客观日本

资源循环技术特辑(3)

2012年01月17日 科技交流

城市废水、废弃物的资源能源回收系统

1 序言

不让资源及环境资源在我们的时代枯竭,让子子孙孙也能继续使用,这就是当今提倡的持续发展理念。另一方面,石油、煤炭、天然气等化石燃料的使用,令大气中的二氧化碳浓度上升,随之而来的全球性地球变暖现象令人为之担忧,温度变化、异常气象、海平面上升等问题成为人们热议的话题。关于该全球变暖问题,2005年出台了《京都议定书》,日本也必须率先予以应对。尽管持续性发展与地球变暖问题的讨论多数发生在其他领域,但归根究底都存在一个共通的问题,也即资源的循环利用问题。此外,日本基本上没有国产的化石燃料资源,核能以外的能源自给率为4%左右,处于相当低的水平。再加上当中的50%来源于进口的石油,而近9成石油需依赖中东。原油价格的高涨及不稳定成为一个长存的隐忧,为此,要求提高能源的自给率。日本曾遭遇两次石油冲击,因而不断推进节能仪器的开发。个别仪器的节能化在今后来讲也是相当重要的,必须坚持开发。但是,为了进一步实现高效化,从社会体系的高度出发思考创能等问题也相当重要。下水道既是城市的根干设施,也是分散资源的收集系统,极有可能成为城市废水、废弃物的资源能源回收系统核心。

以往的社会体系构筑于追求便利性、经济性的价值判断基础之上。在此价值判断之下,作为日本生物质综合战略对象的废弃物类生物质及未利用的生物质,一直被视为无法使用、必须处理掉的东西。但是,如果目的仅是将这些生物质活用于实现削减二氧化碳产生量这一全新的价值目的,那么估计事情未必能顺利开展。新构想的社会体系,必须令国民感受到更大的便利性,令他们获得更多的福利,充满新的希望。只有这样,才能构筑起比目前更进步的社会体系,才能对经济的活性化、国民幸福感的增进以及实现可持续发展的社会建设做出贡献。即使在下水道领域,也应进入新的时代,摸索可以保护地区健全的水环境、可以为保护和创造健全的水循环做出贡献、可为国民谋取更多福利、并且定位为资源能源回收循环型的高层次下水道。这意味着,应从高度处理下水道向高层次下水道时代转变。为实现此该目标,针对实现一元化下水道规划的体系进行了研讨。

 2. 一元化下水道研究的概要

 

在该项研究当中,核心理念是将城市中产生的废水、废弃物作为资源或资源材料处理,在城市及地区范围内进行资源的循环利用。在下水道公用区域内,对于来自特定可行地区的各家庭产生的厨房垃圾,采用垃圾处理器将其引入下水道,在下水道系统的泵场等定点内回收浮游固体物质,通过有机物的高效高温甲烷发酵等方法回收能源,进行发电。这样不但可以对籍此产生的电和热进行利用,同时从下水创造出支撑该地区水循环的用水,可谓是城市废水、废弃物的一元化系统。我们以建立该系统为目标,进行了相关基础技术的开发。此外,该系统还实现以下目的:通过残渣污泥的减量化、磷资源回收型下水处理技术的开发,在终端处理场所,将初沉污泥用于创造能源,同时实现残渣污泥生成量的减量及磷的回收等目的(参照1)。

图1 资源回收型城市废水、废弃物处理系统及基础技术

而支撑该系统的基础技术包括:从下水管道中回收垃圾处理器粉碎的厨房垃圾、下水中浮游固体物质的回收技术;回收浮游固体物质及高温高负荷甲烷发酵与能源回收技术;高效节能型高度处理技术;终端处理场的污泥控制、磷回收型处理技术。

该项目的实施,预期可达到以下成效:削减因运输厨房垃圾而消耗的能源;回收后用作有可能枯竭的磷的肥料;从居住环境中消除厨房垃圾,提高卫生状况及增进福利;提高纸等的资源回收率;回收电、热、水资源;促进地区水循环的健全化;通过减低污泥产生量而实现节能化及解决处理场所问题;创造新产业等。通过以上成效,可对削减二氧化碳的产生量、构筑资源循环型社会及改善地区环境做出巨大的贡献。

