郭婉茜：有機固廢資源化路徑求索與實踐
哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、國家高層次人才計劃入選者郭婉茜以“有機固廢資源化的路徑求索與實踐”為主題進行了發(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案例深入探討了有機固廢的資源化路徑。
本文根據(jù)其發(fā)言整理
01
有機固廢資源化的重大意義
近年來，隨著國家對固廢處理處置的日漸重視，使得有機固廢資源化路徑和處理探索變得尤為重要。有機固廢分為幾大類：第一是農(nóng)林類的；第二是城市的；第三是典型的行業(yè)有機固廢。這些有機固廢都是在生活以及城市運轉(zhuǎn)、工業(yè)生產(chǎn)過程中所帶來的必然產(chǎn)物。在前期的統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，有機固廢在我國“十三五”到“十四五”期間，總產(chǎn)量是非常大的，大約達到年產(chǎn)100億噸。來自于特殊行業(yè)源的有機固廢占到整個有機固廢的60%以上，所以這些有機固廢的處理處置，包括安全處置與后續(xù)利用潛力巨大。
據(jù)不完全統(tǒng)計，有機固廢的碳排放量可能占到我國全社會總排放量比例的1%~ 3%，也就是說污廢水處理行業(yè)及有機固廢處理行業(yè)，總的碳排放排名比較靠前，約占到社會總碳排的3%~5%。盡管與能源行業(yè)總量差距很大，但在整個降碳中起到重要的作用，是不可忽視的。
對于有機固廢除了處理處置以外，還會關(guān)注其對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，以期通過碳補償和碳替代的方式，來完成有機固廢碳減排能力的利用。在歐美國家，我們發(fā)現(xiàn)他們通過污泥生物質(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程中，有機固廢的資源化才是實現(xiàn)廢棄物領(lǐng)域碳中和的一個關(guān)鍵路徑。
在面向2030、2060年碳達峰碳中和這兩個目標(biāo)，未來三十年需盡快實現(xiàn)的是清潔能源的替代、化石能源以及低碳經(jīng)濟替代石化經(jīng)濟的過程。我們現(xiàn)在比較關(guān)注生物質(zhì)，因為生物質(zhì)在整個全周期評價中是具有零碳屬性的。因此無論在國內(nèi)或是國際，這個問題都備受關(guān)注。歐盟早就制定了計劃，到2030年生物質(zhì)基原料替代6~12%化工原料。在美國2050年布局中顯示，生物質(zhì)基化學(xué)材料比例將達到50%。在我國有機固廢年產(chǎn)量已經(jīng)超過60億噸，經(jīng)過這樣的生物化學(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。
我們認為有機固廢資源化是可以實現(xiàn)碳中和的有效路徑之一。在協(xié)同減污降碳的同時，可以通過生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，將有機固廢利用，進一步實現(xiàn)資源物質(zhì)的回收，在這個過程中當(dāng)然也會考慮碳減排的問題。
有機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)進行適當(dāng)?shù)睦棉D(zhuǎn)化以后，形成高值燃料，就實現(xiàn)了對傳統(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現(xiàn)二氧化碳的減排。有機固廢制備的多種生物基（平臺）化學(xué)品，具有環(huán)境友好、易降解的優(yōu)勢。為了實現(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個科學(xué)問題中，涉及廢棄物資源循環(huán)利用的重大科學(xué)問題有很多。其實我們國家與國際其他國家在有機固廢利用領(lǐng)域，相對比較同步，尤其我國又是一個有機固廢產(chǎn)量大國，這幾年有機固廢資源化一直是研究熱點，近兩年也發(fā)表了很多高水平文章，對于有機固廢將來的利用路徑進行了一些創(chuàng)造性的探討，也為將來的產(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)研究進展
我們團隊致力于研究黑龍江一些典型有機固廢的多元資源化途徑，開發(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)也實現(xiàn)了中試和產(chǎn)業(yè)示范。
接下來，將舉幾個具體的案例介紹一下有機固廢應(yīng)用的資源化路徑。第一個是我們國家比較有特色的有機固廢，中藥渣；第二個就是農(nóng)林廢棄物；第三個就是我們比較關(guān)注的市政污泥。
中藥的生產(chǎn)是我們國家非常有特色的一個行業(yè)，尤其是在這幾年，面對疫情肆虐的情況下，中藥行業(yè)在人民健康保障上做出了重大的貢獻。目前中藥渣的年產(chǎn)量在一噸以上，主要來源于中成藥的生產(chǎn)過程，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，包括進行肥料的生產(chǎn)、可燃氣的提取、土壤的修復(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。
團隊幾年間，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)和一些氮磷鉀等營養(yǎng)元素，進行了綜合利用。在綜合利用過程中，把中藥渣的優(yōu)勢充分的發(fā)揮出來，中藥渣的特點就是無毒，原材料采購過程中，對品質(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肥還可以增加土壤中的有機質(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)其實為藥渣處理和資源化提供了一個有效的途徑。
