的絮凝能力、过滤能力以及脱水性能112 EPS在污泥中具有不同的分层结构，每层结构具有不同的有机物理化特性13。EPS包括可溶性EPS（S-EPS）、松散结合型EPS（L B-EPS）和紧密结合型EPS(TB-EPS）。其中,S-EPS 可直接经轻度离心处理去除14,LB-EPS可通过较高强度离心去除，而TB-EPS需要经超声处理后高强度离心方可去除。研究表明15,LB-EPS 是影响污泥脱水性能的主要原因,LB-EPS的增加会将更多的结合水带人污泥絮状物中16 ,且由LB-EPS 组成的松散絮体可以5修改稿日期：2 0 2 3-0 5-2 9Vol.53 No.2Feb.2024480降低固相与水之间的密度差，保持污泥絮体在水中分散的稳定性，使水不易与污泥絮凝体分离，从而降低污泥的脱水能力。TB-EPS的作用是保护微生物细胞不受外界影响，防止其破裂，由于结合强度比较大,所以不易去除17 。但微生物细胞内存在结合水，因此，必须破解TB-EPS来释放细胞内的水分,从而进一步提高污泥的脱水性能18 。除此之外,有研究发现污泥的脱水性能与EPS中PS和PN的含量以及两者的比例有着密切的关系15.19。污泥脱水的难点和决定性因素在于EPS,因此,破解EPS成为提高污泥脱水性能的关键所在。1.2污泥颗粒粒径污泥颗粒粒径对污泥的脱水性能也有一定的影响，污泥的表面电荷及絮凝体的微观形貌等都会影响其粒径分布,进而影响其脱水效果15。研究表明，污泥中含有大量长纤维会使污泥颗粒絮凝，使污泥颗粒的粒径增大，絮凝密度也会相应增大,进而固相与液相之间的密度差也会增大,这种效应有利于污泥的重力沉降和离心的固液分离2 0 。相反的，污泥颗粒粒径过小就会在过滤时堵塞过滤介质的孔隙，使污泥过滤时的阻力增大，进而就会恶化污泥的脱水性能2 11.3污泥流变特性流变特性是指污泥在受到外力作用时，其结构、形状以及流体力学性质发生变化的能力。污泥中物质的性质以及它们之间的相互作用对污泥的流变特性有很大影响。在污泥处理过程中,其物理化学性质会发生变化，流变特性也会随之改变，进而影响污泥的脱水性能2 2 。有研究表明可以根据污泥的流变特性评估污泥的絮凝强度2 3粘度是反映污泥流变特性最常用的指标，它可以反应污泥颗粒之间的相互作用、污泥中微生物絮凝体的稳定性以及污泥絮体的保水能力。污泥越粘稠，流动性就越差，粘度就越大，越不利于脱水。有研究表明，污泥悬浮液粘度的增加主要是由于LB-EPS含量的增加2 41。LB-EPS负载大量的水,因此,LB-EPS含量增加,会大大降低污泥的脱水性能。污泥的性质决定了其较低的脱水性能，直接脱水难以达到很好的效果，严重影响污泥的后续处理和处置2 5。因此，要想改善污泥的脱水效果，就必须在污泥脱水前对其进行调理。2污泥的调理方法污泥的调理方法主要有三种：化学调理法、生物调理法和物理调理法2 6 2.1化学调理法化学调理法是通过向污泥中投加化学试剂以实现污泥深层脱水。然而，这种调理方式会腐蚀脱水设备,且一旦进行焚烧处理，不仅会导致脱水泥饼不完全燃烧，大大降低污泥饼的热量释放2 7 ，而应用化工且会造成二次污染问题，大量资源浪费的同时，污泥的最终处置也会复杂化。2.2生物调理法生物调理法通常是向污泥中投加微生物和营养物质，促进污泥中有机物的降解与转化，从而达到污泥减量化的目的2 8 。虽然微生物调理通过微生物作用可以明显降低污泥中有机质的含量，但微生物调理初期调试时间长，调理过程需要维持一定的条件,耗能大,操作相对复杂，所以并没有被广泛使用。