Обзор Биоуголь, полученный из осадка сточных вод для улучшения состояния окружающей среды

1
Водные исследования X
Доступно онлайн 17 января 2023, 100167.
В прессе, журнал Pre-proofЧто такое статьи Journal Pre-proof?
Обзор
Биоуголь, полученный из осадка сточных вод для улучшения состояния окружающей среды:
достижения, проблемы и решения
Лэй Чжао
1#
Чжун-Фан Сунь
1#
Сяо-Вэнь Пань
2
Цзин-Янь Тан
1
Шань-Шань Ян
1
Цзе-Тин У
4
Чуань Чэнь
1
Юань Юань
3
Нань-Ци Жэнь
1 1
Государственная ключевая лаборатория городских водных ресурсов и окружающей среды, Школа окружающей среды, Харбинский технологический институт, Харбин, 150090, Китай
2
Power China Huadong Engineering Corporation Limited, Китай
3
Колледж биологической инженерии, Пекинский политехнический институт, Пекин, 10076, Китай
4
Школа окружающей среды, Ляонинский университет, Шэньян, Китай
Доступно онлайн 17 января 2023 года. https://doi.org/10.1016/j.wroa.2023.100167 Получить права и контент
Основные моменты
• Был всесторонне рассмотрен текущий статус применения биоугля для осадка.
• Были обсуждены механизм и мощность шламового биоугля.
• Были обобщены основные проблемы применения биоугля в шламе.
• Предложены стратегии преодоления барьеров применения биоугля в осадок.
Реферат
С быстрым ростом выхода глобального осадка сточных вод рациональные и эффективные методы очистки и удаления становятся все более необходимыми. Подготовка биоугля является привлекательным вариантом для очистки осадка сточных вод, отличные физико-химические свойства биоугля, полученного из осадка, делают его привлекательным вариантом для улучшения состояния окружающей среды. Здесь было всесторонне рассмотрено текущее состояние применения биоугля, полученного из осадка, и были описаны достижения в области механизма и способности биоугля осадка в удалении загрязнителей воды, восстановлении почвы и сокращении выбросов углерода с уделением особого внимания ключевым проблемам, например, возможным экологическим рискам и низкой эффективности. Был выделен ряд новых стратегий преодоления барьеров применения биоугля в шламе для достижения высокоэффективного улучшения состояния окружающей среды, включая модификацию биоугля, копиролиз, отбор сырья и предварительную обработку. Идеи, предложенные в этом обзоре, будут способствовать дальнейшему развитию биоугля, полученного из осадка сточных вод, в целях устранения препятствий в его применении в целях улучшения состояния окружающей среды и глобального экологического кризиса.
Ключевые слова
Шламовый биоуголь
Улучшение состояния окружающей среды
Прикладные барьеры
Стратегии и перспективы
1. Введение
С развитием мировой экономики и урбанизации осадок сточных вод как основные твердые отходы городских очистных сооружений ежегодно увеличивается. Например, только в 2021 году общий объем шлама в Китае достиг 80,6 млн тонн (
China 2021
). По оценкам, к 2025 году годовой объем осадка может превысить 90 миллионов тонн (
Zhang et al. 2020d
). Согласно определению Агентства по охране окружающей среды США (EPA) (
USEPA 2007
), осадок сточных вод является многоразовым, поскольку он богат органическими веществами, питательными веществами и различными отходами биомассы, содержащими микроэлементы. Тем не менее, с другой стороны, осадок сточных вод содержит патогены и загрязнители тяжелых металлов, а также большое количество токсичных органических химических веществ, которые вредны для человека и экологической системы. При неправильном обращении он может привести к серьезному вторичному загрязнению окружающей среды. В настоящее время наиболее широко используемые методы обработки осадка включают биологические технологии (анаэробное сбраживание, аэробное компостирование), обезвоживание и сушка. Конечными пунктами назначения утилизированного шлама были сельскохозяйственное использование, свалки и строительные материалы.
В таблице 1

2 показано, как утилизируется осадок сточных вод в Европе, Америке и Японии. Как видно, превращение шлама в ресурсы является будущей тенденцией в этих областях и во всем мире.
Таблица 1. Очистка и утилизация осадка сточных вод в разных странах
Стран
Статус утилизации
Ударные условия
См.
