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(guó)B級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)。但十年前,污水廠在尋找足夠農(nóng)田來(lái)處置污泥時(shí)遇到了麻煩。當(dāng)時(shí)唯一的替代方案是脫水后填埋,但其成本相當(dāng)昂貴。出于對(duì)環(huán)境和成本的考慮,他們最終選擇將污泥升級(jí)為A級(jí)/特優(yōu)級(jí)(ClassA/ExceptionalQuality,美國(guó)大部分州的ClassA級(jí)污泥允許農(nóng)用),這樣有利于擴(kuò)大適用范圍以及創(chuàng)收。堆肥升級(jí)跟污水廠其他升級(jí)項(xiàng)目一起進(jìn)行。MaterialMatters公司為整個(gè)過程提供了支持，包括可行性研究、中試、成本評(píng)估、堆肥設(shè)施設(shè)計(jì)要求、設(shè)備評(píng)估和推薦、啟動(dòng)、軟件開發(fā)、申請(qǐng)?jiān)S可、肥料注冊(cè)、產(chǎn)品和市場(chǎng)推廣等。他們聯(lián)同Mechanicsburg區(qū)政府,將9年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)表在IWA期刊WaterPractice&Technology中。
背景介紹
在過去，美國(guó)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(huì)對(duì)地下水的污染，污泥未經(jīng)妥善處理就進(jìn)行填埋將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。1993年，美國(guó)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(yán)格的A級(jí)和較寬松的B級(jí)。40CFRPart503條例中還對(duì)應(yīng)用B級(jí)污泥的作物收成時(shí)間作了相應(yīng)的規(guī)定;A級(jí)污泥則無(wú)此限制，而且可施用于花園、草地。
大概在2000年后，美國(guó)各地方政府紛紛建立了專門的污泥處置研究機(jī)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(gè)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(gè)戰(zhàn)略為河流的營(yíng)養(yǎng)物和污染物制定了減排計(jì)劃。Mechanicsburg污泥堆肥廠的建造正是污水處理廠相應(yīng)這個(gè)戰(zhàn)略計(jì)劃的改進(jìn)項(xiàng)目的一部分，建在污水廠廠址內(nèi)，與當(dāng)?shù)氐腟ilverSpring聯(lián)合堆肥廠接壤。SilverSpring聯(lián)合堆肥廠由兩個(gè)市政廳聯(lián)合運(yùn)營(yíng)，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(gè)地區(qū)的居民，木質(zhì)垃圾經(jīng)粉碎機(jī)處理后進(jìn)行自堆肥，直到分發(fā)給兩個(gè)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(fù)責(zé)兩個(gè)堆肥設(shè)施的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)工作，而且兩個(gè)堆肥廠共享設(shè)備。
污泥堆肥的預(yù)處理
這個(gè)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(jìn)行重力濃縮處理，進(jìn)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(jī)物降解率為45-55%，第二段則是靜置式，便于進(jìn)一步濃縮。經(jīng)厭氧穩(wěn)定化處理的污泥進(jìn)入帶式過濾機(jī)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(jìn)入污泥堆肥廠作進(jìn)一步處理。
可行性評(píng)估和中試
2005年，Mechanicsburg污水廠對(duì)污泥堆肥進(jìn)行可行性研究，他們參觀了其他地方的污泥堆肥廠，并進(jìn)行了成本效益分析。2007年秋天他們進(jìn)行了中試試驗(yàn)(如下圖)，來(lái)驗(yàn)證項(xiàng)目可行性，以及臭氣是否會(huì)對(duì)居民產(chǎn)生影響。堆肥時(shí)間、溫度和病原體等指標(biāo)都很容易達(dá)到A級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)，并且沒有發(fā)現(xiàn)臭氣問題。他們認(rèn)為這是厭氧處理得當(dāng)，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(jìn)項(xiàng)目?jī)?nèi)。
設(shè)計(jì)和施工階段
2008年Mechanicsburg污水廠升級(jí)改造的設(shè)計(jì)工作由GannettFleming公司中標(biāo)，MaterialMatters公司成為污泥堆肥廠的分包商。其設(shè)計(jì)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(gè)1.5馬力的風(fēng)機(jī)組成。因?yàn)榕赃呌幸粋�(gè)市政公園和幾家公司辦公，臭氣風(fēng)險(xiǎn)十分受關(guān)注。他們?cè)诙逊蕪S主體旁加建生物濾池來(lái)解決臭氣問題，與中試結(jié)果一致，堆肥系統(tǒng)運(yùn)行至今沒有新增污水廠區(qū)的臭氣。