2.3物理调理法物理调理法就是利用物理方式来破坏污泥絮体的结构，从而去除污泥中的游离水和部分吸附水。相比于化学和生物调理法，物理调理法具有低污染以及方便后续处理的优势。其中骨架构建法就是物理调理法的一种常用方法,研究表明，在污泥体系中加入骨架颗粒能够在污泥颗粒间形成排水通道,并降低污泥泥饼的可压缩性，保持泥饼的多孔结构，促进污泥中水分的流出和EPS的释放，从而提高污泥的脱水性能2 9。其中以生物炭作为骨架构建剂不仅能够在污泥处理过程中无污染，而且其来源广、高热值的优势响应了国家可持续发展的政策，因此，近年来成为污泥调理的研究热点之一。3生物炭对污泥脱水性能的影响3.1生物炭生物炭是以废弃生物质为原材料，并在目标温度下无氧热解生成的一种具有多孔结构、高比表面积的富碳固体物质30 。生物炭的原材料来源十分广泛，比如农作物秸秆、树木枝叶、果壳、废弃固体废物等，只要具有一定含量有机成分的生物质都能作为生物炭的原材料313.2生物炭影响污泥脱水的因素3.2.1粒径生物炭粒径是影响调理污泥脱水性能的重要因素之一。较大的生物炭颗粒体积大而质轻,易漂浮于污泥表面，不能与污泥颗粒均匀混合,从而难以起到调理污泥的作用；而较小的生物炭颗粒不仅无法在污泥中构建骨架起到支撑作用，反而容易堵塞过滤介质从而降低污泥的过滤能力，使污泥中的水难以脱除、降低其脱水性能。此外，同一粒径范围的生物炭颗粒也要尽量保证颗粒大小的均匀性，这会影响到污泥泥饼的孔隙率32 生物炭的最佳粒径范围取决于生物质的种类以及污泥的性质,需要由实际调理效果决定。例如,Zhu等3 使用稻壳粉调理污泥时，根据调理污泥的脱水效果,确定110 目（130 m）为生物炭最佳粒径。吴彦等6 利用稻壳粉调理污泥,结果表明，生物炭最佳粒径范围是10 9 150 m。L i 等34 以污泥比阻（Sp e c i f i c r e s i s t a n c e t o f i l t r a t i o n，SRF）和泥饼含水率第53卷第2 期（Wa t e r c o n t e n t，W。）为评价指标，通过大量实验得到,生物炭颗粒粒径范围为0.15 0.3mm时,调理污泥的SRF和W。降低最多。3.2.2投加量生物炭投加量也是影响调理污泥脱水性能的重要因素。与生物炭粒径一样,生物炭投加量也有最佳值，并且该最佳值和生物质的种类、污泥的性质密切相关。在一定范围内，污泥的脱水性能会随着生物炭投加量的增加而提高。因为向污泥体系中投加的生物炭越多，生物炭在污泥中的分布就会越均匀，进而越有利于其在污泥里面形成多孔结构2 7 。但是，当生物炭的投加量过多，超过一定范围后，不仅使调理效果恶化，而且还会增加污泥饼的质量35。陈斌等36 在污泥中投加60%DS（污泥干重）木屑后，污泥泥饼质量增加了10.74%；当投加木屑的量达到10 0%DS时，污泥泥饼质量的增加幅度达到了2 8.2 4%。这是因为木屑本身就有很强的吸水性，向污泥体系中投加的木屑越多,木屑吸收的水量也会越多,这些水会随着木屑进入泥饼中，导致泥饼质量明显增加，而且这些水很难去除，这也是污泥中水分去除量降低、泥饼含水率下降不明显的原因。Guo等37 利用改性稻秆生物炭调理污泥,结果表明，当生物炭的剂量为0.3g/gDS时,污泥的SRF、C ST(毛细吸水时间)以及泥饼含水率都有效降低,Y（污泥净产率）相应增加。李菲等38 在生物炭协同Fenton处理污泥的研究中，确定稻壳生物炭的最佳投加量为50 0 mg/gDS。Wu 等2 9 在FeCl,改性稻壳生物炭调理污泥的研究中得到生物炭的最佳投加量为6 0%DS。