Европейский
Союз
Основными методами обработки, используемыми в ЕС, являются методы биостабилизации, обезвоживания и сушки. Более 50% осадка стабилизируется анаэробным сбраживанием, при этом Великобритания достигает 66% переваривания, а Германия достигает 100% стабилизации осадка. При окончательном удалении осадка преобладают землепользование и использование ресурсов после сжигания, при этом доля свалок продолжает снижаться.
Содействовать сельскохозяйственному использованию осадка для предотвращения воздействия ила на почву, флору и фауну и здоровье населения.
(
Левидов и Раман
2019
)
США
Почти 60% осадка стабилизируется аэробным компостированием или методами анаэробной ферментации и используется для производства удобрений из биомассы, а остальная часть сжигается и сбрасывается на свалку, а небольшое количество используется для восстановления шахт.
Производство шлама является высоким, правила, как правило, поощряют сельскохозяйственное использование, а концентрации загрязняющих веществ строго контролируются.
(
Стил и др., 2022
)

3
Стран
Статус утилизации
Ударные условия
См.
Япония
Обработка осадка основана на анаэробном сбраживании, компостировании и плавлении, а в последние годы утилизация была основана на безвредном использовании в садах или зеленых насаждениях, а зола от сжигания превращалась в твердый кирпич или строительные материалы.
Земельные ресурсы ограничены, а стандарты ограничения тяжелых металлов являются строгими.
(
Ван и
Накакубо
2022
)
Биоуголь представляет собой простой в приготовлении пористый материал с ароматической составной структурой. По сравнению с традиционным сжиганием / сжиганием, которое требует более высокой температуры (300 °C ∼ 1000 °C) и значительных затрат энергии, гидротермически обработанный шлам является предпочтительным из-за более низкого потребления энергии, более высокого выхода и содержания кислородсодержащих функциональных групп (
Chen et al. 2021
). Предыдущие исследования также показали, что пиролиз осадка имеет большие преимущества перед сжиганием в снижении загрязнения тяжелыми металлами при температуре пиролиза ниже 600 °C (
Chen et al. 2020
).
На свойства биоугля, полученного из осадка, обычно влияют такие факторы, как содержание влаги, температура пиролиза, время пребывания, скорость нагрева и т. д. (H
an et al. 2022
,
Hu et al. 2022
,
Sun et al.
2022b
).
Gaur et al. (2020)
отметили, что содержание углерода значительно снижается с увеличением времени удержания при каждой тестируемой температуре.
Zheng et al. (2019a)
показали, что с повышением температуры реакции летучие вещества явно уменьшались. Например, при повышении температуры пиролиза с 300°С до 700°С выход шламового биоугля снижался с 91,1% до 81,2% (
Zhang et al. 2022b
).
Кроме того, недавние исследования показывают, что улучшение температуры пиролиза обычно приводит к увеличению площади поверхности биоугля. При повышении температуры пиролиза с 500°С до 900°С пористость биоугля увеличивается с 0,056 см
3
/г до 0,099 см3/г, а удельная площадь поверхности увеличивается с 25,4 см
2
/г до 67,6 см
2
/г (
Patel et al. 2020
). Это явление следует отнести к тому, что смола, образующаяся при низких температурах, прилипает к поверхности биоугля и блокирует поры, в то время как смола постепенно разлагается при повышении температуры, тем самым ускоряя скорость образования пор и увеличивая удельную площадь поверхности (
Zhang et al. 2022a
). В то время как в некоторых случаях удельная площадь поверхности и пористость уменьшаются при повышении температуры пиролиза. Это может быть связано с плавлением и разрушением стенки пор при чрезмерно высоких температурах.
Подобно удельной площади поверхности и пористости, рН биоугля также изменяется с изменениями температуры пиролиза и материалов. Значение рН биоугля оказывает значительное влияние на его функцию в качестве адсорбента для удаления загрязняющих веществ. Когда биоуголь используется для удаления загрязняющих веществ из воды, значение рН раствора значительно влияет на поверхностные заряды биоугля. При более высоких температурах пиролиза щелочь в осадках сточных вод высвобождается из структуры, а кислородсодержащие функциональные группы разлагаются, что приводит к уменьшению числа кислотных функциональных групп (
Wang et al. 2019
). Также сообщается, что на значение рН биоугля более существенно влияет степень его ароматизации (
Khan et al. 2020
). При повышении температуры пиролиза щелочность органических анионов в биоугле также увеличивается. Вышеуказанные изменения свойств биоугля также влияют на высокую адсорбцию биоугля. Например,
He et al. (2022)
обнаружили, что тонкий биоуголь (с большой удельной площадью поверхности) обладает значительно более высокой адсорбционной способностью NH4+-N, чем средний и грубый биоуголь. Однако
Lee et al. (2022)
обнаружили, что адсорбционная способность анионов уменьшается с увеличением рН, в то время как адсорбционная способность катионов увеличивается с увеличением рН.
