中国沼气学会学术年会暨中德沼气合作论坛
2024年10月北京（待定）
编者按：2022年12月15日，由中国沼气学会、哈尔滨工业大学共同主办的2022中国沼气学会学术年会暨第十二届中德沼气合作论坛开幕，并于12月15、16、20、21、22日5天举办了主旨论坛、农业农村沼气工程技术创新论坛、城市有机固废降碳减污厌氧创新技术论坛、青年论坛、德国沼气技术专场以及“博能杯”2022沼气+创新科技挑战赛总决赛等系列主题论坛。年会以“减污降碳，清洁生产”为主题，邀请关部委领导、权威专家、优秀企业家和学者通过腾讯会议和视频直播的方式齐聚，共同探讨沼气产业发展。哈尔滨工业大学教授、国家高层次人才计划入选者郭婉茜以“有机固废资源化的路径求索与实践”为主题进行了发言。郭老师列举了中药渣的堆肥化、农林废弃物的能源化和城市剩余污泥的高值化三个案例深入探讨了有机固废的资源化路径。
本文根据其发言整理
01# 有机固废资源化的重大意义
近年来，随着国家对固废处理处置的日渐重视，使得有机固废资源化路径和处理探索变得尤为重要。有机固废分为几大类：第一是农林类的；第二是城市的；第三是典型的行业有机固废。这些有机固废都是在生活以及城市运转、工业生产过程中所带来的必然产物。在前期的统计中发现，有机固废在我国“十三五”到“十四五”期间，总产量是非常大的，大约达到年产100亿吨。来自于特殊行业源的有机固废占到整个有机固废的60%以上，所以这些有机固废的处理处置，包括安全处置与后续利用潜力巨大。
据不完全统计，有机固废的碳排放量可能占到我国全社会总排放量比例的1%~ 3%，也就是说污废水处理行业及有机固废处理行业，总的碳排放排名比较靠前，约占到社会总碳排的3%~5%。尽管与能源行业总量差距很大，但在整个降碳中起到重要的作用，是不可忽视的。
对于有机固废除了处理处置以外，还会关注其对温室气体减排的影响效应以及资源能源回收效应的一些影响，以期通过碳补偿和碳替代的方式，来完成有机固废碳减排能力的利用。在欧美国家，我们发现他们通过污泥生物质能源回收，满足了污水厂大约60%~80%的能耗需求，大家耳熟能详的一些工艺，都有助于提高污水厂的能耗回收率。所以在通往碳中和进程中，有机固废的资源化才是实现废弃物领域碳中和的一个关键路径。
在面向2030、2060年碳达峰碳中和这两个目标，未来三十年需尽快实现的是清洁能源的替代、化石能源以及低碳经济替代石化经济的过程。我们现在比较关注生物质，因为生物质在整个全周期评价中是具有零碳属性的。因此无论在国内或是国际，这个问题都备受关注。欧盟早就制定了计划，到2030年生物质基原料替代6~12%化工原料。在美国2050年布局中显示，生物质基化学材料比例将达到50%。在我国有机固废年产量已经超过60亿吨，经过这样的生物化学转化，可以制备出很多基础化学品原料，包括原料、燃料、肥料等。
我们认为有机固废资源化是可以实现碳中和的有效路径之一。在协同减污降碳的同时，可以通过生物化学转化，将有机固废利用，进一步实现资源物质的回收，在这个过程中当然也会考虑碳减排的问题。
有机固废可以制备一些清洁燃料，主要是生物柴油、生物航煤、氢气等替代燃料，我们的目标是替代传统的化石燃料燃烧中的大量排碳。这些废弃的生物质进行适当的利用转化以后，形成高值燃料，就实现了对传统化石燃料的替代，包括在生物柴油制备、氢气制备等途径上实现二氧化碳的减排。有机固废制备的多种生物基（平台）化学品，具有环境友好、易降解的优势。为了实现双碳目标，在生物基化学品制备上，学界、企业界都要投入更多的关注，如果可以实现每日必需的工业产品和生活用品的替代，那么也是一种友好替代、绿色替代。
