零排放、全資源化——橫濱市的城市下水污泥處理
擁有370萬人口的橫濱市，為了處理城市生活廢水，共設(shè)置了11個(gè)城市下水處理設(shè)施和兩個(gè)下水污泥資源化中心。其中北部污泥資源化中心，雖然是1983年就開始投入運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)施，但卻擁有能源的循環(huán)再利用、廢物資源化以減少廢物排放等在今天看來也頗為先進(jìn)的理念。日前，記者前往橫濱市的“北部污泥資源化中心”進(jìn)行了采訪。
北部污泥資源化中心的下水污泥處理實(shí)現(xiàn)了廢物的零排放和全資源化。這座占地18.5萬m2的污泥資源化中心擔(dān)負(fù)著約205萬人口生活廢水中的污泥 注1）處理工作，整個(gè)設(shè)施的污泥處理能力為1.25萬m3/日（約8000噸（t）/日）。污泥經(jīng)過發(fā)酵消化所產(chǎn)生的消化氣體（沼氣）經(jīng)過燃燒，可以獲得約3100萬kWh的發(fā)電量，可滿足設(shè)施內(nèi)八成的電力需求。消化后的污泥經(jīng)過脫水壓縮后變成泥餅，最后進(jìn)行燃燒無害化處理。每天北部污泥資源化中心會(huì)排出約20t的焚燒灰燼，也全部資源化。其中的一部分灰燼混合到來自建筑現(xiàn)場的建設(shè)用土中，制成再生土，用于建筑現(xiàn)場的回填材料；另外的一部分作為水泥的原材料用于建筑物。整個(gè)處理設(shè)施不再產(chǎn)生新的廢棄物注2）。
下水污泥的具體處理流程如下圖所示。
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橫濱市下水污泥處理示意圖。處理過程中產(chǎn)生的沼氣、焚燒污泥產(chǎn)生的余熱、以及最后生成的焚燒灰燼都加以利用。
1 來自污水處理中心的污泥首先經(jīng)過受泥槽沉淀，毛發(fā)等尺寸較大固態(tài)物體通過糞渣分離機(jī)抽出，然后被直接送往焚燒爐焚燒。
2 剩下的懸浮在水中的污泥會(huì)經(jīng)過離心分離機(jī)濃縮后形成濃縮污泥，這時(shí)體積/重量會(huì)減少到處理前的1/4左右。
3 濃縮污泥被送至密封的卵形污泥消化罐中，在36℃溫度下，經(jīng)過25-30天左右的發(fā)酵，在厭氧細(xì)菌的作用下生成消化氣體（沼氣）。沼氣通過脫硫裝置去除H2S等有毒物質(zhì)后用于發(fā)電和燃燒裝置的燃料。
4 發(fā)酵后的污泥經(jīng)過脫水烘干后變成泥餅，被送往焚燒爐焚燒。另外，由于泥餅熱熵值較高，所以橫濱市還在推進(jìn)污泥低溫炭化，將泥餅不經(jīng)焚燒直接做成燃料。
5 泥餅燃燒后變成灰燼，在重量上減少至污泥處理前的約1/400。整個(gè)橫濱市每天約產(chǎn)生40t灰燼。
橫濱市每天需要處理約1.4萬t含水污泥，經(jīng)過消化和焚燒后，最會(huì)剩下約40t無害灰燼。
卵形污泥消化罐有玄機(jī)
“卵形污泥消化罐的最大特點(diǎn)是與通常的圓筒形消化罐相比，在相同容積下表面積更小”，橫濱市環(huán)境創(chuàng)造局課長輔佐、北部下水道中心資源化管理擔(dān)當(dāng)系長桑原弘至介紹道。表面積越小，熱量的逃逸量就會(huì)越少，越容易維持污泥消化時(shí)所需要的溫度，更有利于污泥的消化。
由于消化罐為卵形，功率相對較小的馬達(dá)便可完成攪拌工作，污泥也不易在消化罐頂部淤積結(jié)成硬塊。橫濱市北部污泥資源化中心的卵形消化罐高33.6m（地上部分為25.1m），內(nèi)徑為22.7m，容積為6300m3，只在消化罐頂部設(shè)置一臺(tái)30kW的馬達(dá)，即可完成整個(gè)消化罐內(nèi)消化污泥的攪拌。
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卵形消化罐示意圖。只需在罐的頂部設(shè)置小功率馬達(dá)，即可完成攪拌工作。左圖中的小球表示被攪拌起來的污泥。
能源的循環(huán)利用
橫濱市北部污泥資源化中心的亮點(diǎn)是整個(gè)設(shè)施的能源循環(huán)利用。比如，消化罐產(chǎn)生的消化氣體，被分別用于氣體發(fā)電、污泥焚燒爐和臨近的垃圾焚燒設(shè)施。其中62%被送往氣體發(fā)電機(jī)燃燒發(fā)電，這部分的發(fā)電量約3100萬kWh/年，可滿足整個(gè)污泥處理設(shè)施80%的電力需求（不足的20%部分由臨近的垃圾焚燒廠所發(fā)電力提供。基本上不從電力公司購電）。剩下30%用于污泥燃燒爐的燃料來焚燒污泥；之外的6.5%提供給附近的垃圾焚燒工廠用作燃料；其余的1.1%用于設(shè)施內(nèi)的空調(diào)等裝置。
冷卻氣體發(fā)電機(jī)得到的溫水返回給消化罐，用于維持消化罐的溫度以利于污泥發(fā)酵；污泥焚燒爐產(chǎn)生的熱量提供給廢熱鍋爐以及整個(gè)設(shè)施內(nèi)的取暖設(shè)備。
焚燒灰燼再利用與污泥低溫炭化
目前，整個(gè)橫濱市每天的下水處理會(huì)產(chǎn)生約40t灰燼，對此橫濱市一直在嘗試多種方式進(jìn)行再利用。比如利用灰燼做成生肖擺設(shè)與花瓶，農(nóng)用特殊肥料、磚坯、改良土等多種商品，提供給市民使用。但由于成本問題，最終保留下來的是作為建筑現(xiàn)場回填土的改良材料以及混凝土原料兩種商品，兩種商品的比例約各占一半。
為了實(shí)現(xiàn)污泥處理的零排放，橫濱市和日本電源開發(fā)公司還從2009年開始開發(fā)污泥低溫炭化技術(shù)。橫濱市的下水污泥的發(fā)熱量為13.9-15.3MJ/kg，相當(dāng)于通常煤炭26MJ/Kg的一半左右，經(jīng)過炭化后則能達(dá)到15.9MJ/Kg，可以提供給煉油廠、鋼廠等工廠作為燃料。橫濱市于2012年開始建設(shè)污泥低溫炭化設(shè)施，預(yù)定于2016年投入運(yùn)行。該設(shè)施每年能制造約6500t炭化燃料，由此較通常的污泥焚燒處理每年少排放3900t二氧化碳?xì)怏w。同時(shí)使用污泥低溫炭化制造的燃料一方，也能較使用煤炭每年少排放約9900t二氧化碳。
注1）主要成分為通過初沉池去除了大尺寸泥沙、懸浮在生活廢水中的有機(jī)物質(zhì)。
注2）2011年3月11日東日本大地震后，由于福島核電站事故，導(dǎo)致焚燒灰燼存在放射性。盡管放射性低于日本指定的國家標(biāo)準(zhǔn)，但仍無法獲得用戶的理解，所以焚燒灰燼制造水泥原材料工序不得不暫停。目前在北部污泥資源化中心每天都會(huì)有10t的灰燼儲(chǔ)藏在設(shè)施空地的集裝箱內(nèi)。
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