新型流化床热交换反应器中生物固体热解的中试研究：生物炭特性、气体排放测试及PFAS归趋分析

为解决生物固体（稳定化污泥）中新兴污染物（如PFAS、药物残留和微塑料）带来的环境与公共健康风险，研究人员采用新型PYROCO?流化床热交换反应器开展中试规模生物固体热解研究。结果表明，该技术可高效转化生物固体为高品质生物炭（碳含量20-30 wt%），并实现PFAS完全去除（检测限<2.5 ng/g），气体排放符合工业标准。此研究为生物固体资源化提供了能量高效且环境友好的解决方案。

　　

随着全球城市化进程加速，污水处理厂产生的生物固体（biosolids）数量激增，澳大利亚2023年干生物固体产量已达37.2万吨，其中80%直接用于农业。然而，这些生物固体中潜藏着全氟和多氟烷基物质（PFAS）、药物残留、微塑料等新兴污染物，其环境风险日益引发监管担忧。传统土地利用模式面临挑战，亟需开发既能销毁污染物又能回收资源的技术。热化学转化（如热解和气化）因其高效减容、碳固定和污染物去除潜力成为研究热点，但现有反应器存在传热不均、依赖惰性气体等问题。

RMIT大学团队开发的PYROCO?技术通过创新设计解决了上述瓶颈。该反应器采用双腔室结构，内腔为流化床热交换区，外腔燃烧热解挥发分实现自供热，无需惰性气体且传热效率显著提升。研究团队通过14天中试试验（处理量15 kg/h干生物固体），系统评估了生物炭理化性质、气体排放及PFAS归趋。

关键技术方法包括：1）采用PYROCO? Mark-2中试装置（集成气化炉、热解反应器和热氧化器）；2）多点位采样分析（生物炭、洗涤水和烟气）；3）NATA认证实验室检测28种PFAS、重金属和传统污染物；4）氟元素质量平衡评估PFAS降解路径。

生物炭特性与污染物去除

热解生物炭（500-600℃）表现出优异的农艺特性：碳含量29.4 wt%、低O/C（0.15）和H/C（0.41）原子比，且磷钾等养分富集2.5倍。尽管重金属总量因灰分浓缩而升高，但浸出浓度显著降低（如铜从1.1 mg/L降至<0.01 mg/L）。所有目标有机污染物（PFAS、微塑料、药物、雌激素等）均低于检测限，其中PFAS从原料58.1 ng/g降至未检出。

气体排放合规性

烟气测试显示，除颗粒物（33 mg/Nm³）和汞（0.065 mg/Nm³）外，其他污染物均低于欧盟工业排放标准（IED）。热氧化器（850℃）确保PFAS完全分解，烟囱排放PFAS<2.9 ng/Nm³，二噁英浓度仅0.0052 ng/Nm³。选择性非催化还原（SNCR）技术将NO_x从194 mg/Nm³降至134 mg/Nm³。

PFAS归趋与氟平衡

尽管总氟质量平衡显示95.6%氟保留在生物炭中，但因生物固体本底氟干扰，该方法难以准确反映PFAS降解。气相色谱证实PYROCO单元出口PFAS仅13 ng/Nm³，后续单元未检出，表明其独特的流化床-燃烧集成设计可强化PFAS破坏。

这项发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》的研究证实，PYROCO?技术能同步实现生物固体的能源化与无害化。其生物炭产品符合国际生物炭认证（EBC）工业级标准，且工艺排放优于欧盟限值。该成果为水行业提供了应对PFAS监管压力的可行方案，团队计划2026-27年建成10湿吨/日的示范工厂。未来研究可探索生物炭中重金属的长期稳定性，以及工艺参数对PFAS降解路径的影响。