哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、國(guó)家高層次人才計(jì)劃入選者郭婉茜以“有機(jī)固廢資源化的路徑求索與實(shí)踐”為主題進(jìn)行了發(fā)言。郭老師列舉了中藥渣的堆肥化、農(nóng)林廢棄物的能源化和城市剩余污泥的高值化三個(gè)案例深入探討了有機(jī)固廢的資源化路徑。

本文根據(jù)其發(fā)言整理

01

有機(jī)固廢資源化的重大意義

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)固廢處理處置的日漸重視，使得有機(jī)固廢資源化路徑和處理探索變得尤為重要。有機(jī)固廢分為幾大類：第一是農(nóng)林類的；第二是城市的；第三是典型的行業(yè)有機(jī)固廢。這些有機(jī)固廢都是在生活以及城市運(yùn)轉(zhuǎn)、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所帶來(lái)的必然產(chǎn)物。在前期的統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)固廢在我國(guó)“十三五”到“十四五”期間，總產(chǎn)量是非常大的，大約達(dá)到年產(chǎn)100億噸。來(lái)自于特殊行業(yè)源的有機(jī)固廢占到整個(gè)有機(jī)固廢的60%以上，所以這些有機(jī)固廢的處理處置，包括安全處置與后續(xù)利用潛力巨大。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有機(jī)固廢的碳排放量可能占到我國(guó)全社會(huì)總排放量比例的1%~ 3%，也就是說(shuō)污廢水處理行業(yè)及有機(jī)固廢處理行業(yè)，總的碳排放排名比較靠前，約占到社會(huì)總碳排的3%~5%。盡管與能源行業(yè)總量差距很大，但在整個(gè)降碳中起到重要的作用，是不可忽視的。

對(duì)于有機(jī)固廢除了處理處置以外，還會(huì)關(guān)注其對(duì)溫室氣體減排的影響效應(yīng)以及資源能源回收效應(yīng)的一些影響，以期通過(guò)碳補(bǔ)償和碳替代的方式，來(lái)完成有機(jī)固廢碳減排能力的利用。在歐美國(guó)家，我們發(fā)現(xiàn)他們通過(guò)污泥生物質(zhì)能源回收，滿足了污水廠大約60%~80%的能耗需求，大家耳熟能詳?shù)囊恍┕に�，都有助于提高污水廠的能耗回收率。所以在通往碳中和進(jìn)程中，有機(jī)固廢的資源化才是實(shí)現(xiàn)廢棄物領(lǐng)域碳中和的一個(gè)關(guān)鍵路徑。

在面向2030、2060年碳達(dá)峰碳中和這兩個(gè)目標(biāo)，未來(lái)三十年需盡快實(shí)現(xiàn)的是清潔能源的替代、化石能源以及低碳經(jīng)濟(jì)替代石化經(jīng)濟(jì)的過(guò)程。我們現(xiàn)在比較關(guān)注生物質(zhì)，因?yàn)樯�物質(zhì)在整個(gè)全周期評(píng)價(jià)中是具有零碳屬性的。因此無(wú)論在國(guó)內(nèi)或是國(guó)際，這個(gè)問(wèn)題都備受關(guān)注。歐盟早就制定了計(jì)劃，到2030年生物質(zhì)基原料替代6~12%化工原料。在美國(guó)2050年布局中顯示，生物質(zhì)基化學(xué)材料比例將達(dá)到50%。在我國(guó)有機(jī)固廢年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)60億噸，經(jīng)過(guò)這樣的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，可以制備出很多基礎(chǔ)化學(xué)品原料，包括原料、燃料、肥料等。

我們認(rèn)為有機(jī)固廢資源化是可以實(shí)現(xiàn)碳中和的有效路徑之一。在協(xié)同減污降碳的同時(shí)，可以通過(guò)生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，將有機(jī)固廢利用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)資源物質(zhì)的回收，在這個(gè)過(guò)程中當(dāng)然也會(huì)考慮碳減排的問(wèn)題。

有機(jī)固廢可以制備一些清潔燃料，主要是生物柴油、生物航煤、氫氣等替代燃料，我們的目標(biāo)是替代傳統(tǒng)的化石燃料燃燒中的大量排碳。這些廢棄的生物質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦�用轉(zhuǎn)化以后，形成高值燃料，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的替代，包括在生物柴油制備、氫氣制備等途徑上實(shí)現(xiàn)二氧化碳的減排。有機(jī)固廢制備的多種生物基（平臺(tái)）化學(xué)品，具有環(huán)境友好、易降解的優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，在生物基化學(xué)品制備上，學(xué)界、企業(yè)界都要投入更多的關(guān)注，如果可以實(shí)現(xiàn)每日必需的工業(yè)產(chǎn)品和生活用品的替代，那么也是一種友好替代、綠色替代。

