報(bào)告人：中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所  汪印 教授 博導(dǎo)

 來(lái)源:中國(guó)給水排水 cnww1985
汪印：各位同仁大家好，我來(lái)自中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，我給各位匯報(bào)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(guó)城市污泥產(chǎn)量在以每年約10%的速度增加，雖然我國(guó)家各個(gè)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(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。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(lái)的研究方向。污泥處理處置有兩個(gè)瓶頸問(wèn)題，第一個(gè)是如何高效脫水，第二個(gè)是脫水之后的泥怎么辦，這里面我們形成了兩個(gè)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(yù)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(guò)外熱式熱解炭化制成生物炭，它有很多的用途，后面會(huì)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(kāi)發(fā)了一種高液壓機(jī)械脫水，它的壓力可以達(dá)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(dá)到40%以下，脫水后的污泥同樣是通過(guò)熱解炭化制成生物炭。我們也獲得了這方面的發(fā)明專(zhuān)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(shì)，我在這里只強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)，第一點(diǎn)污泥熱解對(duì)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(shí)候降低其對(duì)環(huán)境的影響風(fēng)險(xiǎn);第二點(diǎn)污泥中的抗生素問(wèn)題，很多人還沒(méi)有關(guān)注，也有一部分人關(guān)注。通過(guò)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(guò)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(guó)科學(xué)院和國(guó)家科技部的大力支持下進(jìn)行的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究和中試驗(yàn)證，前后經(jīng)過(guò)了五六年的時(shí)間。下面我簡(jiǎn)要向各位匯報(bào)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(yíng)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(gè)處理過(guò)程中，氮磷鉀如何遷移轉(zhuǎn)化，我們做了一個(gè)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(gè)就是磷資源，磷在我們的熱解處理過(guò)程中基本上沒(méi)有任何的損耗，還是保留在了污泥炭當(dāng)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(dāng)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(yíng)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(wèn)題。按照標(biāo)準(zhǔn)，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?jiān)鼞B(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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?jiān)鼞B(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(gè)有利的保障。剛才講到了抗生素的問(wèn)題，我們這里面專(zhuān)門(mén)針對(duì)氟喹諾酮類(lèi)、四環(huán)素類(lèi)和磺胺類(lèi) 3 類(lèi)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(lèi)抗生素完全分解，所需要的溫度必須在600℃左右。所以經(jīng)過(guò)我們這種工藝的處置，抗生素的問(wèn)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(gè)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(jī)理方面的綜述報(bào)告(X. Zhu et al., Environmental Pollution, 2017, 227 : 98-115)，里面有詳細(xì)的闡述，這這里就不展開(kāi)了。我們具體做了以下生物炭的用途開(kāi)發(fā)工作，比如說(shuō)用污泥炭作為種苗基質(zhì)的研究，分別對(duì)黃瓜、番茄、包菜、辣椒、水稻的種苗進(jìn)行了育苗實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加污泥生物炭的基質(zhì)的種苗根系比對(duì)照組發(fā)達(dá)，后期的果實(shí)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(jī)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(duì)番茄、小白菜、水稻種植進(jìn)行了測(cè)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(jìn)入果實(shí)，污泥炭同樣促進(jìn)小白菜地上和地下部分的產(chǎn)量。在湖南水稻田間試驗(yàn)測(cè)試表明，污泥生物炭對(duì)重金屬Cd、Cu和Zn的有效態(tài)均具有明顯的降低作用，同時(shí)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(zhuān)門(mén)針對(duì)Cd的含量做了分析，結(jié)果表明Cd進(jìn)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(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)污泥生物炭種植水稻的安全性，比如說(shuō)Cd和Cu用這個(gè)指標(biāo)衡量，與沒(méi)有添加污泥生物炭的相比，對(duì)于這兩種毒性指標(biāo)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(lái)拓展其用途，目前污水廠(chǎng)排水中的磷還是超標(biāo)，我們把它進(jìn)行改性，作為吸附劑來(lái)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(duì)磷的吸附效果很好，吸附能力非常強(qiáng)，達(dá)到10 mg- P/g-以上。同時(shí)這個(gè)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(guò)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(shuō)對(duì)廢水中的環(huán)丙沙星去除率達(dá)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(xiàn)是水熱脫水耦合熱解炭化，現(xiàn)場(chǎng)就在廈門(mén)市污水廠(chǎng)，廈門(mén)市水務(wù)集團(tuán)對(duì)我們提供了很大的幫助。在示范運(yùn)行上，對(duì)前面我們實(shí)驗(yàn)室研究的從脫水到熱解炭化過(guò)程中的氮磷鉀遷移轉(zhuǎn)化行為得到了非常好的驗(yàn)證，效果比實(shí)驗(yàn)室在某種程度上更好。在現(xiàn)場(chǎng)我們還建了一個(gè)大型的UASB厭氧反應(yīng)器，對(duì)污泥水熱脫水液的厭氧產(chǎn)沼氣進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明水利停留時(shí)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(dá)到74%，比通常污泥厭氧的60%左右要高很多。我們對(duì)這個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行了一個(gè)物料平衡計(jì)算，含水率80%的污泥通過(guò)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(xiàng)目的支持下，我們前期也對(duì)這個(gè)成果進(jìn)行了一個(gè)評(píng)估，包括中科院、清華、浙大、廈大、廈門(mén)市水務(wù)等單位的專(zhuān)家、工程師，對(duì)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(yīng)用階段，我們?cè)?017年中標(biāo)了廈門(mén)市島外兩萬(wàn)噸的污泥處置工程，通過(guò)技術(shù)使用許可的方式，由天津北方創(chuàng)業(yè)集團(tuán)市政工程公司中標(biāo)了天津青凝侯瘀泥填埋場(chǎng)生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目，據(jù)了解在國(guó)內(nèi)應(yīng)該是最大的，整套設(shè)備已經(jīng)建成了，這些是工藝參數(shù)和設(shè)備系統(tǒng)、廠(chǎng)區(qū)內(nèi)的外貌。今年我們進(jìn)入東北市場(chǎng)，和吉林潤(rùn)垚環(huán)境生物科技有限公司進(jìn)行了合作處置吉林市的污泥，也包括進(jìn)入浙江、西安等省市。

總之污泥處理處置的道路比較漫長(zhǎng)，需要大家共同努力才能為我們國(guó)家解決這樣一個(gè)比較急迫的環(huán)境問(wèn)題。從我們這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，污泥的資源化是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

以上就是我的匯報(bào)，謝謝大家!

附報(bào)告PPT