在Science发布的全世界最前沿的125个科学问题中，涉及废弃物资源循环利用的重大科学问题有很多。其实我们国家与国际其他国家在有机固废利用领域，相对比较同步，尤其我国又是一个有机固废产量大国，这几年有机固废资源化一直是研究热点，近两年也发表了很多高水平文章，对于有机固废将来的利用路径进行了一些创造性的探讨，也为将来的产业化提供了一些可行的思考方式。
02# 中药渣制肥技术研究进展
我们团队致力于研究黑龙江一些典型有机固废的多元资源化途径，开发出一系列的创新型资源化技术，包括中药渣、秸秆、畜禽废物、污泥、餐厨垃圾、豆渣等，部分技术也实现了中试和产业示范。
接下来，将举几个具体的案例介绍一下有机固废应用的资源化路径。第一个是我们国家比较有特色的有机固废，中药渣；第二个就是农林废弃物；第三个就是我们比较关注的市政污泥。
中药的生产是我们国家非常有特色的一个行业，尤其是在这几年，面对疫情肆虐的情况下，中药行业在人民健康保障上做出了重大的贡献。目前中药渣的年产量在一吨以上，主要来源于中成药的生产过程，现在的处理方式主要以堆放、填埋、焚烧等传统的固废处理方式为主。但是，我们也发现中药渣还有其他的资源化利用途径，包括进行肥料的生产、可燃气的提取、土壤的修复、高值化学品的提取，还有饲料的制备等，一些成分提取后，还可以做成生物炭。
团队几年间，一直从事中药渣好氧堆肥技术的研究，这种好氧堆肥的技术利用了植物药渣中的木质素、纤维素、半纤维素，包括糖、蛋白质和一些氮磷钾等营养元素，进行了综合利用。在综合利用过程中，把中药渣的优势充分的发挥出来，中药渣的特点就是无毒，原材料采购过程中，对品质的把控非常严格，所以不属于危废，这里面我们做成的有机肥还可以增加土壤中的有机质，包括改善土壤的理化性质，显著提高活性微生物的量，这种中药渣的堆肥技术其实为药渣处理和资源化提供了一个有效的途径。
我们在研究和示范应用过程中，也遇到了一些难点和挑战，包括含水率解决的问题，易腐的问题，木质素含量高的问题等。这里面我们也做了一系列的技术研发，来保证堆肥能有效的进行。首先从菌剂强化入手，我们在堆肥过程中研发了一系列的菌剂，使得肥效进一步提高，除了对物料进一步分解产生腐殖酸以外，还注重活性微生物的比例以及活性的提高，在后续应用的时候，肥效和抑生作用，都在考虑的范围内。我们还开发了很多微生物的复配菌剂，复配菌剂的加入可以有效促进堆肥期腐殖质的合成，而且可以有效提高腐殖酸的转化比例。我们从微生物菌群的研究入手，发现木质纤维素和腐殖质的形成转化与微生物种群的组成是密切相关的，这也支撑了后续开发出一些综合的菌剂，实现了在腐殖质合成中高效的中药渣肥化作用。
这里也研究了它的机制，主要从群落结构入手，我们发现了关键的菌种，包括探讨了不同地域的环境因子，控制因子与菌落之间形成的关系，也探索了菌落形成与腐殖质定向合成的潜在机理。在中药堆肥过程中，完成了一项工程，另一项也在试运行过程中，目前已经形成了年处理三千吨以上的示范工程，出肥以后完全符合国家525-2021的标准。
这个示范工程中产生的肥料，在后期有很好的应用。雅安这个地方比较特殊，除了药业以外，茶叶也比较出名，我们的肥料是当地茶农非常喜欢的，因为它有一定防腐杀菌的效果，药效还不会影响植物的正常生长。中药渣堆的肥和常规的粪便堆肥有很大的区别，团队也在紧锣密鼓地去做药渣堆肥和其他肥效比较的实验。当地一个重要的中药苗圃基地，实现了有机肥的回用，在回用过程中我们发现经过堆肥形成有机肥的土壤，要比当地的原始土壤肥效好很多，比普通的有机肥活性也要好一些，因此在种植上有明显的优势。
