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美国经验能否成为中国污泥处理样板?

如果中国希望从城市污泥中高效提取能源,餐厨垃圾等有机物的利用至关重要,卡尔·胡克斯写道。

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布鲁克林的污水处理设备。图片来源:Victoria Belanger

大量未经处理的污泥正在包围中国城市,这些刺鼻、粘稠的污泥都是人类排泄物和漫溢雨水的混合物。四年前,北京最大的废水处理厂把一卡车一卡车未经处理的污泥非法倾倒在首都郊区的农田里,还美其名曰“免费肥料”。同样的,在广州也有人把有毒污泥倒进附近的河里,不需要任何手续,只要雇条船就行。从西部戈壁的乌鲁木齐到东方明珠的上海,越来越多的中国城市正在与成山的污泥和城市废物以及废水和雨水径流做斗争。

中国很多城市将稍加处理(甚至根本未经处理)的污泥直接填埋,而不是充分利用这些污泥中蕴藏的能源并将其变成养料丰富的堆肥。尽管目前超过八成的污泥都在污水处理厂经过初步的脱水处理,但至少75%的脱水污泥没有经过任何形式的深化处理。未经处理的污泥分解时会释放出甲烷。这种温室气体进入大气后,产生的温室效应是二氧化碳的25倍 。中国2015年出台的《水污染防治行动计划》的首要目标就是杜绝不负责任的处理、并充分利用处理厂污泥中的甲烷和养分。为此,湖北省襄阳市建成了可以持续从污泥中提取沼气的处理厂,这在中国寥寥无几。这座处理厂每天可以生产超过1.2万立方米的甲烷,加工后制成压缩天然气作为该市出租车和卡车的燃料。

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但发掘污泥的能源潜力在中国并非易事。中国城市中无法消化的雨水稀释了废水,所以处理后污泥中的有机物质含量很低,只能产生有限的甲烷。因此,利用污泥生产沼气效率低下。中国农业部禁止把处理过的城市污泥用在作物上,部分原因在于有时城市污水处理厂中会混入工业废水(可能多达三成),如果不经充分处理,会在干燥处理后的污泥中留下有毒残渣。

纽顿溪废水处理厂:“化腐朽为电力”PPP模式范例

布鲁克林,绿点社区。八个巨大的卵形钢质消化罐在太阳下闪闪发光。这就是著名的纽顿溪废水处理厂,这些罐子利用厌氧消化技术对近290公里长的纽约市政下水管道流过来的上百万加仑乌黑废水进行处理。废水经除氧后,加温至98华氏度(36.7摄氏度)15到20天,消化罐中的细菌产生出含有甲烷和二氧化碳的沼气。其中四成的甲烷被锅炉再利用,为处理厂及其消化罐保温;其余的六成则在经过虹吸和现场提纯后,变成可供管道输送的可再生天然气后,输送给新英格兰的公用事业公司英国国家电网

2013年以来,纽约市环保局和英国国家电网之间创新的公私合营(PPP)模式已经让纽顿溪成为美国最出色的废水处理厂之一。该厂每天处理多达3.3亿加仑的废水,几乎是整个纽约市日处理废水量的三分之一。这座占地320亩的工厂为130万市民服务,是纽约市14个类似处理厂中最大的一座。

每天有约250吨餐厨垃圾被填入消化罐
 

2013年,纽约市废物管理公司开始把从该市学校和餐馆收集来的残羹剩饭、变质食品和食品包装纸运到纽顿溪处理厂。每天有约250吨餐厨垃圾被填入消化罐。这些餐厨垃圾能够丰富污泥中的细菌和有机物质,并通过发酵产生甲烷。该处理厂每年能够生产超过5亿立方米的甲烷。餐厨垃圾和污泥联合消化的做法很有成效,2013年纽约市立法要求该市350个最大的餐厨垃圾产生者必须将其送去进行厌氧消化(或分解),而非扔进填埋场或焚化炉。

由联合消化和甲烷捕获两个环节组成的体系不仅可以持续地为处理厂自身运营提供电力,还能生产足以满足5200个当地家庭供暖需求的可再生天然气,并每年为纽约市减少1.9万吨的温室气体排放,相当于让1900辆汽车从街上消失,而且还不用花布鲁克林纳税人一分钱。这个工厂充分展示了城市如何利用PPP模式把有害废物转化成绿色能源。

借鉴布鲁克林经验?

那么,纽顿溪处理厂能够作为中国城市学习的“样板工厂”吗?哥伦比亚大学教授、2015年“麦克阿瑟天才奖”获得者卡提克·钱德兰是一位污泥-能源工程方面的专家,他和其团队的研究对象包括纽顿溪和全世界其他19个处理厂的微生物过程。最近他在接受“中国环境论坛”采访时说,“并非全然如此”,“实际上美国有远比纽顿溪先进的处理厂”,比如说火奴鲁鲁奥克兰的处理厂。

 任何有机物都有用

如果中国希望升级城市的污泥-能源转化能力,餐厨垃圾和其他有机物的利用至关重要。从污泥中生产更多能源密集的甲烷的方法就是在消化罐中添加餐厨垃圾,正如钱德兰所指出的,“任何有机物都有用”。他的研究表明,纽顿溪消化罐“吞咽”的残羹剩饭并没把它们的肚子填饱。因此,“纽顿溪生产的沼气很稀,甲烷只占50-60%,与浓度更高的生物燃料相比并非一个高质量的能源”。

此外,纽顿溪处理厂的厌氧消化过程只能将污泥中的碳转化成甲烷,而更高效的“双赢”做法则还可以从污泥中提取氮和磷,用于生产化肥或工业原料。但纽约州在脱氮除磷上的严格法规使这里的工厂无法进行此类生产,中国和其他发展中国家也面临着同样的问题。



政府方针也让污水处理厂无法对城市污泥进行分解,或在联合消化过程中完全捕获甲烷。钱德兰说,北京等雄心勃勃的中国城市计划 “建设消化罐,但他们必须找到减少甲烷排放并将之用于能源生产的办法”,“我认为他们还没有制定出相应的管理框架”。

2015年,北京只有23%的污泥在安全倾倒之前进行了处理,能够进行此类污泥处理的工厂更是屈指可数。中国的3916座城市污水处理厂中,很多都拥有甲烷捕获技术,但迄今只有约50家处理厂尝试利用捕获的甲烷来生产能源,其他很多处理厂只是将其烧掉。
 

建设现代化污泥-能源转化工厂可能既耗时间又费钱
 


而且,建设现代化污泥-能源转化工厂可能既耗时间又费钱。纽顿溪处理厂建成于1967年,在21世纪初就亟需更新升级。为了扩大工厂的消化能力并符合《清洁水法案》制定的联邦标准,纽约市政府从2003年到2009年共投入6.8亿美元对其进行升级改造。在重新设计的过程中,纽约市环保局与众多的私营建筑、设计和工程公司签署了合同,甚至成立了一个市民委员会来代表当地居民的利益。 

在对污泥-能源转化厂建设和升级改造进行PPP谈判或数以百万计的投资之前,中国政府应该明白这座布鲁克林处理厂在技术和政策上存在的问题。对中国的城市官员来说,纽顿溪污水处理厂的缺陷和成功经验是一个具有双重参考价值的污泥处理案例。

 

本文是瓶颈-中国项目中关于布鲁克林和巴西创新废水处理厂案例研究系列文章的第一篇。瓶颈-中国项目由中国环境论坛和蓝圈组织共同发起,自2010年起开始探索中国这个世界人口最多的国家在水-能源-食品冲突方面所面临的挑战和解决之道。

翻译:奇芳

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