综上,不同生物炭材料在调理污泥时的最佳添加量不同，需要根据实际调理效果确定。随着人们对生物炭材料在污泥脱水方面的研究,发现单独使用生物炭调理污泥并不能显著提高污泥的脱水性能。因此，人们将注意力放在了生物炭的改性以及与其他方式联合调理上，以进一步改善污泥的脱水性能。4生物炭在污泥脱水方面的研究进展4.1改性为提高生物炭性能，研究人员采用了多种方法来改性生物炭。生物炭的改性分为物理改性和化学改性,其中化学改性的应用范围更广泛。在污泥脱水中，生物炭的化学改性包括无机试剂改性与有机试剂改性,其中以无机试剂（包括酸、碱、金属盐溶液)改性为主。改性处理可以改变生物炭的表面官能团,进而改变其性质。酸改性的主要目的是去除生物炭表面的杂质，从而改善其表面性质，而金属盐溶液改性生物炭目的是将金属离子附着在生物炭表面。酸与金属盐溶液可联合改性生物炭以改善其性能,进而提升对污泥的调理效果。Guo等37 将稻草生物炭于郭毅斌等：生物炭改善污泥脱水性能及其机理研究进展升污泥的脱水性能。5生物炭影响污泥脱水性能的机理作为一种物理调理剂,未经改性的生物炭单独投加到污泥中，其主要作用是骨架支撑6.47 。向污泥中投加生物炭后，污泥絮体变得疏松，泥饼可压缩性降低,同时增加了污泥脱水时的排水通道,进而提高了污泥的脱水性能。但未经改性的生物炭调理污泥只能去除污泥絮体外的游离水，无法影响到污泥体系中大量结合水的分布，因此对污泥脱水效果的改善有限。故为了进一步改善污泥的脱水效果,需要对生物炭进行预处理，进而改善生物炭的表面性能，于是便对生物炭进行了一系列改性措施。改性生物炭除骨架构建作用外,还可以打破部4811 mol/L的盐酸中浸泡12 h后,用AlCl,溶液对其改性,污泥经改性生物炭调理后，脱水性能显著提高。Wu等2 9 利用FeCl,溶液改性经1mol/L盐酸处理后的稻壳生物炭调理污泥，很大程度提高了污泥的脱水性能。Rashmi HR等39 在改性椰子壳生物炭时,先于2 mol/L的盐酸中浸泡2 4 h,后用FeCl,溶液对其改性,结果表明，污泥经改性生物炭调理后，CST和泥饼含水率明显下降。而采用碱改性生物炭，是为了增加其比表面积140 41），从而提升生物炭材料的表面性能。碱改性处理中经常使用的试剂是NaOH与KOH,且与 KOH相比,NaOH 的腐蚀性更小且更经济。Guo 等42 改性玉米芯粉时,先将玉米芯粉于2 mol/L的NaOH溶液中浸泡0.5 h,再经溴化十六烷基三甲铵处理，污泥经改性玉米芯粉调理后脱水泥饼的含水率明显下降。4.2生物炭联合其他方式调理污泥在污泥体系中加人生物炭材料虽然可以降低污泥的可压缩性、增加污泥中水分的排出通道，但由于生物炭不能破解污泥中的EPS以及微生物细胞,故无法释放污泥中的结合水；利用某些化学试剂或者某些化学反应调理污泥,虽然可以破解EPS以及微生物细胞并使其中的结合水释放出来，但却增加了污泥的可压缩性，高压过滤过程中极易堵塞排水通道,最后污泥中的水分还是不易流出。因此,研究人员利用生物炭协同其他方法调理污泥，使污泥脱水的效果进一步得到改善。例如,郑西朋等43 和李菲等38 利用生物炭与Fenton氧化技术联合处理污泥,结果显示，污泥SRF和泥饼含水率均明显降低，Y显著增加。Tao等44 通过污泥中富铁生物炭引发的均相和非均相芬顿反应有效改善了污泥的脱水效果。Guo等45 采用生物炭活化过硫酸盐氧化的方法提高了污泥的脱水性能。Wu等46 利用生物炭联合铁酸盐调理污泥，使污泥的过滤性能显著提升，污泥泥饼含水率大幅度下降。