第1章 农村和城市固体废物资源化制备生物炭
引言
1993 年 Seifritz[1]提出了将生物质转化为生物炭的设想，随后在 2006 年，Marris[2]对该设想进行了理论研究，其发表的相关论文在学术界引起了广泛关注。随着认知的完善和技术的革新，生物炭技术得到了不断发展。
生物炭是一种碳含量丰富的固体材料，是由生物质原料在限氧条件下热转化所制备出来的。随着研究的深入，越来越多的有机质被应用于生物炭的制备，如常见的草本乔木、作物秸秆、厨余垃圾、动物粪便和剩余污泥等。农村和城市在生产、生活等活动中产生的固体废物具有种类多、难处理的特点，研究表明固体废物可作为制备生物炭的潜在原材料，其合理转化以便再次利用是实现废物资源化的可靠且对环境友好的方法。
生物炭具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积、种类丰富又稳定的官能团，因而在土壤改良和修复、水体污染的修复和水体资源的回收以及固碳减排、能源领域等方面有着广泛的应用和卓越的贡献，这主要在于其能影响碳转化、减轻有机物和重金属污染、改变微生物生理活动和分布等[3]。生物炭的理化性质是影响其对污染物修复效果的关键因素，而制备方法和原材料又是影响生物炭自身性质的主要因素，故研究生物炭的制备方法和原料对于探索、改善生物炭性能具有深远意义。
目前生物炭的制备技术有了较为完善的发展，根据其应用场景，不同的方法均可制备出具有良好性能的生物炭。生物炭制备技术不断完善的原因在于，针对不同种类、不同性质的固体废物，以及不同的应用对象、场景和处理目标，需要寻求*佳的制备方法。日趋复杂的多样污染问题对生物炭的性能提出了更高的要求，为了进一步提高生物炭的性能，在生物炭原有制备方法的基础上可采用不同手段对生物炭进行改性，制备出生物炭基复合材料，以满足针对不同污染物的处理和修复效果提升的需求。生物炭的应用除了要考虑其自身的性质和性能外，还需考虑资源转化率，以及制备过程的能源消耗和资金投入，做到真正的资源*大化利用和环境友好。
1.1 农村和城市固体废物概述
近年来，人类在追求经济高速发展的同时忽略了对环境资源的保护，其引发的一系列环境问题不仅打破了大自然原有的平衡，还在一定程度上阻止了经济的进一步发展，故而环境问题一直受到公众的重视。作为“三废”之一的固体废物因其与普通百姓的生活息息相关，其处置现状也一直是热点环境话题。固体废物是指在生产和生活的活动中失去了其原有使用价值或虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的物质，随着环境科学的发展，一些不符合绿色循环经济原则、不符合法律和行政法规所规定的物品也被纳入固体废物的范畴[4]。固体废物按照产生区域可以划分为农村固体废物和城市固体废物。
1.1.1 农村固体废物
我国是农业大国，农村地区是农林生产活动聚集的地方，在农作物种植、收获和加工过程中均有废物产生，如秸秆、枯树枝、蔬菜叶、果皮等[5]。近年来，随着种植技术、灌溉技术等相关农业技术的普及应用和发展，我国粮食产量稳步上升，2020年的粮食总产量稳步扩大到6.695亿t。粮食总产量增加必定伴随农副产品的数量的增加。其中，秸秆是当前农村地区固体废物的主要组成部分。秸秆中含有丰富的有效肥力元素和大量的有机物，因而秸秆是一种可再加工利用的原材料。一方面，秸秆数量庞大，其产量具有季节性的特点，加之秸秆储存需要一定的场所；另一方面，农村地区居民环保意识缺乏，故而对秸秆进行再利用仍是不小的挑战。
人民日益增长的美好生活需要使得人们在拥有更多的可支配收入的同时也越来越重视生活品质，在吃饱饭的基础上也更加注重饮食的合理搭配和营养均衡。近年来，人们对于肉、蛋、奶类制品的需求不断上升，从而促进了农村养殖业的发展。禽畜饲养过程中剩余的饲料、防虫害药物的包装和禽畜排出的粪便均是农村固体废物组成的一部分。