03# 秸秆产氢技术研究进展
在能源化方面，团队做了很多年的研究，归纳来说就是用废弃生物质制氢气。氢是一项清洁能源，无碳排、热值高，备受青睐，早在上世纪八九十年代，日本就在做加氢站、氢能源汽车。近年来，我国也逐步重视氢能，在“十四五”规划中布局了氢能产业的发展，在制氢上也有了不同的认识。
废弃生物制氢归结为以绿氢为主要生产过程的制氢。由于生物质具有零碳属性，所以绿氢生产最后可以形成一个100%的零碳闭环，与之相比早期萌芽的灰氢则是以化石能源为主。包括后续蓝氢产制的过程，在未来双碳目标下的竞争下就会逐渐减弱，即便如此，我们在绿氢生产中也有一些瓶颈需要解决。
我们归纳了几个绿氢生产瓶颈：首先是复杂微生物体系的产氢速率和氢回收率的提升。这是我们遇到的一个较大的问题，也是未来需要解决和突破的。第二就是技术经济性受限。随着国家政策的相继出台，对绿氢生产的补贴包括支撑，可能会为将来绿氢的生产、研发、放大化，提供更好的路径和指导方向。在上个世纪90年代，任南琪院士率先发现了独特的乙醇型发酵制氢途径，也是世界上用生物质发酵来产氢的两大途径之一。
团队也直接用发酵菌做了一些纤维素同步产氢的实验，一步法产氢培养，显著降低了产氢的成本，加速氢生成的生物学机制，采用一些强化方法，闭环生物炭体系来强化产氢闭环体系的构建等。我们也在后面的全生命周期的评价中，计算了一个碳足迹，我们发现一步法产氢在减轻碳足迹中是最佳的可选路径。1999年，完成了世界上首个生物制氢中试系统，实现了从0到1的突破。下图是当时我们做的生产车间，这是任院士当时一个非常好的专利放大。
04# 污泥原位减量与资源化技术研究
当前，我国的污泥问题还是比较严重的，处理率相对较低。尤其在国家提出资源化比例提高的这么一个指挥棒下，如何达到污泥的再利用，是很值得关注的问题。污泥的利用有很多角度：首先就是原位减量。在前端最大程度上进行有机碳的捕获分离，在生物处理单元选择性投加解偶联剂实现污泥原位减量。第二，污泥还可以用热解技术来回收污泥里面的潜能。结合高温热解和热解产物的二次利用，也是今后在污泥利用中的发展方向。污泥热解过程中会释放很多的氮硫污染气体，通过识别其关键中间产物，构建原位截流技术实现了高效的资源化再利用。
后面我们也做了一些其他研究，包括一些高值转化，我觉得高值转化是大家未来应该关注的一个重点环节。我们在做中药渣那部分工作的时候，也在关注高值转化，有机固废之所以有机就是含碳氢氧，以什么样的形式进行高值转化，这是未来比较重要的创新点和突破口。
近十年来，团队对中链脂肪酸的转化做了一系列研究，通过短链脂肪酸的转化，进一步通过链增长反应合成了一个中链脂肪酸，在这里，碳转化率可以达到70%以上，这个回收率其实是很高的。污泥原位减量过程中，也可以利用发酵过程形成的二氧化碳进行碳链增长。所以在这个过程中除了进行高值化产品生产以外，我们还同时同步降低了二氧化碳的排放。
05# 总结与展望
多元有机固废的资源化利用，是实现废弃物碳资源循环利用的重要途径，也有助于实现城市绿色发展，加快实现行业碳中和的目标。在今天的报告中，也给大家举了三个典型的案例，第一个就是中药渣的堆肥化，第二个就是农林废弃物的能源化，第三个就是城市剩余污泥的高值化。
