中科院汪印:城市污泥热解制备生物炭及其用途拓展研发

 

汪印:各位同仁大家好,我来自中国科学院城市环境研究所,我给各位汇报的题目是“城市污泥热解制备生物炭及其用途拓展的研发”。

我们的研发是在中国科学院和国家科技部的大力支持下进行的,通过实验室研究和中试验证,前后经过了五六年的时间。下面我简要向各位汇报一下部分研发结果。污泥制备生物炭的目的之一是把污泥中的氮磷钾等营养元素保留在污泥炭中,以致于它利用到园林绿化、作物种植等方面。在整个处理过程中,氮磷钾如何迁移转化,我们做了一个归纳,就是随着热解温度的升高,污泥生物炭中的总氮含量随着降低,在600℃的温度下氮含量降低到60wt%,而且氮的存在形态也随着热解温度改变。第二个就是磷资源,磷在我们的热解处理过程中基本上没有任何的损耗,还是保留在了污泥炭当中,只是它的存在形态有所改变。钾资源和磷比较相似,基本上在600℃以下全部残留在污泥炭当中。那么以上氮磷钾资源的迁移转化行为就为污泥炭作为植物营养元素的使用提供了很好的前提条件。另外大家比较关注的是重金属的问题。按照标准,我们把重金属的存在形态分为四种形态,即弱酸提取态,可还原态,可氧化态及残渣态。结果发现,通过脱水和热解之后,污泥中重金属Cu、Zn、Cr、Ni、Pb主要富集在生物炭中,而且以残渣态和氧化态为主,浸出性很低,安全性好,为它的后期安全利用提供了一个有利的保障。刚才讲到了抗生素的问题,我们这里面专门针对氟喹诺酮类、四环素类和磺胺类 3 类典型抗生素的代表环丙沙星、土霉素、磺胺二甲嘧啶做了系统研究,结果发现要想把这几类抗生素完全分解,所需要的温度必须在600℃左右。所以经过我们这种工艺的处置,抗生素的问题也可以得到彻底的解决。

那么污泥生物炭是大家关注的一个方向,这是生物炭与微生物的相互作用以及生物炭的环境功能影响机理方面的综述报告(X. Zhu et al., Environmental Pollution, 2017, 227 : 98-115),里面有详细的阐述,这这里就不展开了。我们具体做了以下生物炭的用途开发工作,比如说用污泥炭作为种苗基质的研究,分别对黄瓜、番茄、包菜、辣椒、水稻的种苗进行了育苗实验,发现添加污泥生物炭的基质的种苗根系比对照组发达,后期的果实产量也增加很多,原因是生物炭的输入能够提高育苗基质中pH及有机质含量,改善土壤理化性质。将污泥生物炭作为炭基肥料的使用也分别对番茄、小白菜、水稻种植进行了测试,发现污泥炭可增加番茄的产量、有效降低土壤的PAHs含量、并减少土壤中的重金属进入果实,污泥炭同样促进小白菜地上和地下部分的产量。在湖南水稻田间试验测试表明,污泥生物炭对重金属Cd、Cu和Zn的有效态均具有明显的降低作用,同时它能够提高水稻生物量的产量,也就是提高了水稻的产量。专门针对Cd的含量做了分析,结果表明Cd进入大米谷粒中的含量明显降低。那么作为炭基肥料,采用EDI和HQ两项指标来评价污泥生物炭种植水稻的安全性,比如说Cd和Cu用这个指标衡量,与没有添加污泥生物炭的相比,对于这两种毒性指标的降低非常明显,这证明污泥生物炭或者其它生物炭有利于提高种植作物等的安全性。我们也把污泥炭作为吸附剂来拓展其用途,目前污水厂排水中的磷还是超标,我们把它进行改性,作为吸附剂来降低排水中磷含量的目的。结果表明,我们改性的污泥炭对磷的吸附效果很好,吸附能力非常强,达到10 mg- P/g-以上。同时这个污泥炭本身含有很多的铁、铝、硅等元素,和黏土的含量相似,通过研发作为建筑陶粒的原料,结果证明完全可行,而且这种陶粒还有很好的吸附液体中污染物的能力,比如说对废水中的环丙沙星去除率达到95%。

在前面的基础性研究基础上,我们首先建立了小型的20吨/日的示范工程,总体工艺路线是水热脱水耦合热解炭化,现场就在厦门市污水厂,厦门市水务集团对我们提供了很大的帮助。在示范运行上,对前面我们实验室研究的从脱水到热解炭化过程中的氮磷钾迁移转化行为得到了非常好的验证,效果比实验室在某种程度上更好。在现场我们还建了一个大型的UASB厌氧反应器,对污泥水热脱水液的厌氧产沼气进行了测试,结果表明水利停留时间为9天、产气量还是比较高的,大概是270ml/g-COD的水平,沼气中的甲烷含量可以达到74%,比通常污泥厌氧的60%左右要高很多。我们对这个工艺系统进行了一个物料平衡计算,含水率80%的污泥通过该工艺处理,最后的污泥炭产率不到10%、即原污泥的减量在90%以上。

刚才讲了在中科院项目的支持下,我们前期也对这个成果进行了一个评估,包括中科院、清华、浙大、厦大、厦门市水务等单位的专家、工程师,对我们的研发成果给予了比较高的肯定。到目前为止,该技术成果也在逐渐的走向产业化应用阶段,我们在2017年中标了厦门市岛外两万吨的污泥处置工程,通过技术使用许可的方式,由天津北方创业集团市政工程公司中标了天津青凝侯瘀泥填埋场生态修复项目,据了解在国内应该是最大的,整套设备已经建成了,这些是工艺参数和设备系统、厂区内的外貌。今年我们进入东北市场,和吉林润垚环境生物科技有限公司进行了合作处置吉林市的污泥,也包括进入浙江、西安等省市。

总之污泥处理处置的道路比较漫长,需要大家共同努力才能为我们国家解决这样一个比较急迫的环境问题。从我们这个角度来说,污泥的资源化是未来发展的重要方向。

以上就是我的汇报,谢谢大家!

附报告PPT