2013年12月在德國柏林舉辦的34屆柏林水務論壇上來自波茨坦萊布尼茨研究所，CarbonSolutions公司以及柏林水務中心的專家們討論了HTC水熱炭化技術最新的研究進展，成果和前景。水熱炭化技術這項技術本身在1913年就已經由德國化學家Friedrich Bergius提出，但是該技術在最近幾年，尤其在德國得到了復興并且工業化。原本煤炭的形成需要上億年，德國最新的研究成果已經將這個過程在90分鐘內完成，即通過水熱炭化技術將污泥轉化成為一種新型的生物炭。
污泥炭化的方法分為干法和濕法兩種。目前的研究主要集中在將污泥經干法炭化后制備吸附劑等材料化應用和土壤改良劑等土地利用上，但存在需要將污泥進行脫水干化預處理，能耗高的不足。水熱炭化（Hydrothermal carbonization，HTC）也稱濕法，將含水率80%的污泥投入反應器中進行催化裂解，在厭氧及適當催化的條件下有機物經熱分解并轉化為生物炭，氧和氫發生反應產生水，反應過程中所釋放出的能量可以回收，用于處理過程本身。與干法相比，水熱炭化具有不受物料含水率的制約、制備過程簡單、反應條件溫和以及生物炭產量較高且具有官能團豐富等優點，被認為是處理處置高含水率有機廢物的一種非常有應用前景的生物炭化技術。
（經過水熱處理后的生物炭產品，圖片來源Carbon solutions GmbH）
在德國，每年產生約兩百萬噸污干污泥。污泥處理的成本是非常高的，大約占到污水處理費用的一半。如果包含脫水和運輸等總費用來算的話污泥農用處理的成本為120到375歐元每噸，焚燒或者其他熱處理的價格約在180到400歐元每噸。根據2010年德國聯邦環境局的調查，在德國約30％的污泥被土地利用，燃燒的比例占到53％，綠化大約大約占17 ％ 。造成污泥在熱利用和焚燒方面處理成本高的一個重要原因就是含水率高造成熱值低。水熱炭化技術的優勢就是可以將一些高含水，如含水75%的污泥通過純物理反應，不添加任何物質，在180 到 250 ºC，約20到30bar，高溫高壓下，轉化成為生物炭。經過處理后的污泥體積可以減少四分支三，處理后的高熱值的生物炭含水率約在70%左右。
在亥姆霍茲環境研究中心（ UFZ ） ，目前已經在進一步研究如何除去炭化后生物炭中的一些污染物，如重金屬。CarbonSolutions GmbH更是首家在短短90分鐘內就可以實現這個過程并將水熱炭化技術大型運用推向市場的公司，該公司獲得德國馬普所的水熱炭化技術產業化許可權，2010年建立投產，年處理量一萬噸，連續生產每小時產一噸的生物炭。最終可以生產出高品質的煤炭產品，如作為活性炭或在輪胎行業作為添加劑，同時還可以作為土壤改良的肥料或者替代燃料減少二氧化碳排放。
來自柏林水務中心的Remy博士利用生命周期評估(LCA)的方法比較了水熱炭化技術和傳統工藝的優勢和缺點。首先HTC工藝產生的廢水有非常高的COD，氮磷含量，需要額外特殊工藝處理。通過過程中的熱回收所需要的熱能在375kWh/t DS相對而言不高，同時處理后的約74%的干物質進入生物炭，脫水性能顯著提高，生物炭含固量在65-75%。隨著水熱炭化技術的進一步研究，今后在成本降低以及過濾液，重金屬污染等問題解決后，從廢物資源化利用和節能減排角度來說非常有前景的一項技術。
作者：德中環境與能源促進中心 周曠昕