 3. 基础技术开发

 

(1) 垃圾处理器粉碎的厨房垃圾、下水中浮游固体物质的回收技术

作为从垃圾处理器处理液中回收物质的回收技术,分别进行了沉淀、过滤、滤网分离及浮游分离的试验,其中过滤的适用性最佳,回收的SS浓度为10,000~20,000mg/L,并据此开发了可简单浓缩至80,000mg/L的方法(参照2)。

图2 过滤实验装置与浓缩、脱水实验结果

此外,试验表明,导入垃圾处理器后,尽管下水中的可溶性有机物有所增加,但可溶性氮、磷基本并未上升,有助于去除生物学上的营养盐,而且含有垃圾粉碎处理液的下水污泥具有良好的甲烷发酵性。

(2) 回收浮游固体物质的高温高负荷甲烷发酵与能源回收技术

尝试开发回收厨房垃圾的高温、高负荷甲烷发酵技术,试验表明,在回送污泥的条件下可保持稳定,而在CODcr条件下,可令流入的有机物80%以上转化为甲烷的高效有机物负荷率,以20 kgCODcr/(m3・d)为最佳值。试验还表明,1 kgCODcr的厨房垃圾可生成280L的甲烷气体(1 kg的干燥厨房垃圾可成生435L的甲烷气体)(参照3)。此外,下水污泥及厨房垃圾的甲烷发酵情况同样良好。

图3 甲烷气体的回收率及甲烷气体容积生成速度(厨房垃圾)

作为更稳定、更高效的处理技术,在活用城市废热等目的之下,针对采用比高温处理更高温度进行的超高温处理进行了研讨。比较酸发酵槽中的CODcr、碳水化合物及蛋白质的可溶率,可知70℃与55℃的酸发酵槽之间存在极大的差异(参照4)。

图4 超高温酸发酵槽的可溶率(以厨房垃圾为主体的基质)

在70℃的条件下,将HRT从6.4天变为2.4天,可溶率随之产生极大的变化,与此相对,在55℃的条件下,即使将HRT从6天变为2.3天,也并未出现较大变化。CODcr可溶率在70℃下为22~46%,在55℃下为21~29%。同样地,碳水化合物及蛋白质的可溶率在70℃下分别为43~69%及34~44%,在55℃下分别为30~36%及17~21%。这表明,在70℃的条件下,上述三种可溶率均比55℃条件下要高,而且HRT最好设为3天左右以上。比较在55~80℃状态下运作的甲烷发酵槽内的CODcr标准甲烷转换率、甲烷浓度及VS去除率,结果表明,在55℃的状态下运作的高温甲烷发酵槽取得了稳定的处理成绩,与此相比,在65℃至80℃的温度下运作的超高温甲烷发酵槽中,甲烷转换率及甲烷浓度呈减少倾向(参照5)。当在65℃的条件下调节pH时,甲烷转换率为62.5%,70℃时则为14.5%,与此相比,温度上升至73℃时,不再产生甲烷气体。目前正基于上述结果,开发超高温酸发酵—高温甲烷发酵相结合的技术。

图5 超高温甲烷发酵的研讨(厨房垃圾)

在使用甲烷发酵气体进行的发电当中,采用微型燃气轮机发电机(发电容量28kW与排热回收装置(功率56kW)一体化后的装置),进行厨房垃圾甲烷发酵气体与城市燃气混合焚烧的实证实验,探讨其适用性及必要技术,结果证实,在任意混合气体比率下,通过调节流量控制阀(SPV)的开度,可在无需停止轮机运作的状态下实现发电效率的稳定运作(参照6)。此外,通过使用下水污泥的消化气体进行的连续运作实证试验,确认可实现定额功率下的连续稳定运作,也确定了受硅氧烷影响的部分。只要能够通过现场发电有效地运用热,能源利用效率可达70%,可对削减二氧化碳的产生做出贡献。

