原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025年第11 期 《 市政污泥與餐廚垃圾厭氧沼渣協(xié)同熱解炭化技術(shù)研究與示范 》

市政污泥和餐廚垃圾是城市代謝產(chǎn)生的2種典型有機(jī)固廢，它們的低碳資源循環(huán)再利用是“無廢城市”建設(shè)的重要一環(huán)。目前，在全國將污泥和餐廚垃圾厭氧沼渣協(xié)同資源化處置的案例較少，且其共熱解制備的生物炭的理化性質(zhì)及重金屬的穩(wěn)定固化效果尚不明晰。《科技導(dǎo)報》邀請中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所汪印團(tuán)隊撰文，從多源固廢協(xié)同資源化再利用降低投資和運(yùn)行成本的角度，闡述了對市政污泥和餐廚垃圾厭氧沼渣進(jìn)行的共熱解實(shí)驗(yàn)研究，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，為協(xié)同轉(zhuǎn)化的中試示范運(yùn)行工藝以及生物炭產(chǎn)品的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2021年5月發(fā)布的第七次全國人口普查結(jié)果顯示，全國居住在城鎮(zhèn)的人口突破9.0億，城鎮(zhèn)化率達(dá)到63.89%，這意味著城市生活垃圾、餐廚/廚余垃圾、污水及污泥的產(chǎn)生量也在顯著增加。傳統(tǒng)的污泥處理處置方法包括衛(wèi)生填埋、土地利用、好氧堆肥、干化焚燒、厭氧消化等。然而，近年來在土地資源日益緊張、環(huán)境壓力不斷增加的背景下，填埋作為污泥“過渡性”的處置方式逐漸被其他處置方式所取代。

目前，在發(fā)達(dá)地區(qū)已出現(xiàn)新型的污泥資源化工藝，例如：建材利用、熱解炭化和水熱處理等。其中熱解炭化技術(shù)，作為歐盟和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)主流的污泥處置技術(shù)之一，近幾年在中國也逐漸得到重視和應(yīng)用。污泥熱解炭化不僅具有與焚燒相當(dāng)?shù)臏p量化能力，而且產(chǎn)生的固體產(chǎn)物生物炭能保留原污泥中氮磷鉀營養(yǎng)物質(zhì)、固持部分碳元素、完全消除抗生素并穩(wěn)定固化重金屬。

污泥熱解炭化雖然能夠獲得具有上述廣泛用途的生物炭，但是由于污泥本身的有機(jī)質(zhì)含量降低，導(dǎo)致污泥生物炭中的碳含量較低。此外，熱解炭化需要較高的反應(yīng)溫度，有一定的能源消耗。

基于上述污泥與其他有機(jī)廢棄物共熱解的優(yōu)勢以及與餐廚厭氧沼渣協(xié)同資源化研究的不足，我們建立了一套日處理能力干基20 t的脫水污泥與沼渣協(xié)同熱解炭化示范裝置，希望為污泥與餐廚厭氧沼渣的協(xié)同資源化的技術(shù)推廣與應(yīng)用提供寶貴的理論支撐和示范經(jīng)驗(yàn)。

01

材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

市政污泥（含水率78.18%）采自廈門市某污水處理廠，實(shí)驗(yàn)所用沼渣（含水率78.83%）來自廈門市某餐廚垃圾厭氧產(chǎn)沼氣工程，實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司提供。所有實(shí)驗(yàn)均使用超純水。

1.2 熱解實(shí)驗(yàn)裝置和方法

熱解實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，裝置由高純氬氣（Ar，純度>99.999%）供給系統(tǒng)、熱解反應(yīng)系統(tǒng)和產(chǎn)物收集系統(tǒng)組成。產(chǎn)物收集系統(tǒng)由焦油收集裝置及氣體定量裝置組成。焦油經(jīng)深度冷卻和丙酮吸收2種方式共同收集，而氣體采用排水法進(jìn)行收集并定量。

圖1 熱解實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.3 分析方法

采用元素分析儀（Vario MAX，德國）測定樣品中C、H、N、S的含量。確保使用高純度去離子水并在恒定溫度（通常25℃）下操作）。采用FTIR（Frontier，美國）識別和顯示污泥和生物炭表面官能團(tuán)的特征，其波數(shù)范圍為400~4000 cm?1。

通過歐洲共同體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局提出的BCR形態(tài)順序提取方法對浸出試驗(yàn)前后的樣品進(jìn)行分析，通過3步連續(xù)萃取程序?qū)⒅亟饘俜殖?種形態(tài)。重金屬的形態(tài)分析依據(jù)BCR連續(xù)提取程序進(jìn)行，通過一系列提取步驟（圖2），可分離出4種不同形態(tài)的重金屬：弱酸可提取態(tài)（F1）、可還原態(tài)（F2）、可氧化態(tài)（F3）和殘渣態(tài)（F4）。

