Canadevia 和 AIST 开展污水处理创新

Canadevia 和 AIST 开展污水处理创新

2025/07/23

Canadevia 和 AIST 迎接挑战污水处理创新热解污泥直接提取氢气

努力利用污水处理厂产生的污泥产生燃气并用于发电等已经开始了。尽可能减少用于处理废物的能源不仅是“节能”，而且是“能源创造”，即从废物中提取能源这是一项需要采取的举措。在Canadevia Corporation和AIST建立的“Canadevia-AIST循环利用清洁能源创造合作实验室”中，通过“蒸”污水污泥高效提取氢气我们正在继续开发该设备，并计划于 2025 年秋季左右在鹿儿岛市的污水处理设施中开始演示测试。我们采访了开发该设备的加拿大公司和 AIST 的研究人员，了解了该设备的开发背景以及实际应用的努力。

我想更有效地利用污泥能源

　全国污水处理厂在污水处理过程中每年产生约230万吨（干标）污泥。污水污泥不仅得到处置，而且部分得到回收利用。作为这项工作的一部分，微生物被用来分解（消化）污泥中的有机物并产生甲烷气体，用作发电燃料。

　然而，处理（消化）此类污泥存在问题。即使经过微生物消化，大约一半的污泥仍未得到处理。剩余污泥（消化污泥）必须单独处理，例如通过焚烧。换句话说，即使以甲烷气体的形式提取能源，能源也被用来处理“残余物”，所以当考虑到整个过程时，能源效率仍然有很大的提升空间。

　Canadevia Inc 的 Satoshi Okumura 说道： “如果我们用热分解污泥并将其气化，而不经过微生物的消化过程，我们就可以一次性提取能量，而无需处理消化的污泥。我们想知道是否可以一次性解决污水污泥的消化问题。”

　Canadevia是一家环境相关的工厂公司，设计、建造和运营垃圾焚烧、水处理等相关设施。虽然他之前从事过污水处理设施的设备建设，但没有污水污泥资源化的技术，这对于在垃圾焚烧领域工作多年的奥村来说是一次新的尝试。 “当时，我了解到污水污泥的能量回收并没有取得太大进展，我想知道是否有办法解决这个问题。我认为，如果我们能够创造一种直接处理和提取气体的方法，这将带来污水污泥处理的创新。我正在寻找合作伙伴来做到这一点，”奥村说。

在研究各种技术时，奥村发现了 AIST 零排放国际合作研究中心的 Sharma Atul。夏尔马正在研究一种通过使用称为“循环流化床”的装置燃烧物质来提取气体的技术。然而，夏尔马也没有处理污水污泥的经验。

　随着Canadevia与AIST的协商，Canadevia想要实现的下水道污泥创新与AIST目前拥有的技术以及AIST想要进行的研发内容相匹配。2020年3月，Canadevia（当时的公司名称为日立造船株式会社）与AIST建立了合作实验室（冠名实验室）。作为大型联合研究项目的合作伙伴，我们开始了新的挑战。 (2020/03/02 新闻稿）

如何廉价高效地去除焦油

　双方的目标是创建一个使用循环流化床直接气化污水污泥的系统。该系统的工作原理是将干燥后的污泥放入循环流化床中，与水蒸气一起加热至800摄氏度左右的高温，使污泥中的有机物气化。

　氢 (H₂) 可以提取。污水污泥中含有大量有机物，主要成分为碳（C）、氢（H）、氧（O）。通常，当有机材料燃烧时，会产生二氧化碳 (CO₂) 或水 (H₂O)，但如果在低氧条件下进行蒸汽烘烤，会产生一氧化碳(CO)和氢气(H₂)等可燃气体。换句话说，通过适当控制氧气浓度等条件并燃烧它，可以从污水污泥中提取氢气。

　不仅是污水污泥，通过蒸煮有机物提取气体时也存在常见问题。这是一个“焦油”问题。焦油是有机物蒸煮时产生的副产品。当它很热时，它是气体，但当它冷却时，它会变成黑色的粘稠液体。浓稠的焦油会堵塞管道，给处理设施带来问题。

