固废处置与养分回收：污泥和大薸制备吸附型生物炭增值肥料

本研究中经过MgCl 2 和K 2 CO 3 化学改性和掺混大薸后，污泥生物炭形成了良好的物理吸附结构，富含镁、钾等矿质营养元素，同时丰富了表面官能团，这对污泥生物炭吸附能力产生差异性影响，为后续吸附再利用提供良好基础（图1）。此外，通过分析不同处理污泥生物炭的重金属赋存形态和自持氮磷释放特性，评估了热解后不同处理污泥生物炭的环境安全性和稳定性，结果表明MgCl 2 和K 2 CO 3 改性和掺混大薸联合处理在优化污泥生物炭理化特性的同时也对降低重金属生物利用度和重金属污染有积极的作用。

     

图1生物炭的扫描电子显微镜和元素分布图像（a）、能量色散光谱（b）和傅里叶变换红外光谱（c）

本研究为考察不同处理污泥生物炭对水环境中 PO ₄ ^3- -P 和 NH ₄ ⁺ -N 的吸附特性的影响，分析了不同pH环境下 PO ₄ ^3- -P 和 NH ₄ ⁺ -N 吸附量的差异性、同时运用吸附动力学模型、颗粒内扩散模型和等温吸附模型分析了不同吸附时间和溶液浓度对 PO ₄ ^3- -P 和 NH ₄ ⁺ -N 吸附特性的影响。结果表明改性生物炭可以有效提高对磷酸盐的吸附能力，其中经MgCl 2 改性生物炭在较宽的pH范围内对 PO ₄ ^3- -P 和 NH ₄ ⁺ -N 均表现出良好的吸附性能。同时模型拟合说明 MgCl 2 改性生物炭的吸附过程主要以化学吸附为主，可能外部液膜扩散、表面吸附和颗粒内扩散。而K 2 CO 3 改性生物炭吸附拟合系数均低于0.9，说明虽然 K 2 CO 3 改性的污泥生物炭存在许多孔隙，但高浓度可能会导致孔壁破碎，进而对吸附能力产生负面影响，同时高浓度碳酸钾在促进污泥生物炭形成孔隙结构的同时也将对自持氮磷的活化及释放产生影响，导致其释放的氮磷与吸附液中的氮磷产生对冲从而降低吸附能力。此外，基于Langmuir模型计算， MgCl 2 改性生物炭对氨氮和磷酸盐的理论最大饱和吸附量也均大于 K 2 CO 3 改性生物炭。

此外，为考察吸附 PO ₄ ^3- -P 和 NH ₄ ⁺ -N 后污泥生物炭对其脱附性能的影响，分别分析了不同吸附浓度、不同pH值和释放时间对 PO ₄ ^3- -P 和 NH ₄ ⁺ -N N脱附特性的影响。结果表明吸附质浓度与吸附后污泥生物炭的脱附能力均呈正相关关系，其中 MgCl 2 改性生物炭脱附表现最为显著，其对 PO ₄ ^3- -P 和 NH ₄ ⁺ -N 的脱附量也随着脱附液pH的增加呈先减后增趋势。此外，随着脱附时间从5min增长到1440min，不同处理污泥生物炭对 PO ₄ ^3- -P 和 NH ₄ ⁺ -N 的释放量和累积释放率均逐渐增多，这也为盆栽应用奠定基础。

相较于空白组，施用含有矿质营养元素的钾镁改性污泥生物炭，在促进生菜生长方面表现出良好的效果，但其促生效果仍低于吸附氮磷后的污泥生物炭（图2）。钾镁改性的污泥生物炭拥有良好的物理结构和钾镁矿质营养元素，在优化土壤结构和提 供钾镁 养分方面具有一定积极作用。而氮磷吸附后的污泥生物炭，能够为土壤和植物提供更多的氮磷元素，加之独特的物理结构，可以作为潜在的土壤氮磷复合肥。

   

本研究将污泥与大薸制备成生物炭，显著提高了其利用率。该方法不仅降低了污泥的污染性，还增加了其比表面积，提高了pH值，并丰富官能团。该方法制备的生物炭被证实可有效吸附废水中的氮磷。将吸附氮磷的生物炭施加到土壤中，可改善土壤的理化性质，增加氮磷含量，促进植物生长，具有替代氮磷化学复合肥的潜力。尽管研究证实了这一模式的可行性，但仍需进一步探索污泥生物炭对氨氮磷的吸附机理及其对植物生长的影响机制。值得肯定的是，这种处置模式不仅降低了污泥的危害和解决废水氮磷污染问题，还有助于缓解自然界中氮磷不平衡，促进植物生长，实现了污泥的资源化利用，符合绿色可持续发展的理念。