Обладая преимуществами высокой абсорбируемости, стабильных химических свойств, большой удельной площади поверхности, богатой пористой структуры и многочисленных поверхностных функциональных групп, биоуголь, полученный из осадка, имеет широкую перспективу применения.
Несмотря на многочисленные исследования, опубликованные по производству и свойствам биоугля, насколько нам известно, нет обширного обзора по применению биоугля, полученного из шлама, для улучшения окружающей среды. Таким образом, цель настоящего документа состоит в том, чтобы вкратце представить современный обзор существующих и новых областей применения биоугля в шламе, которые были эффективными в борьбе с загрязнением вод, восстановлении почв, поглощении углерода и сокращении выбросов углерода, как показано на рисунке 1
. Акцент делается на ключевых проблемах и

4 новых стратегиях преодоления барьеров внесения биоугля в шлам для реализации высокоэффективного удаления загрязняющих веществ, кондиционирования почвы и смягчения последствий углекислого газа.
Рисунок 1. Организационная диаграмма обзора.
2. Применение биоугля осадка при удалении загрязнений воды
Многофункциональные характеристики биоугля показывают очень эффективный потенциал в области восстановления водной среды (
Ahmad et al. 2014
). Недавние исследования показали, что биоуголь может быть использован в качестве адсорбента для удаления ряда органических загрязнителей в воде
(
таблица 2
). Как правило, процесс поглощения и типы загрязняющих веществ, которые могут быть поглощены биоуглем, зависят от физических и химических структур поверхности биоугля. Механизмы поглощения в основном включают гидрофобное взаимодействие, заполнение пор, электростатическую адсорбцию и водородную связь (
Qiu et al. 2022
), как показано на рисунке 2
Таблица 2. Применение биоугля осадка при удалении загрязнений воды
Материалы
Удельная площадь
поверхности (м
2
/г)
Загрязнений
Эффективность См.
Осадок сточных вод
63.0
Фульвокислоты
93,0-96,0 мг/г
Кончак и др.
(2021)
Осадок сточных вод
89.2
Фосфат-ионы
88,1 мг/г
Кончак и
Хубер (2022)
Осадок сточных вод и ива
74.6
Ионы аммония
36,0 мг/г
Кончак и
Хубер (2022)
Нанонулевой валентный железо и осадок сточных вод
—
Cr(VI.)
11,6 мг/г
Лю и др.
(2020)
Фармацевтический ил, активированный NaOH
756.4
Тетрациклин
379,8 мг/г
Лю и др.
(2021)
Осадок сточных вод
12.4
Ремазол
Бриллиант Синий
R краситель
80,6 мг/г
Радж и др.
(2021)
Осадок сточных вод
30.6
Pb, Cu и Zn
21,3%, 72,1% и
30,3%,
Wang et al.
(2021b)
Шлам сточных вод/стебли хлопка
78.6
Pb, Cu и Zn
19,0%, 34,9% и
18,2%
Wang et al.
(2021b)

5
Материалы
Удельная площадь
поверхности (м
2
/г)
Загрязнений
Эффективность См.
Шлам гидротехнических сооружений —
Метиленовый синий
300,4 мг/г
Си и др. (2022)
Осадок сточных вод
36.5
Cr, Cu и Zn
77,0%, 97,4% и
99,7%
Чжан и др.
(2022)
Осадок сточных вод
47.4
Cr (VI)
16,6 мг/г
Чжу и др.
(2022)
Осадок сточных вод
76.4
Cr (VI)
22,9 мг/г
Чжу и др.
(2022)
Осадок сточных вод, содержащий Fe -
Тетрациклин
90.3%
Кан и др.
(2023)
Ферромарганцевый шлам
43.1
Эфиры фталатов 65.0%
Хунг и др.
(2022)
Рисунок 2. Схема адсорбционного механизма биоугля в водоподготовке.