在Science發(fā)布的全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題中，涉及廢棄物資源循環(huán)利用的重大科學(xué)問(wèn)題有很多。其實(shí)我們國(guó)家與國(guó)際其他國(guó)家在有機(jī)固廢利用領(lǐng)域，相對(duì)比較同步，尤其我國(guó)又是一個(gè)有機(jī)固廢產(chǎn)量大國(guó)，這幾年有機(jī)固廢資源化一直是研究熱點(diǎn)，近兩年也發(fā)表了很多高水平文章，對(duì)于有機(jī)固廢將來(lái)的利用路徑進(jìn)行了一些創(chuàng)造性的探討，也為將來(lái)的產(chǎn)業(yè)化提供了一些可行的思考方式。

02

中藥渣制肥技術(shù)研究進(jìn)展

我們團(tuán)隊(duì)致力于研究黑龍江一些典型有機(jī)固廢的多元資源化途徑，開(kāi)發(fā)出一系列的創(chuàng)新型資源化技術(shù)，包括中藥渣、秸稈、畜禽廢物、污泥、餐廚垃圾、豆渣等，部分技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了中試和產(chǎn)業(yè)示范。

接下來(lái)，將舉幾個(gè)具體的案例介紹一下有機(jī)固廢應(yīng)用的資源化路徑。第一個(gè)是我們國(guó)家比較有特色的有機(jī)固廢，中藥渣；第二個(gè)就是農(nóng)林廢棄物；第三個(gè)就是我們比較關(guān)注的市政污泥。

中藥的生產(chǎn)是我們國(guó)家非常有特色的一個(gè)行業(yè)，尤其是在這幾年，面對(duì)疫情肆虐的情況下，中藥行業(yè)在人民健康保障上做出了重大的貢獻(xiàn)。目前中藥渣的年產(chǎn)量在一噸以上，主要來(lái)源于中成藥的生產(chǎn)過(guò)程，現(xiàn)在的處理方式主要以堆放、填埋、焚燒等傳統(tǒng)的固廢處理方式為主。但是，我們也發(fā)現(xiàn)中藥渣還有其他的資源化利用途徑，包括進(jìn)行肥料的生產(chǎn)、可燃?xì)獾奶崛�、土壤的修�?fù)、高值化學(xué)品的提取，還有飼料的制備等，一些成分提取后，還可以做成生物炭。

團(tuán)隊(duì)幾年間，一直從事中藥渣好氧堆肥技術(shù)的研究，這種好氧堆肥的技術(shù)利用了植物藥渣中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素，包括糖、蛋白質(zhì)和一些氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，進(jìn)行了綜合利用。在綜合利用過(guò)程中，把中藥渣的優(yōu)勢(shì)充分的發(fā)揮出來(lái)，中藥渣的特點(diǎn)就是無(wú)毒，原材料采購(gòu)過(guò)程中，對(duì)品質(zhì)的把控非常嚴(yán)格，所以不屬于危廢，這里面我們做成的有機(jī)肥還可以增加土壤中的有機(jī)質(zhì)，包括改善土壤的理化性質(zhì)，顯著提高活性微生物的量，這種中藥渣的堆肥技術(shù)其實(shí)為藥渣處理和資源化提供了一個(gè)有效的途徑。

我們?cè)谘芯亢褪痉稇?yīng)用過(guò)程中，也遇到了一些難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，包括含水率解決的問(wèn)題，易腐的問(wèn)題，木質(zhì)素含量高的問(wèn)題等。這里面我們也做了一系列的技術(shù)研發(fā)，來(lái)保證堆肥能有效的進(jìn)行。首先從菌劑強(qiáng)化入手，我們?cè)诙逊蔬^(guò)程中研發(fā)了一系列的菌劑，使得肥效進(jìn)一步提高，除了對(duì)物料進(jìn)一步分解產(chǎn)生腐殖酸以外，還注重活性微生物的比例以及活性的提高，在后續(xù)應(yīng)用的時(shí)候，肥效和抑生作用，都在考慮的范圍內(nèi)。我們還開(kāi)發(fā)了很多微生物的復(fù)配菌劑，復(fù)配菌劑的加入可以有效促進(jìn)堆肥期腐殖質(zhì)的合成，而且可以有效提高腐殖酸的轉(zhuǎn)化比例。我們從微生物菌群的研究入手，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)纖維素和腐殖質(zhì)的形成轉(zhuǎn)化與微生物種群的組成是密切相關(guān)的，這也支撐了后續(xù)開(kāi)發(fā)出一些綜合的菌劑，實(shí)現(xiàn)了在腐殖質(zhì)合成中高效的中藥渣肥化作用。