圖2 BCR分級提取步驟

1.4 示范工程

在基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，本團(tuán)隊設(shè)計并在深圳市某城市固廢處置中心廠內(nèi)建立了一套日處理能力干基20 t（相當(dāng)于80% 濕基100 t）的脫水污泥、沼渣協(xié)同熱解炭化示范裝置，其核心工藝流程如圖3所示。

圖3 日處理污泥/沼渣能力干基20 t（相當(dāng)于80% 濕基100 t）的示范裝置核心工藝流程

該示范工程累計運(yùn)行時長為109 d，包括污泥單獨(dú)熱解88 d、沼渣單獨(dú)熱解9 d以及沼渣混合污泥共同熱解12 d，中試示范裝置及運(yùn)行現(xiàn)場（圖4）。

圖4 中試示范裝置及運(yùn)行現(xiàn)場

02

結(jié)果與討論

為了探明污泥和沼渣協(xié)同共熱解的最優(yōu)配比，并明晰生物炭相關(guān)性質(zhì)及其中重金屬的存在形態(tài)，首先在實(shí)驗(yàn)室開展了脫水污泥和餐廚垃圾厭氧沼渣共熱解的基礎(chǔ)研究。該基礎(chǔ)研究結(jié)果為協(xié)同轉(zhuǎn)化的中試示范運(yùn)行工藝以及生物炭產(chǎn)品的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。具體結(jié)果分析如下。

2.1 脫水污泥和餐廚垃圾厭氧沼渣共熱解的產(chǎn)物分布

脫水污泥和餐廚垃圾厭氧沼渣共熱解的產(chǎn)物分布見圖5。可以看出，隨著沼渣向污泥中添加比例的增加，熱解生成的焦油和熱解氣產(chǎn)率均有所降低，而生物炭產(chǎn)率則逐漸升高。由表1所示的物料性質(zhì)分析結(jié)果可以看出，沼渣的灰分含量高于污泥的灰分含量，這是導(dǎo)致隨沼渣添加比例增加而使共熱解生物炭產(chǎn)率升高的直接原因。

圖5 脫水污泥和餐廚垃圾厭氧沼渣共熱解的產(chǎn)物分布

表1 污泥、沼渣及生物炭的物化性質(zhì)

2.2 共熱解生物炭特性分析

實(shí)驗(yàn)所用污泥、沼渣、單獨(dú)及混合熱解所制的生物炭的基本性質(zhì)見表1。污泥和沼渣共熱解后，所得生物炭的pH值較原污泥均有顯著提高，這可能是由于沼渣中含有大量CaCO3在熱解過程中部分轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO而呈現(xiàn)堿性所致。元素分析顯示，生物炭中C、N和S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比原污泥中的低。研究發(fā)現(xiàn)沼渣與脫水污泥相比，含有大量的含氮化合物，經(jīng)熱解后生物炭中的氮元素顯著降低，可見沼渣中的含氮化合物在熱解過程中發(fā)生裂解反應(yīng)轉(zhuǎn)移到焦油和熱解氣中。原污泥和沼渣經(jīng)熱解后，固體產(chǎn)物生物炭中鉀和磷的含量均有顯著增加，共熱解后的鉀和磷主要富集在生物炭中，可見共熱解生物炭可以有效地保留營養(yǎng)元素鉀和磷，為生物炭作為植物生長肥料提供了有利條件。

為了探明添加餐廚沼渣熱解炭化后生物炭表面官能團(tuán)的變化，明晰沼渣對生物炭表面性質(zhì)的影響，對生物炭進(jìn)行了紅外譜圖分析（圖6）。可知3200~3400 cm?1處的吸收峰為羥基和羧基的O—H伸縮振動峰。與污泥相比，生物炭中的O—H伸縮振動峰有明顯減弱，這是因?yàn)?strong>污泥熱解過程中發(fā)生脫水反應(yīng)，羥基和羧基逐漸減少所致。然而不同沼渣添加量對其生物炭的紅外譜圖的影響并不明顯。

圖6 污泥和沼渣共熱解所得生物炭的紅外譜圖

2.3 脫水污泥和沼渣共熱解所得生物炭中重金屬的總量及形態(tài)分析

重金屬總量及形態(tài)分布在固廢處置及固廢基生物炭的資源化利用過程中一直備受關(guān)注。表2所示為污泥、沼渣及生物炭所含的重金屬總量情況。污泥生物炭及共熱解生物炭中重金屬含量較原污泥均有一定程度的富集。重金屬的毒性和生物可利用性主要與其形態(tài)有關(guān)。通常，重金屬根據(jù)其生物有效性可分為3類：生物有效性、潛在生物有效性和無生物有效性的重金屬。