2.1. Гидрофобное взаимодействие
Соответствующие исследования показывают, что если загрязнитель имеет гидрофобные функциональные группы, такие как метильная группа, то он может быть удален биоуглем посредством гидрофобного взаимодействия (
Dai et al. 2019
). Теоретически, чем выше температура пиролиза (>500°C), тем выше гидрофобность и ароматичность биоугля, тем больше удельная площадь поверхности, и, следовательно, тем легче поглощать гидрофобные и неполярные органические загрязнители. Например, при повышении температуры пиролиза с 350°С до 750°С увеличиваются поверхностные функциональные группы, гидрофобность и кристалличность биоугля, что делает более эффективным удаление тетрациклина
(
Choi et al. 2020
). По сравнению с низкотемпературным пиролизованным биоуглем, высокотемпературный биоуголь (700°C) с высокой ароматичностью повысил его адсорбционную способность (
Premarathna et al.
2019
). В частности, высокая доза биоугля будет производить более активные участки, что еще больше усилит адсорбцию тетрациклина (
Kang et al. 2023
), но избыточные активные вещества могут также вызывать самоугасание, что приводит к снижению скорости удаления тетрациклина (
Zhu et al. 2019
).

6
2.2. Заполнение пор
Заполнение пор считается еще одним основным механизмом, с помощью которого биоуголь поглощает органическое вещество. Исходя из размеров пор, поры могут быть структурно разделены на микропоры (< 2 нм), средние поры (2-50 нм) и большие поры (> 50 нм). Исследования показали, что поровые структуры оказывают значительное влияние на поглощение загрязняющих веществ в воде. Как правило, биоуголь со средними порами более эффективен в поглощении органического вещества, в то время как более крупные поры помогают увеличить водопроницаемость. Размер пор увеличивается с увеличением температуры пиролиза, и поры легко заполняются органическими загрязнителями для достижения высокой скорости удаления.
Xu et al. (2022)
обнаружили, что чем больше объем пустоты биоугля, тем больше удельная площадь поверхности, тем меньше средний диаметр пор, тем сильнее эффект заполнения пор и, следовательно, тем лучше удаление органических загрязнителей. Во время удаления загрязняющих веществ в жидкой фазе поглощение органических загрязнителей связано с микро- и средними порами на биоугле. При удалении микропластика более крупные микропластики застревают в щели биоугля, а другие задерживаются в порах биоугля. Коллоидное свойство биоугля накручивает микропластик для увеличения их размера, чтобы зафиксировать микропластик для удаления (Wang et al.
2020c). Кроме того, взаимодействие между средними порами и гидрофобными стенками пор также играет значительную роль в удалении загрязняющих веществ.
2.3. Электростатическая адсорбция
Электростатическая адсорбция также является одним из механизмов удаления загрязняющих веществ, которые в основном зависят от зарядов поверхности биоугля и электрических свойств загрязняющих веществ. На поверхности биоугля находятся глинистые минералы с высокой ионообменной способностью, которые стимулируют адсорбцию органических красителей, антибиотиков и других загрязняющих веществ через ионный обмен (
Premarathna et al. 2019
). Недавние исследования показали, что функциональные группы на поверхности ила биоугля могут влиять на скорость удаления анионных и катионных красителей.
Wang et al. (2020a)
продемонстрировали, что электростатическая адсорбция является основной движущей силой адсорбции акридинового апельсина (АО) биоуглем.
Wang et al. (2021a)
также пришли к выводу, что электростатическое взаимодействие между биоуглем и микропластиком доминирует при удалении микропластика. Для улучшения удаления органических загрязнителей поверхность биоугля необходимо модифицировать функциональными группами с различными электрическими свойствами. Кроме того, учитывая, что заряды на поверхности биоугля значительно зависят от рН, поглощение органических загрязнителей также связано с изменениями рН. Когда рН < 7,95, поверхность биоугля осадка, активированного пероксидисульфатом (PDS), отрицательно заряжена, что приводит к электростатическому отталкиванию между PDS и тетрациклином, что снижает скорость удаления тетрациклина. Скорость деградации тетрациклина является самой высокой, когда рН равен 5
(
Kang et al. 2023
). Обычно считается, что низкий рН (т.е. <3) необходим для растворения тяжелых металлов
(
Yu et al. 2022
). Более того, следует отметить, что эффект электростатической адсорбции в основном связан с зарядами на поверхности биоугля и электрическими свойствами ионов тяжелых металлов. Поскольку поверхность биоугля в значительной степени отрицательно заряжена, положительно заряженные ионы, такие как Pb
2+
, Cd
2+
и Cu
2+
, могут быть легко поглощены биоуглем из-за электростатического взаимодействия.