這里也研究了它的機(jī)制，主要從群落結(jié)構(gòu)入手，我們發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵的菌種，包括探討了不同地域的環(huán)境因子，控制因子與菌落之間形成的關(guān)系，也探索了菌落形成與腐殖質(zhì)定向合成的潛在機(jī)理。在中藥堆肥過(guò)程中，完成了一項(xiàng)工程，另一項(xiàng)也在試運(yùn)行過(guò)程中，目前已經(jīng)形成了年處理三千噸以上的示范工程，出肥以后完全符合國(guó)家525-2021的標(biāo)準(zhǔn)。

這個(gè)示范工程中產(chǎn)生的肥料，在后期有很好的應(yīng)用。雅安這個(gè)地方比較特殊，除了藥業(yè)以外，茶葉也比較出名，我們的肥料是當(dāng)?shù)夭柁r(nóng)非常喜歡的，因?yàn)樗�有一定防腐殺菌的效果，藥效還不會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)。中藥渣堆的肥和常規(guī)的糞便堆肥有很大的區(qū)別，團(tuán)隊(duì)也在緊鑼密鼓地去做藥渣堆肥和其他肥效比較的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)?shù)匾粋�(gè)重要的中藥苗圃基地，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)肥的回用，在回用過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)堆肥形成有機(jī)肥的土壤，要比當(dāng)?shù)氐脑�始土壤肥效好很多，比普通的有機(jī)肥活性也要好一些，因此在種植上有明顯的優(yōu)勢(shì)。

03

秸稈產(chǎn)氫技術(shù)研究進(jìn)展

在能源化方面，團(tuán)隊(duì)做了很多年的研究，歸納來(lái)說(shuō)就是用廢棄生物質(zhì)制氫氣。氫是一項(xiàng)清潔能源，無(wú)碳排、熱值高，備受青睞，早在上世紀(jì)八九十年代，日本就在做加氫站、氫能源汽車。近年來(lái)，我國(guó)也逐步重視氫能，在“十四五”規(guī)劃中布局了氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在制氫上也有了不同的認(rèn)識(shí)。

廢棄生物制氫歸結(jié)為以綠氫為主要生產(chǎn)過(guò)程的制氫。由于生物質(zhì)具有零碳屬性，所以綠氫生產(chǎn)最后可以形成一個(gè)100%的零碳閉環(huán)，與之相比早期萌芽的灰氫則是以化石能源為主。包括后續(xù)藍(lán)氫產(chǎn)制的過(guò)程，在未來(lái)雙碳目標(biāo)下的競(jìng)爭(zhēng)下就會(huì)逐漸減弱，即便如此，我們?cè)诰G氫生產(chǎn)中也有一些瓶頸需要解決。

我們歸納了幾個(gè)綠氫生產(chǎn)瓶頸：首先是復(fù)雜微生物體系的產(chǎn)氫速率和氫回收率的提升。這是我們遇到的一個(gè)較大的問(wèn)題，也是未來(lái)需要解決和突破的。第二就是技術(shù)經(jīng)濟(jì)性受限。隨著國(guó)家政策的相繼出臺(tái)，對(duì)綠氫生產(chǎn)的補(bǔ)貼包括支撐，可能會(huì)為將來(lái)綠氫的生產(chǎn)、研發(fā)、放大化，提供更好的路徑和指導(dǎo)方向。在上個(gè)世紀(jì)90年代，任南琪院士率先發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的乙醇型發(fā)酵制氫途徑，也是世界上用生物質(zhì)發(fā)酵來(lái)產(chǎn)氫的兩大途徑之一。

