位于賓夕法尼亞州中部Cumberland縣Mechanicsburg區(qū)的污水廠配有厭氧消化設(shè)備處理污泥，產(chǎn)出的污泥符合美國B級污泥的標準。但十年前,污水廠在尋找足夠農(nóng)田來處置污泥時遇到了麻煩。當時唯一的替代方案是脫水后填埋,但其成本相當昂貴。出于對環(huán)境和成本的考慮,他們最終選擇將污泥升級為A級/特優(yōu)級(ClassA/ExceptionalQuality,美國大部分州的ClassA級污泥允許農(nóng)用),這樣有利于擴大適用范圍以及創(chuàng)收。堆肥升級跟污水廠其他升級項目一起進行。MaterialMatters公司為整個過程提供了支持，包括可行性研究、中試、成本評估、堆肥設(shè)施設(shè)計要求、設(shè)備評估和推薦、啟動、軟件開發(fā)、申請許可、肥料注冊、產(chǎn)品和市場推廣等。他們聯(lián)同Mechanicsburg區(qū)政府,將9年的項目經(jīng)驗總結(jié)發(fā)表在IWA期刊WaterPractice&Technology中。
背景介紹
在過去，美國很多州的污泥都采用填埋處置。但污泥中包含的有害物質(zhì)會對地下水的污染，污泥未經(jīng)妥善處理就進行填埋將對環(huán)境產(chǎn)生危害。1993年，美國環(huán)保署(EPA)制訂了40CFRPart503條例，規(guī)范了污泥的土地利用。該條例除制定了農(nóng)用污泥中有害重金屬的含量外，還將污泥分成要求嚴格的A級和較寬松的B級。40CFRPart503條例中還對應(yīng)用B級污泥的作物收成時間作了相應(yīng)的規(guī)定;A級污泥則無此限制，而且可施用于花園、草地。
大概在2000年后，美國各地方政府紛紛建立了專門的污泥處置研究機構(gòu)尋找新的解決方案。“切薩皮克灣支流戰(zhàn)略”(ChesapeakeBayTributaryStrategy)由周邊7個流域管轄區(qū)域聯(lián)合發(fā)起，包括特拉華、馬里蘭、賓州、紐約、弗吉尼亞、西弗吉尼亞和華盛頓特區(qū)。這個戰(zhàn)略為河流的營養(yǎng)物和污染物制定了減排計劃。Mechanicsburg污泥堆肥廠的建造正是污水處理廠相應(yīng)這個戰(zhàn)略計劃的改進項目的一部分，建在污水廠廠址內(nèi)，與當?shù)氐腟ilverSpring聯(lián)合堆肥廠接壤。SilverSpring聯(lián)合堆肥廠由兩個市政廳聯(lián)合運營，處理庭院垃圾，如樹葉、樹枝等。經(jīng)過堆肥的樹葉分發(fā)給兩個地區(qū)的居民，木質(zhì)垃圾經(jīng)粉碎機處理后進行自堆肥，直到分發(fā)給兩個地區(qū)居民為止。這些粉碎的木質(zhì)垃圾聯(lián)同其他體院垃圾用作污泥堆肥的填充劑。污水廠的工作人員負責兩個堆肥設(shè)施的運營和維護工作，而且兩個堆肥廠共享設(shè)備。
污泥堆肥的預處理
這個污水廠的污泥處理工藝如下圖所示。初始污泥與剩余污泥經(jīng)混合后先進行重力濃縮處理，進入兩段式高效中溫厭氧消化器，其中第一段含混合攪拌和加熱，揮發(fā)性有機物降解率為45-55%，第二段則是靜置式，便于進一步濃縮。經(jīng)厭氧穩(wěn)定化處理的污泥進入帶式過濾機脫水，并添加聚合物作為絮凝劑。干污泥餅?zāi)戤a(chǎn)量約130噸，含固率為15-20%。這些泥餅將由卡車裝在進入污泥堆肥廠作進一步處理。
可行性評估和中試