表2 污泥、沼渣及生物炭中重金屬總量分析

從圖7可以看出，污泥中6種重金屬中Zn存在于可交換態(tài)和酸溶態(tài)（F1）的濃度百分比是最高的。Ni和Cd具有生物有效性形態(tài)的重金屬（F1+F2）的百分比仍然很高，而Cu和Cr存在于生物有效性形態(tài)的重金屬（F1+F2）的百分比是最低的，主要以可氧化態(tài)（F3）和殘渣態(tài)（F4）形態(tài)存在，相對較為穩(wěn)定。分析結(jié)果表明，將原污泥直接釋放到環(huán)境中會帶來較高的潛在生態(tài)風(fēng)險。

圖7 污泥和沼渣不同比例共熱解生物炭中重金屬的形態(tài)分布

對于Cr，當(dāng)污泥和沼渣為1∶1共熱解的時候其固化效果最為顯著。而對于Ni而言，雖然F4態(tài)有所降低，但是比較穩(wěn)定的F3+F4態(tài)的總占比基本僅略微降低。在混合比為1∶1與1∶3的情況下，生物炭中不同重金屬的F3+F4所占比例均高達(dá)80%以上（圖8）。因此，在后續(xù)的中試驗(yàn)證中，將采用污泥與沼渣1∶1共熱解的策略。

圖8 污泥和沼渣不同比例共熱解生物炭中重金屬的殘渣態(tài)和氧化態(tài)所占比例

在重金屬固化機(jī)理方面，添加沼渣對Zn和Cd的固化效果非常明顯，污泥與其比例在1∶3時，即可大幅提升F4態(tài)的占比。此外，添加沼渣共熱解，Cu、Cr、Ni等其他重金屬也得到更有效的固化，可能是因?yàn)檎釉械拟}和磷可與重金屬形成更穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。從圖8污泥和沼渣不同比例共熱解生物炭中重金屬的殘渣態(tài)和氧化態(tài)所占比例可知，共熱解所得生物炭中重金屬的殘渣態(tài)和氧化態(tài)比例均高達(dá)80%以上。結(jié)果表明，熱解炭化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)污泥和餐廚沼渣的協(xié)同高值轉(zhuǎn)化，促進(jìn)污泥中營養(yǎng)元素的富集以及重金屬的有效固化，制備得到具有高附加值的生物炭產(chǎn)品。

2.4 示范工程原料使用分析

使用的原料為固廢處置中心內(nèi)脫水餐廚厭氧沼渣和污泥，其工業(yè)分析和元素分析及熱值如表3所示，混合原樣為污泥和沼渣按質(zhì)量比1∶1混合樣品。

表3 污泥和沼渣及其混合樣品工業(yè)分析和元素分析結(jié)果

2.5 中試示范處理量、產(chǎn)量及熱解溫度間的關(guān)系

圖9（a）~（c）所示分別為污泥單獨(dú)熱解88 d、沼渣單獨(dú)熱解9 d以及沼渣混合污泥共同熱解12 d的日處理量、生物炭產(chǎn)量及平均熱解溫度關(guān)系圖。總體來看，在平均熱解溫度400~500℃，單獨(dú)污泥或沼渣以及污泥與沼渣混合熱解后的生物炭得率基本在25%~30%。

圖9 污泥和沼渣熱解炭化示范運(yùn)行數(shù)據(jù)

從表4所示的污泥生物炭和沼渣生物炭及其混合樣品生物炭分析結(jié)果可以看出，生物炭中的揮發(fā)分只有13%~15%，高位熱值在4500~5500 kJ·kg?1，說明污泥/沼渣生物炭可以作為低熱值燃料使用。開發(fā)的臥式螺旋輸送熱解炭化爐設(shè)計有高溫?zé)峤饪扇細(xì)獾幕赜霉δ埽瑹峤膺^程產(chǎn)生的熱解可燃?xì)庵苯臃祷氐綘t膛進(jìn)行燃燒功能。該設(shè)計策略可以大大降低熱解所需的外部能源。

另外，生物炭中的固定碳含量<10%，這種碳非常穩(wěn)定，將其施入土壤中后可以長期穩(wěn)定存在而不被分解釋放CO2，與污泥焚燒相比，具有很好的固碳減排作用。