團(tuán)隊(duì)也直接用發(fā)酵菌做了一些纖維素同步產(chǎn)氫的實(shí)驗(yàn)，一步法產(chǎn)氫培養(yǎng)，顯著降低了產(chǎn)氫的成本，加速氫生成的生物學(xué)機(jī)制，采用一些強(qiáng)化方法，閉環(huán)生物炭體系來(lái)強(qiáng)化產(chǎn)氫閉環(huán)體系的構(gòu)建等。我們也在后面的全生命周期的評(píng)價(jià)中，計(jì)算了一個(gè)碳足跡，我們發(fā)現(xiàn)一步法產(chǎn)氫在減輕碳足跡中是最佳的可選路徑。1999年，完成了世界上首個(gè)生物制氫中試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破。下圖是當(dāng)時(shí)我們做的生產(chǎn)車間，這是任院士當(dāng)時(shí)一個(gè)非常好的專利放大。

04

污泥原位減量與資源化技術(shù)研究

當(dāng)前，我國(guó)的污泥問(wèn)題還是比較嚴(yán)重的，處理率相對(duì)較低。尤其在國(guó)家提出資源化比例提高的這么一個(gè)指揮棒下，如何達(dá)到污泥的再利用，是很值得關(guān)注的問(wèn)題。污泥的利用有很多角度：首先就是原位減量。在前端最大程度上進(jìn)行有機(jī)碳的捕獲分離，在生物處理單元選擇性投加解偶聯(lián)劑實(shí)現(xiàn)污泥原位減量。第二，污泥還可以用熱解技術(shù)來(lái)回收污泥里面的潛能。結(jié)合高溫?zé)峤夂蜔峤猱a(chǎn)物的二次利用，也是今后在污泥利用中的發(fā)展方向。污泥熱解過(guò)程中會(huì)釋放很多的氮硫污染氣體，通過(guò)識(shí)別其關(guān)鍵中間產(chǎn)物，構(gòu)建原位截流技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效的資源化再利用。

后面我們也做了一些其他研究，包括一些高值轉(zhuǎn)化，我覺(jué)得高值轉(zhuǎn)化是大家未來(lái)應(yīng)該關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)。我們?cè)谧鲋兴幵�那部分工作的時(shí)候，也在關(guān)注高值轉(zhuǎn)化，有機(jī)固廢之所以有機(jī)就是含碳?xì)溲�，以什么樣的形式進(jìn)行高值轉(zhuǎn)化，這是未來(lái)比較重要的創(chuàng)新點(diǎn)和突破口。

近十年來(lái)，團(tuán)隊(duì)對(duì)中鏈脂肪酸的轉(zhuǎn)化做了一系列研究，通過(guò)短鏈脂肪酸的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步通過(guò)鏈增長(zhǎng)反應(yīng)合成了一個(gè)中鏈脂肪酸，在這里，碳轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到70%以上，這個(gè)回收率其實(shí)是很高的。污泥原位減量過(guò)程中，也可以利用發(fā)酵過(guò)程形成的二氧化碳進(jìn)行碳鏈增長(zhǎng)。所以在這個(gè)過(guò)程中除了進(jìn)行高值化產(chǎn)品生產(chǎn)以外，我們還同時(shí)同步降低了二氧化碳的排放，

05

總結(jié)與展望

多元有機(jī)固廢的資源化利用，是實(shí)現(xiàn)廢棄物碳資源循環(huán)利用的重要途徑，也有助于實(shí)現(xiàn)城市綠色發(fā)展，加快實(shí)現(xiàn)行業(yè)碳中和的目標(biāo)。在今天的報(bào)告中，也給大家舉了三個(gè)典型的案例，第一個(gè)就是中藥渣的堆肥化，第二個(gè)就是農(nóng)林廢棄物的能源化，第三個(gè)就是城市剩余污泥的高值化。

這些新路徑探索之間，是否存在交叉，是未來(lái)需要思考與研究的地方。那么其中哪些技術(shù)是可以落地的呢？我們?cè)谥兴幵�堆肥化和農(nóng)林廢棄物能源化，任南琪院士在浙江也做了一些落地的項(xiàng)目，非常具有價(jià)值。我想未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)一些更加貼切的政策用于支撐此項(xiàng)工作，包括市場(chǎng)份額和產(chǎn)物價(jià)值鏈，鼓勵(lì)低能耗生物質(zhì)原料的供給等。因此非常期待未來(lái)在有機(jī)固廢多元資源化利用上有更好的成績(jī)。

關(guān)于會(huì)議