污水廠升級(jí)改造的水質(zhì)管理排放申請(qǐng)?jiān)?009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(xiàng)目建造招標(biāo)在2010年4月舉行，并由GalwayBay和GardenSpotElectrical公司中標(biāo)，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(gè)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(jì)是為了防止大型裝載車在滿負(fù)荷傾倒時(shí)碰到桁架。另外設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了日后端蓋的添加，以防氣候變化帶來(lái)的雨量增大的影響。而實(shí)際上目前的雨天情況對(duì)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(wú)論下雨與否，在堆肥過程后期可以通過延長(zhǎng)曝氣來(lái)降低含水量，然后再進(jìn)入分解篩選工序，因?yàn)榈秃视兄跍p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(cè)參數(shù)，這是出于對(duì)風(fēng)機(jī)控制和法規(guī)溫度記錄的需要。具體通過ReoTempEcoProbes無(wú)線探頭自動(dòng)監(jiān)測(cè)，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(kù)里，并提供可視化數(shù)據(jù)展示。另外，項(xiàng)目中還配有ReoTempOxyTemp氧氣探頭，兩種探頭的數(shù)據(jù)相結(jié)合來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)做控制。在此基礎(chǔ)上MaterialMatters公司還開發(fā)了一套工具軟件來(lái)更好地管理CompostWatch的數(shù)據(jù)，包括顯示溫度圖等。
啟動(dòng)和獲批階段
堆肥設(shè)施由21個(gè)用持續(xù)曝氣通道組成。充氣通道由前段裝載機(jī)形成一個(gè)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(shí)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(yùn)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(chǔ)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(cè)和認(rèn)證。注冊(cè)機(jī)構(gòu)為終端用戶提供一個(gè)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(dòng)和成功運(yùn)行之后，向賓夕法尼亞州環(huán)保局遞交了A級(jí)特優(yōu)污泥的申請(qǐng)，并在2014年9月獲批認(rèn)證和銷售許可。但其實(shí)早在2012年初，Mechanicsburg污泥堆肥廠就開始部署市場(chǎng)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(lái)評(píng)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(diǎn)和特定銷售條款。這些用戶大多是景觀設(shè)計(jì)師、苗圃和土壤攪拌服務(wù)商。
2014年與潛在客戶聯(lián)系時(shí)，他們對(duì)產(chǎn)品的估價(jià)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(jià)最終定為每立方碼5美元，與當(dāng)?shù)鼐用竦馁?gòu)價(jià)相同。2014年10月他們完成了第一筆批發(fā)單，客戶拿走了當(dāng)時(shí)的所有成品堆肥。
為了促進(jìn)客戶需求和產(chǎn)品吸引力，當(dāng)?shù)氐难h(huán)委員會(huì)和環(huán)保咨詢委員會(huì)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(zhǎng)長(zhǎng)親自送達(dá)，亞軍獲獎(jiǎng)?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(jì)了logo標(biāo)識(shí)。在2015年4月，Mechanicsburg還舉行了地球日活動(dòng)，期間大家可以免費(fèi)領(lǐng)取堆肥樣包。
討論與小結(jié)
任何新處理工藝的啟動(dòng)和優(yōu)化都要面對(duì)各種挑戰(zhàn)，Mechanicsburg的污泥堆肥廠也不例外。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)要在10個(gè)月的時(shí)間內(nèi)確定合適的堆肥配方，并對(duì)曝氣要求進(jìn)行微調(diào)以得到優(yōu)質(zhì)的污泥堆肥出品。同時(shí)他們還需要開發(fā)一套完整的程序來(lái)指導(dǎo)曝氣監(jiān)測(cè)和控制，以便污水廠的員工能夠控制通風(fēng)堆肥過程的溫度。但最初氧氣監(jiān)測(cè)并沒有預(yù)期的表現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)作時(shí)運(yùn)行人員才發(fā)現(xiàn)遇到了過度曝氣的狀況，這導(dǎo)致了不必要的熱量和濕度損失。這些都是在這個(gè)漫長(zhǎng)的項(xiàng)目進(jìn)程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。
在整個(gè)過程里，除臭工作做得很到位。但是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也指出：如果使用未消化的污泥作為進(jìn)料，氨氣量會(huì)很顯著，此時(shí)需要啟動(dòng)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(gè)更好的選擇則是運(yùn)行負(fù)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(jìn)行處理。
使用低成本碳源對(duì)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(gè)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)所在。對(duì)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(duì)額外的木制廢棄物收集站的建造需求進(jìn)行評(píng)估，這個(gè)收集計(jì)劃雖然會(huì)增加成本，但最終給自身社區(qū)創(chuàng)造利益，對(duì)堆肥生產(chǎn)也很有價(jià)值。
雖然Mechanicsburg污泥堆肥廠項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行了有近10年，但該設(shè)施依舊是一項(xiàng)集創(chuàng)新性和經(jīng)濟(jì)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(duì)本地污泥處理業(yè)務(wù)進(jìn)行了自然拓展，將原產(chǎn)品升級(jí)為高質(zhì)量的A級(jí)特優(yōu)污泥，為Mechanicsburg區(qū)未來(lái)的環(huán)境管理提供了許多有益選擇。
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