表4 污泥生物炭和沼渣生物炭及其混合樣品的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果

2.6 中試示范生物炭產(chǎn)物重金屬含量及形態(tài)分析

重金屬總量及形態(tài)分布在固廢處置及固廢基生物炭的資源化利用過程中一直備受關(guān)注。表5所示為中試示范中污泥、沼渣及生物炭產(chǎn)物等所含的各重金屬總量情況。污泥生物炭及共熱解生物炭中重金屬含量較原污泥均有一定程度的富集。參照《污泥生物炭園林綠化應(yīng)用指南》（T/CIET 963—2025），重金屬含量均低于限值，具有園林綠化應(yīng)用潛質(zhì)。

表5 中試示范中污泥、沼渣及生物炭產(chǎn)物中重金屬含量

采用BCR分析方法對污泥、沼渣、熱解產(chǎn)物生物炭中重金屬存在的4種形態(tài)（F1、F2、F3 和 F4）進(jìn)行測定，并將百分比示于圖10。可以看出，熱解后重金屬得到了顯著穩(wěn)定固化，與實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果趨勢一致。圖10還顯示出污泥和沼渣協(xié)同熱解對重金屬的穩(wěn)定固化效果更顯著，雖然機(jī)理尚在解析過程中，但說明除了單獨(dú)熱解外、污泥和沼渣協(xié)同熱解對重金屬的穩(wěn)定固化更有效。

圖10 污泥、沼渣及其熱解生物炭中重金屬存在形態(tài)占比

2.7 熱解炭化煙氣檢測

本示范裝置對熱解氣燃燒后的尾氣處理只采取了水洗噴淋降溫和布袋除塵，出布袋后的煙氣并入所在工廠原有系統(tǒng)的煙氣處理系統(tǒng)進(jìn)行脫硫脫硝、除臭等處理。因此，煙氣采樣口設(shè)在送往現(xiàn)有的煙氣凈化系統(tǒng)前端，檢測項目包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物和硫化氫，檢測結(jié)果如表6所示。

表6 污泥熱解炭化煙氣檢測結(jié)果

我們的研究從多源固廢協(xié)同資源化再利用降低投資和運(yùn)行成本、減輕環(huán)境負(fù)荷的角度，提出了城市污泥與餐廚垃圾共熱解實(shí)現(xiàn)協(xié)同高值轉(zhuǎn)化的技術(shù)路線和研究思路，并從實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究到中試示范設(shè)計運(yùn)行，系統(tǒng)驗(yàn)證了我們所研究技術(shù)的可行性和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力。基于基礎(chǔ)研究獲得的污泥與沼渣的優(yōu)化配比以及熱解溫度，我們的團(tuán)隊通過自主設(shè)計的日處理量為干基20 t·d?1的臥式旋轉(zhuǎn)外熱式熱解設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了污泥與沼渣共熱解協(xié)同高值轉(zhuǎn)化的長期穩(wěn)定運(yùn)行。因此，污泥與餐廚沼渣協(xié)同熱解具有很好的工程化應(yīng)用前景，可為市政污泥與餐廚垃圾厭氧沼渣的協(xié)同低碳資源循環(huán)再利用提供新的技術(shù)方案，支撐美麗中國生態(tài)文明和“無廢城市”的降碳減污協(xié)同增效建設(shè)。

03

結(jié)論

我們從基礎(chǔ)研究到中試示范系統(tǒng)地探究了市政污泥和餐廚垃圾厭氧沼渣共熱解的協(xié)同資源化技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)室研究，探討了沼渣向污泥中添加的不同比例對生物炭的得率、理化性質(zhì)以及其中重金屬的存在形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)隨著沼渣添加量的增加，生物炭得率增加。進(jìn)一步地，我們通過自主研發(fā)建立了一套日處理能力干基20 t的脫水污泥與沼渣協(xié)同熱解炭化示范裝置，并根據(jù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的工藝進(jìn)行了長達(dá)109 d的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。我們的研究結(jié)果可為市政污泥與餐廚垃圾厭氧沼渣的協(xié)同低碳資源循環(huán)再利用提供新的技術(shù)方案和理論依據(jù)。

本文作者：汪印、李智偉、李杰、劉學(xué)蛟、王興棟、代敏、陳坤鎮(zhèn)、邱勝

作者簡介：汪印，中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，區(qū)域與城市生態(tài)安全全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)環(huán)境裝備和污染防治技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院城市固體廢棄物資源化技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，研究員，研究方向?yàn)楣虖U低碳資源轉(zhuǎn)化技術(shù)與裝備研發(fā)；李智偉（共同第一作者），中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，區(qū)域與城市生態(tài)安全全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)環(huán)境裝備和污染防治技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院城市固體廢棄物資源化技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，助理研究員，研究方向?yàn)楣虖U資源化利用技術(shù)。

文章來 源 ： 汪印, 李智偉, 李杰, 等. 市政污泥與餐廚垃圾厭氧沼渣協(xié)同熱解炭化技術(shù)研究與示范[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(11): 74?86 .

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