农膜是农民进行农业生产时必不可少的工具，主要是为了在恶劣的天气条件下保证农作物的产量，满足人们对于反季节果蔬的饮食需求以及名贵花卉盆栽的养护要求。同时因为农膜的使用可以降低除草剂的用量，减少肥料流失并提高作物水分利用效率[6]，所以农膜在农村地区也得以广泛使用。尽管可降解农膜的研发已有不小进展，但由于成本和市场管理的问题，目前农村地区所用的农膜一般为聚乙烯材料，质量参差不齐，易老化、易破损，多为一次性使用后便丢弃[7]，因此农村地区的农膜污染问题也十分严重。此外，化肥、农药使用后剩下的包装也是农村固体废物的主要组成之一。
近年来，国家大力推进“三农”工作，越来越多的乡镇企业进驻农村地区，在给农村地区带来更多就业岗位的同时也对农村地区造成了一定的环境污染。例如，纺织厂丢弃的废纤维、废橡胶、废塑料、废纺纱等固体废物，交通运输过程中会产生轮胎、塑料、陶瓷、边角料等固体废物。因为农村地区地广人稀，地价便宜，我国的垃圾填埋场都会选址在郊区或远离人群集聚区的地方，在运输和填埋过程中由于设备问题和操作失误也会造成一定的污染。此外，农村居民日常生活活动中产生的厨余垃圾、编织品、人畜粪便、废旧用具、废旧电器、纸屑、煤炭渣、建筑材料等也是农村固体废物的来源之一（表1-1）。
表1-1 农村固体废物的类别和主要组成物
城市生产固废的产生与城市工业化水平相关。城市内工业部门种类越多，产生的固体废物种类就越繁杂。工业部门种类按劳动力、资金、技术这三个要素在工业中的密集程度可分为劳动密集型工业、资金密集型工业、技术密集型工业和资源密集型工业。按照工业类型又可做出更细的划分，例如，金属冶炼业会产生下脚料、尾矿、炉渣等固体废物，服装产业会产生废线头、废纤维织品等固体废物，食品加工业会产生腐烂肉食果蔬、骨架等固体废物。随着科学技术的不断发展，工业部门的结构日趋复杂，工业部门种类划分也日趋详细，生产活动中产生的副产物种类和数量也日趋上升。新型固体废物的出现，给固体废物的处理处置和环境保护带来了一定的压力。
由于城市化进程的不断发展，服务于城市居民生活的各种公共基础设施建设也优于农村地区，如常见的道路、桥梁、河道、隧道、污水处理厂、垃圾处理处置场地以及城市绿化等。城市生活垃圾除了厨余垃圾外，还包括旅游业、服务业、企事业单位、公共区域和各种市政工程建设以及使用过程中丢弃的固体废物，如废纸屑、废塑料、废旧家用电器、废建筑材料和污水处理厂剩余污泥等。
1.1.3 处置现状
1. 农村和城市固体废物处置现状
在农村地区，秸秆和农村生活垃圾是农村固体废物处理处置的主要部分。近年来，由于农村城镇化进程的推动和经济技术的发展，以及农村产业结构的转变、农村人口的下降和农村能源消费结构的调整，秸秆产量出现季节性、区域性和结构性的特点[8]。在秸秆回收处理过程中，部分农村居民采用焚烧处理或直接丢弃的方法。焚烧过程产生的污染物易造成严重的空气污染[9]。据统计，2017年我国秸秆理论总量达10.2亿t，其中玉米、小麦和水稻的秸秆量分别占总量的42.2%、23.5%和17.6%[10]。全国可收集的秸秆资源总量为8.4亿t，其中秸秆还田、用作畜禽饲料、农家燃料和沼气发酵的原材料、编织品、仿木材料以及造纸原料等，使得秸秆的综合利用率超过83%，但就其应用的广度和深度方面仍需进一步探究。
然而，畜禽粪便作为农村养殖业的主要副产物，受经济和耕地的限制，不同地区禽畜粪便的承载能力有所不同。例如，耕地资源紧张的人口密集区域对于消纳禽畜粪便的能力十分有限，而人口密集区往往对于肉、蛋、奶类制品的需求很大[11]。将禽畜粪便作为原料制作商品有机肥是养殖业固体废物资源化与综合利用的方法之一。制作商品有机肥，既能促进禽畜粪便中的氮、磷元素循环，又能通过物流运输系统消除禽畜粪便量的区域间差距[12]。