Lima et al. (2022)
обнаружили, что максимальное поглощение Cd
2+
и Zn
2+
шламовым биоуглем составляло 56,9 мг/г и 26,1 мг/г соответственно.
2.4. Водородные связи
Водородная связь представляет собой еще один механизм, с помощью которого биоуголь поглощает органическое вещество. Способность биоугля образовывать водородные связи с атомами водорода на загрязняющих веществах (кроме тяжелых металлов) связана с существованием функциональных групп в биоугле (
Rangabhashiyam et al. 2022
).
Zhang et al. (2022b)
обнаружили, что когда температура пиролиза биоугля ниже 350 °C, больше водородных связей на поверхности материала может эффективно взаимодействовать с полярными органическими загрязнителями. Аналогичным образом, биоуголь, приготовленный при температуре ниже 500 °C, имеет больше групп -C = O, что приводит к более высокой деградации сульфаметоксазола (
Wang and Wang 2021
). Кроме того, эффективность удаления биоугля против органических загрязнителей также может быть улучшена путем модификации.
Xu et al. (2022)
получали биоуголь из ила и модифицированного ила биоугля с монтмориллонитом и нанонулевой валентным железом (nZVI), которые производили более эффективные и стабильные функциональные

7 группы на поверхности биоугля, способствовали агрегации катионов свободных радикалов и улучшали адсорбционную способность азота и фосфора до 34,8 мг/г и 294,1 мг/г, соответственно. Механизм адсорбции связан с лигандным обменом, электростатическим притяжением и ионными связями. Кроме того, фосфор (P) может быть удален путем химического осаждения и совместного осаждения продуктов коррозии железа модификацией nZVI.
Liu et al. (2021)
Активный ил с гидроксидом натрия и приготовленный шлам биоуглем методом сухого перемешивания. Результаты показали, что биоуголь обладает хорошими адсорбционными характеристиками тетрациклина, а максимальная адсорбционная емкость может достигать 379,8 мг/г. Кроме того, биоуголь, полученный из активного ила Fe-Mn, обладает хорошей поглощающей способностью и биоразлагаемостью для Orange G (75,2%) (
Hao et al. 2020
).
Например,
Zhang et al. (2021b)
сформировали композит Fe0/Fe
3
O
4
/биоугля путем пиролиза осадка и скорлупы грецкого ореха. Композит имеет пористую структуру и большую удельную площадь поверхности (109,9 м2/г), а на поверхности образуется больше -ОН, что может способствовать деградации метиленового синего.
Hung et al. (2022)
также обнаружили, что окисление переноса электронов, гидроксильного присоединения, свободных радикалов (HO·) и несвободных радикалов в системе было усилено после использования биоугля, что улучшило скорость деградации эфиров фталатов (90%), что указывает на то, что окислительно-восстановительное свойство биоугля и химические структуры загрязняющих веществ оказывают определенное влияние на окислительно-восстановительный процесс органических загрязнителей.
Mian et al. (2020)
обнаружили, что биоуголь осадка, легированный N, может быть использован в качестве активатора неметаллов для эффективной активации пероксимоносульфата
(ПМС) и, таким образом, окисления и удаления органического вещества.
Кроме того, учитывая сложный состав биоугля, биоугольные материалы могут содержать окислительно-восстановительные активные металлы (например, Cu, Fe и Mn), которые могут испытывать определенные морфологические изменения в процессе пиролиза биомассы и участвовать в реакции в активации окислителя, тем самым способствуя деградации органических веществ. Таким образом, биоуголь является превосходным абсорбентом для органических загрязнителей и может эффективно активировать ряд окислителей для окисления и разложения органических загрязнителей. Ввиду влияния способа синтеза и субстратов биоугля на его применение, мы обобщили элементный состав и характеристики биоугля с целью анализа его прикладной ценности. Из таблицы 3 видно
, что шламовый биоуголь производит больше золы, которая может быть использована в качестве биостимулятора для восстановления окружающей среды (
Zhang et al. 2020a
). Таким образом, шламовый биоуголь имеет преимущества в содействии восстановлению загрязняющих веществ.
Таблица 3. Основные характеристики биоугля, полученного под различными субстратами и способами получения