Enhanced phosphorus bioavailability of biochar derived from sewage sludge co-pyrolyzed with K, Ca-rich biomass ash
第一作者：郭晓
通讯作者：梁莎
全文链接： https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122901
2024年12月，环境领域顶级期刊《Water Research》在线发表了我院杨家宽教授团队关于污泥磷回收的研究成果（Xiao Guo, Sha Liang*, Zhengkang Zou, Xiaoxiao Xu, Fan Yang, Junda Quan, Xingwu Li, Huabo Duan, Wenbo Yu, Jiakuan Yang. Enhanced phosphorus bioavailability of biochar derived from sewage sludge co-pyrolyzed with K, Ca-rich biomass ash. Water Research, 2025, 271, 122901）。该论文以华中科技大学环境与工程学院为第一完成单位，《Water Research》作为环境领域的权威国际期刊，2024年公布的最新影响因子为11.4。
市政污泥作为一种富磷有机固废，可作为磷资源进行回收利用。污泥热解技术能够实现高效减量化、无害化和资源化，近年来受到广泛关注。磷元素在污泥热解过程中大部分保留在热解炭中，将污泥热解炭用于土地利用可实现磷资源化利用，并可促进碳减排。但污泥直接热解所得热解炭中磷的可生物利用性不高。本研究采用污泥-生物质焚烧灰共热解技术提高热解炭中磷的可生物利用性，研究了污泥-生物质焚烧灰共热解过程中含磷物相转变规律，揭示了生物质焚烧灰提高共热解炭中磷的可生物利用性的机理。
考察了不同向日葵秸秆灰掺量和热解温度对污泥-向日葵秸秆灰共热解炭的含磷物相及磷的可生物利用性的影响，结果表明污泥与向日葵秸秆灰质量比为1:1，热解温度为600 oC时所得共热解炭的Bio-P/TP比例最高（93.1 wt%）。污泥及其直接热解所得热解炭中含磷物相主要为FePO4，而污泥-向日葵秸秆灰共热解炭中含磷物相主要为K-Ca-P化合物（K2CaP2O7、K2CaP2O7·4H2O和KCaPO4）和Ca5(PO4)3OH。温度大于600 oC时，向日葵秸秆灰中K盐挥发或参与其他副反应，阻碍其与污泥中FePO4反应生成K-Ca-P化合物，导致热解炭中磷的可生物利用性降低。用纯物质模拟向日葵秸秆灰组分（KCl、K2CO3和CaCO3）与污泥中磷的模型化合物（FePO4）共热解，结果表明KCl/K2CO3和CaCO3的共同作用提高了热解炭中磷的可生物利用性。密度泛函理论（Density functional theory，简称DFT）计算进一步证明，与污泥直接热解炭中的FePO4相比，共热解炭中K-Ca-P和Ca5(PO4)3OH等含磷物相更易与有机酸反应从而释放磷，因此表现出更高的磷可生物利用性。本研究提出的污泥-生物质焚烧灰共热解制备含高可生物利用性磷的热解炭的策略可为实现污泥资源化和磷回收，及生物质焚烧灰的有效利用提供新的思路和技术支撑。
杨家宽教授团队长期致力于污泥处理处置与资源化研究，近年来在污泥磷回收方向也开展了大量相关实验研究，包括从污泥焚烧灰中酸浸回收磷（Water Research, 2019, 159: 242-251；Resource Conservation & Recycling, 2021, 169: 105524）、铁基生物炭从污泥厌氧消化液中回收磷（Water Research, 2020, 174, 115629）、碱活化污泥热解制备多孔生物炭及同步回收磷（Resource Conservation & Recycling, 2022, 176: 105953，Water Research, 2023, 233, 119769）、污泥热解炭可生物利用性综合评价（Science of the Total Environment, 2024, 954: 176679）等。