农膜的使用从客观上提高了农作物的产量，也间接提高了农民务农的积极性，从而使得农民的收入得以提升，对于脱贫攻坚具有一定的意义。但是残留农膜会对土壤环境产生危害，农膜残留时间越长，土壤耕作能力就越容易丧失。当前农膜的回收和再处理仍缺少系统的解决办法。平原地区的农膜已逐步推广机械捡拾，但在山区，农膜的回收仍靠人工捡拾。农膜一般为聚乙烯材料，难以生物降解，将其再生为塑料颗粒的制作原料，具有较好的经济效益和环境效益。
农村生活垃圾的种类、产量与当地居民的生活水平相关，其处理近年来逐步受到重视。农村地区相对于城市地区而言，生活垃圾的管理仍处于相对无序的状态。但随着国家加大对农村环境的整治，农村地区生活垃圾的收集和处理状况得到有效改善。农村生活垃圾处理方法与城市生活垃圾处理方法类似，包括好氧堆肥、厌氧消化、焚烧和卫生填埋等。好氧堆肥作为有机固体废物应用*为广泛的处理方法，利用微生物在中高温和其他人为控制条件下将有机固体废物进行分解并产生腐殖质，一般经历潜伏阶段、中温阶段、高温阶段、腐熟阶段四个过程。堆肥化完成后的产品可当作肥料施加于农田。厌氧消化是利用厌氧微生物在厌氧条件下将固体废物中的有机物*终转化为小分子无机物和甲烷气体的过程。关于城市下水道硬化油脂沉积物、剩余污泥和厨余垃圾等固体废物的厌氧消化过程已有大量研究[13-15]。生活垃圾中含有大量有机质，具有一定的热值，故而焚烧是处理生活固体废物以实现高温分解的常见方法。焚烧处理具有减量化和无害化的优点，焚烧过程中释放出来的热量还可用于发电和供暖[16]。但是焚烧处理对设备的要求高，条件控制不当会产生二 英、硫化氢等有害气体，影响空气质量和危害人体健康。随着人们认知的改变和技术的发展，需要采取一定的技术措施来防止填埋时产生的有害物质进入环境介质造成污染。卫生填埋对填埋场地的土壤土质、水文条件等方面有一定的要求，同时生活垃圾在填埋过程中受微生物活动的影响会产生渗滤液和恶臭气体，这些副产物对环境和人体均会造成不同程度的伤害，因而填埋场的渗滤液收集系统和防渗结构在设计时需要达到一定的规范标准。在耕地资源如此紧张的情况下，填埋场的使用年限和占地面积也是限制该处理技术发展的要素。
工业固体废物产生于工业活动生产中，由于工业化进程的不断发展，工业部门种类越来越多，由此产生的工业固体废物种类繁多、成分复杂，其中还包含着危险固体废物，不对其进行处理将会对环境造成严重污染。工业固体废物的资源化与综合利用是降低工业固体废物的生态环境风险，提高其附加值并实现资源循环利用的方法，已有不少报道在这方面进行了深入的探讨[17， 18]。
2. 常用的生物炭原料
1）厨余垃圾
厨余垃圾是各种动物性、植物性和富含碳水化合物食品的混合物，所占比例分别为33%、50%和17%。近年来，不少科学家利用厨余垃圾制作生物炭并探究其应用的可行性。Lykoudi等[19]以咖啡渣为原料，在850℃高温下热解合成生物炭，得出咖啡渣生物炭具有较高的比表面积和微孔率，并探究了所得生物炭作为催化剂活化过硫酸盐降解磺胺甲 唑的性能。Yu等[20]利用虾壳作为原材料制备生物炭，发现其对三种典型芳香族有机物具有良好的吸附能力，虾壳生物炭的层次化孔结构是其快速吸附的关键，而石墨化结构是实现其高吸附能力的关键。通过处理实际水体的研究证明，虾壳活性炭对制药废水的处理效率高，具有实际应用的可能性。
2）城市剩余污泥
污泥作为污水处理过程中产生的副产物，其组成一般随着污水中含有的污染物和相应处理工艺的不同而有所差异。一般来说，污泥中包含了各类重金属、病原菌和复杂的有机物等。污泥中包含的大量有机物为污泥的资源化利用提供了可能性。刘亚利等[21]利用氨水对以市政污泥为材料制备的污泥基生物炭进行改性处理，探究了*佳的改性条件，并将*优条件下制备的改性污泥基活性炭应用于焦化废水的吸附性能测试中。结果表明，用质量分数为15%的氨水，改性时间达8h的条件下制备出的*佳改性污泥基活性炭pH为8，当吸附时间为80min，投加量为60g/L时，对水中挥发酚和氰化物的去除率均达到65%以上。赵晶晶[2
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