中科院汪印:城市污泥熱解制備生物炭及其制備陶粒等用途拓展研發

   

汪印:各位同仁大家好,我來自中國科學院城市環境研究所,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”。

我們的研發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,前后經過了五六年的時間。下面我簡要向各位匯報一下部分研發結果。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化行為就為污泥炭作為植物營養元素的使用提供了很好的前提條件。另外大家比較關注的是重金屬的問題。按照標準,我們把重金屬的存在形態分為四種形態,即弱酸提取態,可還原態,可氧化態及殘渣態。結果發現,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,而且以殘渣態和氧化態為主,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、四環素類和磺胺類 3 類典型抗生素的代表環丙沙星、土霉素、磺胺二甲嘧啶做了系統研究,結果發現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工作,比如說用污泥炭作為種苗基質的研究,分別對黃瓜、番茄、包菜、辣椒、水稻的種苗進行了育苗實驗,發現添加污泥生物炭的基質的種苗根系比對照組發達,后期的果實產量也增加很多,原因是生物炭的輸入能夠提高育苗基質中pH及有機質含量,改善土壤理化性質。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,發現污泥炭可增加番茄的產量、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的有效態均具有明顯的降低作用,同時它能夠提高水稻生物量的產量,也就是提高了水稻的產量。專門針對Cd的含量做了分析,結果表明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,通過研發作為建筑陶粒的原料,結果證明完全可行,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丙沙星去除率達到95%。

在前面的基礎性研究基礎上,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沼氣進行了測試,結果表明水利停留時間為9天、產氣量還是比較高的,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,對我們的研發成果給予了比較高的肯定。到目前為止,該技術成果也在逐漸的走向產業化應用階段,我們在2017年中標了廈門市島外兩萬噸的污泥處置工程,通過技術使用許可的方式,由天津北方創業集團市政工程公司中標了天津青凝侯瘀泥填埋場生態修復項目,據了解在國內應該是最大的,整套設備已經建成了,這些是工藝參數和設備系統、廠區內的外貌。今年我們進入東北市場,和吉林潤垚環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境問題。從我們這個角度來說,污泥的資源化是未來發展的重要方向。

以上就是我的匯報,謝謝大家!

附報告PPT