综上所述,生物炭材料与其他方式联合应用，可以显著提482分污泥絮体，使污泥体系中最难处理的TB-EPS裂解,转化为容易去除的S-EPS,同时使TB-EPS中的结合水释放到污泥滤液中，从而明显提高污泥的脱水性能2 9.2 。这是因为污泥体系具有电负性48 ，生物炭经改性后，表面会负载阳离子，如经AICl，改性的生物炭表面会负载大量带正电荷的金属铝离子37 ,污泥调理过程中会与带负电荷的污泥颗粒发生电荷中和,增加污泥的Zeta 电位,从而降低污泥颗粒之间的排斥力，提升污泥的絮凝能力49。同时,Zeta电位的增加会使污泥中难以处理的EPS裂解,并促进结合水的释放,同时在生物炭本身的骨架构建作用下快速脱水，从而显著提高污泥的脱水性能。对生物炭的研究也未局限于改性,经过不断研究发现，生物炭材料与其他污泥调理方式联合使用可以更有效地改善污泥的脱水效果。这是因为生物炭与其他方式联合调理污泥可以更大程度地破解污泥絮体以及污泥中的EPS,释放大量结合水,并在生物炭的骨架作用下顺利排出，从而大幅度提高污泥的脱水性能43。如Guo 等42 将改性玉米芯粉与污泥基生物炭相结合,对污泥的脱水性能有了明显地改善。这是因为污泥基生物炭加人污泥后形成了多孔网状结构,这种网状结构可以降低污泥絮体的可压缩性，并构建通道,以允许改性玉米芯粉进人，改性玉米芯粉上负载的阳离子可以中和污泥颗粒所带的负电荷，从而降低污泥颗粒间的排斥作用,增强污泥的絮凝能力,进而提高其脱水性能。6总结与展望以提升脱水性能为目的的污泥调理方法众多，各有优点和缺点，而骨架构建是当下的研究热点。我国是一个农业大国，每年的农作物等废弃生物质大量堆积,处置不当也会给环境带来负面影响。综合污泥与废弃物的问题，以生物炭作为调理剂处理污泥的研究可以同时缓解这两个严峻的问题，达到“以废治废”的目的。基于生物炭本身的性质,且可对其进行改性或联合其他方法用于污泥调理，因此将生物炭在污泥脱水领域必将得到广泛应用。生物炭改性方式可以被不断优化,而与生物炭联合调理的方法也可以不断发展创新，因此，生物炭在污泥调理方面应用潜力巨大。未来会有大量针对污泥脱水性能改善的新技术得以发展,生物炭用于污泥调理的相关研究范围也将不断扩大。加之我国产量巨大的生物质废弃物能够作为生物炭的来源，必将有更为广阔的工程应用前景。参考文献：1 ZZHOU G,GU Y,YUAN H,et al.Selecting sustainabletechnologies for disposal of municipal sewage sludge u-应用化工sing a multi-criterion decision-making method:A casestudy from China J.Resources,Conservation and Recy-cling,2020,161:104881.2陈思，沈哲，杨亚萍，等.不同预处理技术对污泥深度脱水的影响J.应用化工，2 0 2 2，51（11）：340 9-3414,3418.3WEI L,ZHU F,LI Q,et al.Development,current stateand future trends of sludge management in China:Basedon exploratory data and CO,-equivaient emissions analy-sis J.Environment 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