報告人：中國科學院城市環(huán)境研究所 汪印 教授 博導
來源:中國給水排水 cnww1985
汪�。焊魑煌蚀蠹液茫襾碜灾袊茖W院城市環(huán)境研究所，我給各位匯報的題目是“城市污泥熱解制備生物炭及其用途拓展的研發(fā)”。
我國城市污泥產(chǎn)量在以每年約10%的速度增加，雖然我國家各個地方的城市污泥性質(zhì)差異較大，但最終資源化利用途徑是未來發(fā)展的必然趨勢。在這里，我們提出把污泥高效脫水、熱解炭化制備生物炭作為未來的研究方向。污泥處理處置有兩個瓶頸問題，第一個是如何高效脫水，第二個是脫水之后的泥怎么辦，這里面我們形成了兩個基礎(chǔ)創(chuàng)新的工藝，第一種脫水我們是利用的水熱脫水預處理聯(lián)合板框壓濾，把污泥的含水率一次性降低到40%以下，脫水后的污泥通過外熱式熱解炭化制成生物炭，它有很多的用途，后面會逐一介紹，如生物炭基肥料、土壤改良劑等等。第二種工藝是我們開發(fā)了一種高液壓機械脫水，它的壓力可以達到200噸，在添加少量石灰的情況下可以把含水率從80%降到50%、甚至可以達到40%以下，脫水后的污泥同樣是通過熱解炭化制成生物炭。我們也獲得了這方面的發(fā)明專利授權(quán)：一種污泥制備炭材料的方法(ZL201310335118.5)。
關(guān)于污泥熱解炭化的技術(shù)優(yōu)勢，我在這里只強調(diào)兩點，第一點污泥熱解對重金屬的穩(wěn)定固化有非常好的作用，可以使污泥中的重金屬存在形態(tài)變得更加穩(wěn)定，在后續(xù)利用的時候降低其對環(huán)境的影響風險;第二點污泥中的抗生素問題，很多人還沒有關(guān)注，也有一部分人關(guān)注。通過傳統(tǒng)的堆肥技術(shù)處理，不能百分之百的把污泥中抗生素分解掉，還有少部分殘留在堆肥肥料中，而通過熱解的方式可以把抗生素徹底分解掉，這樣為污泥、生物炭等提供了非常好的安全利用途徑。
我們的研發(fā)是在中國科學院和國家科技部的大力支持下進行的，通過實驗室研究和中試驗證，前后經(jīng)過了五六年的時間。下面我簡要向各位匯報一下部分研發(fā)結(jié)果。污泥制備生物炭的目的之一是把污泥中的氮磷鉀等營養(yǎng)元素保留在污泥炭中，以致于它利用到園林綠化、作物種植等方面。在整個處理過程中，氮磷鉀如何遷移轉(zhuǎn)化，我們做了一個歸納，就是隨著熱解溫度的升高，污泥生物炭中的總氮含量隨著降低，在600℃的溫度下氮含量降低到60wt%，而且氮的存在形態(tài)也隨著熱解溫度改變。第二個就是磷資源，磷在我們的熱解處理過程中基本上沒有任何的損耗，還是保留在了污泥炭當中，只是它的存在形態(tài)有所改變。鉀資源和磷比較相似，基本上在600℃以下全部殘留在污泥炭當中。那么以上氮磷鉀資源的遷移轉(zhuǎn)化行為就為污泥炭作為植物營養(yǎng)元素的使用提供了很好的前提條件。另外大家比較關(guān)注的是重金屬的問題。按照標準，我們把重金屬的存在形態(tài)分為四種形態(tài)，即弱酸提取態(tài)，可還原態(tài)，可氧化態(tài)及殘渣態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過脫水和熱解之后，污泥中重金屬Cu、Zn、Cr、Ni、Pb主要富集在生物炭中，而且以殘渣態(tài)和氧化態(tài)為主，浸出性很低，安全性好，為它的后期安全利用提供了一個有利的保障。剛才講到了抗生素的問題，我們這里面專門針對氟喹諾酮類、四環(huán)素類和磺胺類 3 類典型抗生素的代表環(huán)丙沙星、土霉素、磺胺二甲嘧啶做了系統(tǒng)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)要想把這幾類抗生素完全分解，所需要的溫度必須在600℃左右。所以經(jīng)過我們這種工藝的處置，抗生素的問題也可以得到徹底的解決。