2005年，Mechanicsburg污水廠對污泥堆肥進行可行性研究，他們參觀了其他地方的污泥堆肥廠，并進行了成本效益分析。2007年秋天他們進行了中試試驗(如下圖)，來驗證項目可行性，以及臭氣是否會對居民產(chǎn)生影響。堆肥時間、溫度和病原體等指標都很容易達到A級污泥的標準，并且沒有發(fā)現(xiàn)臭氣問題。他們認為這是厭氧處理得當，以及污泥和填充劑混合良好的結(jié)果。根據(jù)中試的效果，Mechanicsburg最終決定將污泥堆肥廠納入污水廠改進項目內(nèi)。
設(shè)計和施工階段
2008年Mechanicsburg污水廠升級改造的設(shè)計工作由GannettFleming公司中標，MaterialMatters公司成為污泥堆肥廠的分包商。其設(shè)計十分注重成本節(jié)約，例如為了將可用空間最大化，主體采用加蓋的開放式鋼結(jié)構(gòu)。曝氣系統(tǒng)如下圖所示，由21個1.5馬力的風機組成。因為旁邊有一個市政公園和幾家公司辦公，臭氣風險十分受關(guān)注。他們在堆肥廠主體旁加建生物濾池來解決臭氣問題，與中試結(jié)果一致，堆肥系統(tǒng)運行至今沒有新增污水廠區(qū)的臭氣。
污水廠升級改造的水質(zhì)管理排放申請在2009年4月提交給了賓州環(huán)保局，并于同年9月獲得了通過。項目建造招標在2010年4月舉行，并由GalwayBay和GardenSpotElectrical公司中標，建造工作從2010年夏天開始，到2013年夏天基本完成。
堆肥廠主體是一個120*180平方英尺的加膜結(jié)構(gòu)(見下圖)。他們采用低調(diào)的立管設(shè)計是為了防止大型裝載車在滿負荷傾倒時碰到桁架。另外設(shè)計時也考慮了日后端蓋的添加，以防氣候變化帶來的雨量增大的影響。而實際上目前的雨天情況對堆肥過程影響甚微，相反豎樁有變干傾向，所以適量的降雨反倒是好事。無論下雨與否，在堆肥過程后期可以通過延長曝氣來降低含水量，然后再進入分解篩選工序，因為低含水率有助于減少篩分過程中的結(jié)塊現(xiàn)象，使更多堆肥能通過篩分成為最終成品。
在堆肥過程里，溫度是最主要的監(jiān)測參數(shù)，這是出于對風機控制和法規(guī)溫度記錄的需要。具體通過ReoTempEcoProbes無線探頭自動監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚赃叺霓k公室里，然后由一套叫ReoTempCompostWatch的軟件將數(shù)據(jù)讀取到MySQL數(shù)據(jù)庫里，并提供可視化數(shù)據(jù)展示。另外，項目中還配有ReoTempOxyTemp氧氣探頭，兩種探頭的數(shù)據(jù)相結(jié)合來對風機做控制。在此基礎(chǔ)上MaterialMatters公司還開發(fā)了一套工具軟件來更好地管理CompostWatch的數(shù)據(jù)，包括顯示溫度圖等。
啟動和獲批階段
堆肥設(shè)施由21個用持續(xù)曝氣通道組成。充氣通道由前段裝載機形成一個約1尺深8尺寬的集氣空間。堆肥的主要組成包括了污泥和填充劑，兩者的混合比約為1:3~1:4。配方可根據(jù)需要調(diào)整以實現(xiàn)理想的含水率、C/N比或孔隙率。各組分的凈重都由堆肥混合料車秤得到記錄。這些材料經(jīng)混合、運載后卸載到堆肥堆中。堆肥堆的構(gòu)造、曝氣策略、病原體控制、固化、篩分和儲存等數(shù)據(jù)也都有系統(tǒng)的記錄。
污泥產(chǎn)品獲批和推廣