　夏尔马说：“焦油变成液体后会带来麻烦，因此我们必须在其处于高温气体阶段时尽可能将其去除。”因此，我们尝试通过将燃烧污水污泥的循环流化床中流动的“介质”改为具有分解焦油催化作用的流化介质来去除焦油。

夏尔马和他的同事专注于橄榄石（一种天然矿石）作为催化剂。橄榄石是一种由镁和铁组成的天然矿石。它被广泛用作炼钢中的添加剂，并且还具有焦油分解作用。

　据说铂作为分解焦油的催化剂具有良好的性能，但价格昂贵，考虑到处理污水污泥的成本，不能使用。在这一点上，各种粒度和硬度的橄榄石以相对较低的价格出售。低成本是选择该催化剂的重要条件。

　然而，并非所有橄榄石都适合。 “如果颗粒太大，它们就不会像催化剂那样具有反应性；如果它们太小，它们就不会留在循环流化床中并会分散。如果它们太硬，它们会损坏设备的内壁，如果它们太软，颗粒会破裂并变小，”Sharma 解释道。

　因此，我们尝试了各种粒径和硬度的橄榄石，以选择适合此用途的产品。 “特殊加工会增加成本，因此我们基本上按原样使用市售产品，”奥村说。

　焦油的主要成分是碳（C）和氢（H），因此如果能分解焦油，不仅可以防止管道堵塞，还可以提取更多的氢气。在污水污泥气化过程中，焦油分解一石二鸟。

与“Kan Lab”作为一个团队继续开发

　一般来说，研究机构和企业之间的联合研究中，会确定研究开发的分工，并且往往在各自的实验室分别进行实验。另一方面，在冠名实验室中，产业技术技术研究所与合作企业将共同在产业技术技术研究所内部设立实验室。企业研究人员和AIST研究人员组成团队，共同开发。

　从加拿大调到AIST并每天在AIST实验室进行研究的奥村说：“我也对一起做长时间的实验有着美好的回忆。通过分享大量的时间和空间，我在AIST吸收了很多实验方法和技术。另外，我认为通过一起进行实验，我能够缩短获得结果所需的时间。''

　Kan实验室在改善问题的同时，逐渐加大了循环流化床的尺寸进行测试。最后，他们建造了一个如下图所示尺寸的循环流化床并重复了实验。到2023年，预计能够长期稳定持续运行。

从污水处理厂现场测试到全面社会实施

　决定于2024年7月在鹿儿岛市污水处理厂设置示范工厂（试点工厂），并进行现场测试。试验计划于2025年秋季开始。现场试验中使用的循环流化床每天可处理约2吨（湿基）污水污泥。 (2024/07/19 新闻稿）

　当扩大设备规模时，可能会出现以前没有暴露的问题。奥村说：“我们计划进行现场测试，以验证较大的循环流化床是否存在温度波动，以及我们是否能够稳定地生产与之前实验相同成分的气体。”

　如果燃烧时出现温度不均匀，产生的气体成分也会发生变化。产生的氢气等气体作为发电的燃料，因此稳定气体的成分对于保证稳定发电极为重要。此外，着眼于实际应用，他们还将研究如何廉价且高效地完成该过程。

9038_9197|　如果我们只在AIST进行研究，即使我们写了一篇论文并获得了专利，它往往也不会产生在社会上使用的技术。但是，这一次，我们能够与Canadevia一起进行研究，虽然我们还处于现场测试阶段，但我们能够将我们的成果带给世界。作为一名研究人员，我很高兴。''

奥村也说了以下的话。 “虽然我们实验室关于污水污泥气化的联合研究已经结束，但我们未来仍将继续我们的联合研究。鹿儿岛市的现场测试仍在进行中，我们计划共同分析测试中获得的数据。”

　鹿儿岛市的现场试验预计每天处理污水污泥约2吨，但全面实际使用需要每天30至50吨的处理能力，因此还有很长的路要走。 Okumura 和 Sharma 强调：“让我们共同努力，直到最后，当这个结果投入实际使用时。”