图6 微型涡轮发电系统与生物气体、城市燃气混合燃烧实验结果

(3) 在下水管道中途设点回收高度处理水的高效节能型高度处理技术。

开发出具备自动控制功能,可自动运作的前凝絮、生物滤池型物理生物化工处理流程(参照7)。

图7 高度处理实验装置

滤池部位的总体滞留流量时间为3小时左右,证实了当BOD约为5 mg/L、全氮为2 mg/L以下(参照8)、SS为3 mg/L以下、而磷则为0.2 mg/L以下、透视度为100度以上时,可稳定进行处理。

图8 氮的处理特性

 此外,还尝试了通过令硝化液在前凝絮沉淀池下方循环,将凝絮污泥中的有机物活用作脱氮用的氢供给体。结果表明,在与令硝化液在脱氮滤池中的循环流程相当的处理时间内,可获得同样程度的处理水质。在沉淀池内,约消耗2~5mg/L的DO,以及进行了约1~3mgN/L的脱氮。相对于每一单位处理水量的逆洗污泥量及逆洗排水量的处理水量的比例,也处于同等水平。当流入S-CODcr/S-N比为5 mg/mgN时,1 m3处理水量所需的甲醇量为20 ml,可削减9 ml (31%)。同时还表明,只要与上述的甲烷发酵技术相结合,则可很大程度上满足该装置运作中所需的能源供应。

 (4) 终端处理场的污泥控制、磷回收型处理技术

配合磷的浓缩及溶出这一生物学上的磷去除生物的特性,以及污泥的可溶性、基质化这一臭氧处理特性,进行了以结晶形式回收磷的技术开发(参照9)。其原理是新鲜污泥容易产生甲烷发酵,残渣污泥则相对较难产生。试验表明,污泥的量佳可溶率为30%,此时的臭氧消耗量为30mgO3/gSS,可将污泥产生量削减约90%,并回收约70%的磷,并可将能源消耗量削减约10%。

图9 磷回收型处理技术

(5) 系统整体的能源评估

关于将所得的各项基础技术之研究成果组合而成的一元化下水道系统,从能源、磷资源、地球变暖的角度来看,系统流程及其效率的估算结果如10所示。从城市废水、废弃物的资源能源回收的角度来看,有望取得巨大的成效。

图10 以所得结果为依据的单个系统流程及其运转效率 (每天)

4 结束语

 

热切期盼本次的研究成果可用于实际的社会体系,并能为促进高层次下水道的形成与提高福利水平、以及通过节能为构筑资源循环型社会而做出贡献。同时,我们仍将继续努力。该研究将对日本科技发展做出贡献,成为该领域的全球先行者,甚至与税金增收息息相关。对于未来稳定的二氧化碳减排政策而言也相当重要。

 谢辞

 

上述研究成果,是在科学技术振兴机构战略基础研究推进事业(CREST)“资源回收型的城市废水、废弃物系统技术的开发”,以及(财)钢铁业环境保全技术开发基金、(财)关西能源循环科学研究振兴财团、(财)栗田水·环境科学振兴财团的资助下开展取得的,在此谨对相关人士表示衷心的谢意。

 

 

津野  洋

简介

生于1947年4月。

1978年   获工学博士学位

1973年       京都大学助手

1975年   国立公害研究所环境厅

1983年       京都大学副教授

1997年   京都大学教授。

主要研究课题是水质污浊结构的阐明与下水及废弃物处理技术的开发。荣获日本下水道协会有功奖、月刊水奖、日本臭氧协会论文奖、日本水环境学会学术奖等。

 

日高  平

简介

生于1974年9月

2002年       京都大学研究生院工学研究科城市环境工学专业结业,博士(工学)

2002年       京都大学助手

2007年   京都大学助教

主要研究课题是下水及废弃物处理技术的开发。荣获土木工程学会论文鼓励奖、下水道协会杂志鼓励奖论文奖等。

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