在賓夕法尼亞州，任何肥料的銷售都需要在州環(huán)保局注冊和認證。注冊機構(gòu)為終端用戶提供一個N-P-K比例和鈣含量的最低保證(分別為2-3-0和2%)。Mechanicsburg污泥堆肥廠經(jīng)過啟動和成功運行之后，向賓夕法尼亞州環(huán)保局遞交了A級特優(yōu)污泥的申請，并在2014年9月獲批認證和銷售許可。但其實早在2012年初，Mechanicsburg污泥堆肥廠就開始部署市場推廣工作，尋找潛在的大型客戶群。2014年，他們聯(lián)系了29家商業(yè)終端用戶來評估他們的產(chǎn)品接受度、產(chǎn)品使用能力、季節(jié)性需求變化、地點和特定銷售條款。這些用戶大多是景觀設(shè)計師、苗圃和土壤攪拌服務(wù)商。
2014年與潛在客戶聯(lián)系時，他們對產(chǎn)品的估價為每立方碼(約為0.764立方米)15美元。但為了推廣產(chǎn)品和建立滿意客戶群，在14年底和15年初的批量售價最終定為每立方碼5美元，與當?shù)鼐用竦馁弮r相同。2014年10月他們完成了第一筆批發(fā)單，客戶拿走了當時的所有成品堆肥。
為了促進客戶需求和產(chǎn)品吸引力，當?shù)氐难h(huán)委員會和環(huán)保咨詢委員會舉行了堆肥產(chǎn)品的命名大賽。冠軍獲勝者將獲得一批堆肥，并由Mechanicsburg區(qū)長長親自送達，亞軍獲獎?wù)邉t獲得園藝用品。2015年3月，“WasteNoMore”被選為最終的產(chǎn)品名稱，并設(shè)計了logo標識。在2015年4月，Mechanicsburg還舉行了地球日活動，期間大家可以免費領(lǐng)取堆肥樣包。
討論與小結(jié)
任何新處理工藝的啟動和優(yōu)化都要面對各種挑戰(zhàn)，Mechanicsburg的污泥堆肥廠也不例外。項目團隊要在10個月的時間內(nèi)確定合適的堆肥配方，并對曝氣要求進行微調(diào)以得到優(yōu)質(zhì)的污泥堆肥出品。同時他們還需要開發(fā)一套完整的程序來指導曝氣監(jiān)測和控制，以便污水廠的員工能夠控制通風堆肥過程的溫度。但最初氧氣監(jiān)測并沒有預期的表現(xiàn)。當系統(tǒng)開始運作時運行人員才發(fā)現(xiàn)遇到了過度曝氣的狀況，這導致了不必要的熱量和濕度損失。這些都是在這個漫長的項目進程中的經(jīng)驗教訓。
在整個過程里，除臭工作做得很到位。但是項目團隊也指出：如果使用未消化的污泥作為進料，氨氣量會很顯著，此時需要啟動生物濾池。堆肥建筑主體的空氣則可以通過正壓曝氣并關(guān)閉建筑物的兩端得以處理。一個更好的選擇則是運行負壓曝氣操作，將空氣通過堆肥堆放，然后將其吹入生物濾池進行處理。
使用低成本碳源對于污泥堆肥十分重要。從臨近區(qū)鎮(zhèn)方便地獲得大良磨碎木質(zhì)廢棄物是這個項目的優(yōu)勢所在。對于沒有此有利條件但又想建造污泥堆肥廠的地區(qū)而言，可能還要對額外的木制廢棄物收集站的建造需求進行評估，這個收集計劃雖然會增加成本，但最終給自身社區(qū)創(chuàng)造利益，對堆肥生產(chǎn)也很有價值。
雖然Mechanicsburg污泥堆肥廠項目已經(jīng)運行了有近10年，但該設(shè)施依舊是一項集創(chuàng)新性和經(jīng)濟效益于一身的操作，利用了現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和工藝對本地污泥處理業(yè)務(wù)進行了自然拓展，將原產(chǎn)品升級為高質(zhì)量的A級特優(yōu)污泥，為Mechanicsburg區(qū)未來的環(huán)境管理提供了許多有益選擇。
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