2013年12月在德國(guó)柏林舉辦的34屆柏林水務(wù)論壇上來(lái)自波茨坦萊布尼茨研究所，CarbonSolutions公司以及柏林水務(wù)中心的專(zhuān)家們討論了HTC水熱炭化技術(shù)最新的研究進(jìn)展，成果和前景。水熱炭化技術(shù)這項(xiàng)技術(shù)本身在1913年就已經(jīng)由德國(guó)化學(xué)家Friedrich Bergius提出，但是該技術(shù)在最近幾年，尤其在德國(guó)得到了復(fù)興并且工業(yè)化。原本煤炭的形成需要上億年，德國(guó)最新的研究成果已經(jīng)將這個(gè)過(guò)程在90分鐘內(nèi)完成，即通過(guò)水熱炭化技術(shù)將污泥轉(zhuǎn)化成為一種新型的生物炭。
污泥炭化的方法分為干法和濕法兩種。目前的研究主要集中在將污泥經(jīng)干法炭化后制備吸附劑等材料化應(yīng)用和土壤改良劑等土地利用上，但存在需要將污泥進(jìn)行脫水干化預(yù)處理，能耗高的不足。水熱炭化（Hydrothermal carbonization，HTC）也稱(chēng)濕法，將含水率80%的污泥投入反應(yīng)器中進(jìn)行催化裂解，在厭氧及適當(dāng)催化的條件下有機(jī)物經(jīng)熱分解并轉(zhuǎn)化為生物炭，氧和氫發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水，反應(yīng)過(guò)程中所釋放出的能量可以回收，用于處理過(guò)程本身。與干法相比，水熱炭化具有不受物料含水率的制約、制備過(guò)程簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和以及生物炭產(chǎn)量較高且具有官能團(tuán)豐富等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是處理處置高含水率有機(jī)廢物的一種非常有應(yīng)用前景的生物炭化技術(shù)。
（經(jīng)過(guò)水熱處理后的生物炭產(chǎn)品，圖片來(lái)源Carbon solutions GmbH）
在德國(guó)，每年產(chǎn)生約兩百萬(wàn)噸污干污泥。污泥處理的成本是非常高的，大約占到污水處理費(fèi)用的一半。如果包含脫水和運(yùn)輸?shù)瓤傎M(fèi)用來(lái)算的話(huà)污泥農(nóng)用處理的成本為120到375歐元每噸，焚燒或者其他熱處理的價(jià)格約在180到400歐元每噸。根據(jù)2010年德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境局的調(diào)查，在德國(guó)約30％的污泥被土地利用，燃燒的比例占到53％，綠化大約大約占17 ％ 。造成污泥在熱利用和焚燒方面處理成本高的一個(gè)重要原因就是含水率高造成熱值低。水熱炭化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就是可以將一些高含水，如含水75%的污泥通過(guò)純物理反應(yīng)，不添加任何物質(zhì)，在180 到 250 ºC，約20到30bar，高溫高壓下，轉(zhuǎn)化成為生物炭。經(jīng)過(guò)處理后的污泥體積可以減少四分支三，處理后的高熱值的生物炭含水率約在70%左右。
在亥姆霍茲環(huán)境研究中心（ UFZ ） ，目前已經(jīng)在進(jìn)一步研究如何除去炭化后生物炭中的一些污染物，如重金屬。CarbonSolutions GmbH更是首家在短短90分鐘內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程并將水熱炭化技術(shù)大型運(yùn)用推向市場(chǎng)的公司，該公司獲得德國(guó)馬普所的水熱炭化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化許可權(quán)，2010年建立投產(chǎn)，年處理量一萬(wàn)噸，連續(xù)生產(chǎn)每小時(shí)產(chǎn)一噸的生物炭。最終可以生產(chǎn)出高品質(zhì)的煤炭產(chǎn)品，如作為活性炭或在輪胎行業(yè)作為添加劑，同時(shí)還可以作為土壤改良的肥料或者替代燃料減少二氧化碳排放。
來(lái)自柏林水務(wù)中心的Remy博士利用生命周期評(píng)估(LCA)的方法比較了水熱炭化技術(shù)和傳統(tǒng)工藝的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。首先HTC工藝產(chǎn)生的廢水有非常高的COD，氮磷含量，需要額外特殊工藝處理。通過(guò)過(guò)程中的熱回收所需要的熱能在375kWh/t DS相對(duì)而言不高，同時(shí)處理后的約74%的干物質(zhì)進(jìn)入生物炭，脫水性能顯著提高，生物炭含固量在65-75%。隨著水熱炭化技術(shù)的進(jìn)一步研究，今后在成本降低以及過(guò)濾液，重金屬污染等問(wèn)題解決后，從廢物資源化利用和節(jié)能減排角度來(lái)說(shuō)非常有前景的一項(xiàng)技術(shù)。
作者：德中環(huán)境與能源促進(jìn)中心 周曠昕