我們在研究和示范應(yīng)用過程中，也遇到了一些難點和挑戰(zhàn)，包括含水率解決的問題，易腐的問題，木質(zhì)素含量高的問題等。這里面我們也做了一系列的技術(shù)研發(fā)，來保證堆肥能有效的進行。首先從菌劑強化入手，我們在堆肥過程中研發(fā)了一系列的菌劑，使得肥效進一步提高，除了對物料進一步分解產(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)用的時候，肥效和抑生作用，都在考慮的范圍內(nèi)。我們還開發(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)開發(fā)出一些綜合的菌劑，實現(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)定向合成的潛在機理。在中藥堆肥過程中，完成了一項工程，另一項也在試運行過程中，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家525-2021的標(biāo)準(zhǔn)。
這個示范工程中產(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，因為它有一定防腐殺菌的效果，藥效還不會影響植物的正常生長。中藥渣堆的肥和常規(guī)的糞便堆肥有很大的區(qū)別，團隊也在緊鑼密鼓地去做藥渣堆肥和其他肥效比較的實驗。當(dāng)?shù)匾粋�重要的中藥苗圃基地，實現(xiàn)了有機肥的回用，在回用過程中我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過堆肥形成有機肥的土壤，要比當(dāng)?shù)氐脑纪寥婪市Ш煤芏啵绕胀ǖ挠袡C肥活性也要好一些，因此在種植上有明顯的優(yōu)勢。
03
秸稈產(chǎn)氫技術(shù)研究進展
在能源化方面，團隊做了很多年的研究，歸納來說就是用廢棄生物質(zhì)制氫氣。氫是一項清潔能源，無碳排、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，我國也逐步重視氫能，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識。
廢棄生物制氫歸結(jié)為以綠氫為主要生產(chǎn)過程的制氫。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)藍氫產(chǎn)制的過程，在未來雙碳目標(biāo)下的競爭下就會逐漸減弱，即便如此，我們在綠氫生產(chǎn)中也有一些瓶頸需要解決。
我們歸納了幾個綠氫生產(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較大的問題，也是未來需要解決和突破的。第二就是技術(shù)經(jīng)濟性受限。隨著國家政策的相繼出臺，對綠氫生產(chǎn)的補貼包括支撐，可能會為將來綠氫的生產(chǎn)、研發(fā)、放大化，提供更好的路徑和指導(dǎo)方向。在上個世紀(jì)90年代，任南琪院士率先發(fā)現(xiàn)了獨特的乙醇型發(fā)酵制氫途徑，也是世界上用生物質(zhì)發(fā)酵來產(chǎn)氫的兩大途徑之一。
團隊也直接用發(fā)酵菌做了一些纖維素同步產(chǎn)氫的實驗，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)機制，采用一些強化方法，閉環(huán)生物炭體系來強化產(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價中，計算了一個碳足跡，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，完成了世界上首個生物制氫中試系統(tǒng)，實現(xiàn)了從0到1的突破。下圖是當(dāng)時我們做的生產(chǎn)車間，這是任院士當(dāng)時一個非常好的專利放大。
04
污泥原位減量與資源化技術(shù)研究
當(dāng)前，我國的污泥問題還是比較嚴(yán)重的，處理率相對較低。尤其在國家提出資源化比例提高的這么一個指揮棒下，如何達到污泥的再利用，是很值得關(guān)注的問題。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行有機碳的捕獲分離，在生物處理單元選擇性投加解偶聯(lián)劑實現(xiàn)污泥原位減量。第二，污泥還可以用熱解技術(shù)來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。污泥熱解過程中會釋放很多的氮硫污染氣體，通過識別其關(guān)鍵中間產(chǎn)物，構(gòu)建原位截流技術(shù)實現(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，我覺得高值轉(zhuǎn)化是大家未來應(yīng)該關(guān)注的一個重點環(huán)節(jié)。我們在做中藥渣那部分工作的時候，也在關(guān)注高值轉(zhuǎn)化，有機固廢之所以有機就是含碳氫氧，以什么樣的形式進行高值轉(zhuǎn)化，這是未來比較重要的創(chuàng)新點和突破口。
近十年來，團隊對中鏈脂肪酸的轉(zhuǎn)化做了一系列研究，通過短鏈脂肪酸的轉(zhuǎn)化，進一步通過鏈增長反應(yīng)合成了一個中鏈脂肪酸，在這里，碳轉(zhuǎn)化率可以達到70%以上，這個回收率其實是很高的。污泥原位減量過程中，也可以利用發(fā)酵過程形成的二氧化碳進行碳鏈增長。所以在這個過程中除了進行高值化產(chǎn)品生產(chǎn)以外，我們還同時同步降低了二氧化碳的排放，
05
總結(jié)與展望
多元有機固廢的資源化利用，是實現(xiàn)廢棄物碳資源循環(huán)利用的重要途徑，也有助于實現(xiàn)城市綠色發(fā)展，加快實現(xiàn)行業(yè)碳中和的目標(biāo)。在今天的報告中，也給大家舉了三個典型的案例，第一個就是中藥渣的堆肥化，第二個就是農(nóng)林廢棄物的能源化，第三個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？我們在中藥渣堆肥化和農(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目，非常具有價值。我想未來可能會出現(xiàn)一些更加貼切的政策用于支撐此項工作，包括市場份額和產(chǎn)物價值鏈，鼓勵低能耗生物質(zhì)原料的供給等。因此非常期待未來在有機固廢多元資源化利用上有更好的成績。