那么污泥生物炭是大家關(guān)注的一個方向，這是生物炭與微生物的相互作用以及生物炭的環(huán)境功能影響機理方面的綜述報告(X. Zhu et al., Environmental Pollution, 2017, 227 : 98-115)，里面有詳細的闡述，這這里就不展開了。我們具體做了以下生物炭的用途開發(fā)工作，比如說用污泥炭作為種苗基質(zhì)的研究，分別對黃瓜、番茄、包菜、辣椒、水稻的種苗進行了育苗實驗，發(fā)現(xiàn)添加污泥生物炭的基質(zhì)的種苗根系比對照組發(fā)達，后期的果實產(chǎn)量也增加很多，原因是生物炭的輸入能夠提高育苗基質(zhì)中pH及有機質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)。將污泥生物炭作為炭基肥料的使用也分別對番茄、小白菜、水稻種植進行了測試，發(fā)現(xiàn)污泥炭可增加番茄的產(chǎn)量、有效降低土壤的PAHs含量、并減少土壤中的重金屬進入果實，污泥炭同樣促進小白菜地上和地下部分的產(chǎn)量。在湖南水稻田間試驗測試表明，污泥生物炭對重金屬Cd、Cu和Zn的有效態(tài)均具有明顯的降低作用，同時它能夠提高水稻生物量的產(chǎn)量，也就是提高了水稻的產(chǎn)量。專門針對Cd的含量做了分析，結(jié)果表明Cd進入大米谷粒中的含量明顯降低。那么作為炭基肥料，采用EDI和HQ兩項指標來評價污泥生物炭種植水稻的安全性，比如說Cd和Cu用這個指標衡量，與沒有添加污泥生物炭的相比，對于這兩種毒性指標的降低非常明顯，這證明污泥生物炭或者其它生物炭有利于提高種植作物等的安全性。我們也把污泥炭作為吸附劑來拓展其用途，目前污水廠排水中的磷還是超標，我們把它進行改性，作為吸附劑來降低排水中磷含量的目的。結(jié)果表明，我們改性的污泥炭對磷的吸附效果很好，吸附能力非常強，達到10 mg- P/g-以上。同時這個污泥炭本身含有很多的鐵、鋁、硅等元素，和黏土的含量相似，通過研發(fā)作為建筑陶粒的原料，結(jié)果證明完全可行，而且這種陶粒還有很好的吸附液體中污染物的能力，比如說對廢水中的環(huán)丙沙星去除率達到95%。
在前面的基礎(chǔ)性研究基礎(chǔ)上，我們首先建立了小型的20噸/日的示范工程，總體工藝路線是水熱脫水耦合熱解炭化，現(xiàn)場就在廈門市污水廠，廈門市水務集團對我們提供了很大的幫助。在示范運行上，對前面我們實驗室研究的從脫水到熱解炭化過程中的氮磷鉀遷移轉(zhuǎn)化行為得到了非常好的驗證，效果比實驗室在某種程度上更好。在現(xiàn)場我們還建了一個大型的UASB厭氧反應器，對污泥水熱脫水液的厭氧產(chǎn)沼氣進行了測試，結(jié)果表明水利停留時間為9天、產(chǎn)氣量還是比較高的，大概是270ml/g-COD的水平，沼氣中的甲烷含量可以達到74%，比通常污泥厭氧的60%左右要高很多。我們對這個工藝系統(tǒng)進行了一個物料平衡計算，含水率80%的污泥通過該工藝處理，最后的污泥炭產(chǎn)率不到10%、即原污泥的減量在90%以上。
剛才講了在中科院項目的支持下，我們前期也對這個成果進行了一個評估，包括中科院、清華、浙大、廈大、廈門市水務等單位的專家、工程師，對我們的研發(fā)成果給予了比較高的肯定。到目前為止，該技術(shù)成果也在逐漸的走向產(chǎn)業(yè)化應用階段，我們在2017年中標了廈門市島外兩萬噸的污泥處置工程，通過技術(shù)使用許可的方式，由天津北方創(chuàng)業(yè)集團市政工程公司中標了天津青凝侯瘀泥填埋場生態(tài)修復項目，據(jù)了解在國內(nèi)應該是最大的，整套設備已經(jīng)建成了，這些是工藝參數(shù)和設備系統(tǒng)、廠區(qū)內(nèi)的外貌。今年我們進入東北市場，和吉林潤垚環(huán)境生物科技有限公司進行了合作處置吉林市的污泥，也包括進入浙江、西安等省市。
總之污泥處理處置的道路比較漫長，需要大家共同努力才能為我們國家解決這樣一個比較急迫的環(huán)境問題。從我們這個角度來說，污泥的資源化是未來發(fā)展的重要方向。
以上就是我的匯報，謝謝大家!
附報告PPT
原標題:中科院 汪印：城市污泥熱解制備生物炭及其用途拓展研發(fā)
