將廢物結合以實現(xiàn)凈零排放

對于那些需要減少垃圾填埋場面積的國家來說，有機固體廢物處理給他們帶來巨大障礙。但污水處理廠厭氧消化器過剩產(chǎn)能可能會將這些有機廢物轉化為可再生能源并發(fā)電。

通過剩余污泥厭氧消化，許多污水處理廠已開始生產(chǎn)沼氣作為可再生能源，從而減少碳足跡。為了提高沼氣產(chǎn)量，全球領先的污水處理設施已實施固體有機廢物與污泥共消化。

沼氣產(chǎn)生、捕獲和利用可以在減少污水處理過程中能源使用產(chǎn)生的直接溫室氣體（GHG）排放和間接排放方面發(fā)揮重要作用。捕獲污泥在消化過程中以沼氣形式釋放的甲烷，可以最大限度減少直接甲烷排放，根據(jù)GWI估計，這有助于解決全球因污泥管理每年所產(chǎn)生的640萬t CO2當量的甲烷問題。

通過利用熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）系統(tǒng)，捕獲的沼氣可以以熱和電形式提供能量供現(xiàn)場使用，從而最大限度地減少間接溫室氣體排放。當沼氣產(chǎn)量足夠高時，公用事業(yè)公司可以通過向國家電網(wǎng)或天然氣管網(wǎng)輸出來進一步利用這種資源。因此，滿足減排目標并實現(xiàn)沼氣的可盈利生產(chǎn)正在推動共同消化需求不斷增長。

共消化如何發(fā)揮作用？

共消化的原理是在厭氧消化池中同時處理多種原料。這可能涉及一系列不同的原料——食物垃圾、剩余污泥、專門種植的能源作物、農(nóng)業(yè)廢物或糞便等等。污水處理設施處理這類原料的機會特別大，因為許多此類設施都有足夠的設計余量，以容納多余的、未使用的消化池容量。

此外，有機廢物通常比高含水量污泥更輕且更容易運輸。因為其數(shù)量龐大，來自工業(yè)和家庭的食物垃圾最常用于補充污泥；工廠的副產(chǎn)物，例如，啤酒廠廢谷物，也是共同消化常見原料。圖1比較了一系列不同原料的甲烷潛力，但值得注意的是，選擇通常是根據(jù)可用性和與處理廠間距離而做出的。

圖1 有機固體廢物甲烷生產(chǎn)能力

圖片來源：GWI

限制對家庭廚余垃圾進行協(xié)同消化的一個問題是，由于廚余垃圾質量參差不齊、且成分各異，可能會造成污染。這種擔憂的主要原因是塑料，公用事業(yè)部門試圖在消化處置前將污泥中的微塑料含量降至最低。從另一方面來說，解決原料中微塑料污染比提高沼氣產(chǎn)量更有意義——尤其是在實施更嚴格的預處理會降低經(jīng)濟效益的情況下。雖然利用其它成分明確的原料可避免這一問題，但這些“唾手可得”的原料可用性往往不盡人意。

當公用事業(yè)部門和有機廢物供應商之間建立合作伙伴關系時，許多有關原料供應和質量后勤問題都可以得到解決。雖然這個過程會增加額外的工作量，使許多小型公用事業(yè)部門無法進行共同消化處理，但污水處理設施與私人食品加工企業(yè)或負責家庭食物垃圾收集的市政部門之間有效合作可以帶來成功的效益。

中小型企業(yè)尤其適合，因為與大型企業(yè)或家庭相比，生產(chǎn)同類產(chǎn)品的企業(yè)產(chǎn)生的廚余垃圾更為單一。例如，2022年在蘇格蘭水務公司位于Aberdeen的Water’s Nigg污水處理廠進行的一項試驗中，該水務公司采用了來自Chivas Brothers酒廠的啤酒和蒸餾酒廢渣進行共同消化。這些廢料組成大體相同，在不影響沼渣質量的情況下顯著提高了沼氣產(chǎn)量，實現(xiàn)了雙贏。

為了最大限度減輕公用事業(yè)公司的負擔，公司通常會與不同種類廢物生產(chǎn)者達成協(xié)議，在將原料運輸?shù)轿鬯幚韽S之前對其進行預處理?；蛘?，一些公用事業(yè)公司可以通過與第三方廢物管理公司簽訂合同來外包整個過程，這些公司將把污泥運離現(xiàn)場，并在集中厭氧消化設施中與食物垃圾共消化。

共消化的市場在哪里？

共消化之所以受市場青睞主要因為受到政府政策的推動。這包括對共消化許可和監(jiān)管支持、對沼氣生產(chǎn)的政府補貼或財政激勵、垃圾填埋場分流法規(guī)以及有機廢物收集政策——缺乏其中一些政策的國家在共同消化這一領域的業(yè)務可能較少。

美國加利福尼亞州、日本神戶、新加坡和澳大利亞悉尼等市場已經(jīng)開始關注共同消化技術。例如，加利福尼亞州在2020年批準了參議院第1383號法案，規(guī)定到2025年，垃圾填埋場的有機廢物處理量要比2014年減少75%。據(jù)估計，這種有機物分流將導致2 700萬t有機廢物被分流，從而需要采用其它處理方法。共消化技術在解決這一問題的同時，還提供了可發(fā)電的可再生能源。

由于英國、歐洲和南非最近頒布了垃圾填埋轉化法，未來共消化市場可能會在這些國家出現(xiàn)。特別是英國，它一直在努力通過解決目前在共消化過程中遇到的障礙來開拓共消化市場。OFWAT是英格蘭和威爾士供水和污水處理公司的經(jīng)濟監(jiān)管機構；在廢物管理改革推動下，OFWAT強調，在未來幾年，共消化將是一個重要的機遇。

此外，環(huán)保局的污泥戰(zhàn)略將從2023年底開始廢除污水污泥殘留物監(jiān)的單獨管理制度，通過將污泥監(jiān)管納入環(huán)境許可條例（EPR）來簡化共消化監(jiān)管流程。

盡管采取了這些開放市場的措施，但在英國仍存在重大障礙。獲得使用共消化產(chǎn)生的沼渣許可要比使用單獨原料成本高得多，也更具挑戰(zhàn)性。此外，混合原料不符合包括綠色氣體支持計劃在內(nèi)的許多補貼條件，這進一步限制了共同消化的經(jīng)濟吸引力，并增加了項目落實過程中的其它影響因素。圖2概述了這些額外因素以及共消化之前的最終準備工作。

圖2 共同消化項目落成途徑

圖片來源：GWI

引領共消化領域

盡管在實施共消化過程中可能會遇到各種挑戰(zhàn)，但許多設施已經(jīng)得以落地，在實現(xiàn)凈零排放方面取得了很大進展。加利福尼亞州Victor Valley資源回收中心就是這樣一個成功案例。該設施于2022年投入使用，是北美最大的私人融資共消化管道項目，每年可將23.5萬t食物殘渣和污泥轉化為32萬Mw瓦的可再生天然氣。

該項目由Anaergia通過其子公司SoCal Biomane設計、建造、運營和資助，使Victor Valley污水回收系統(tǒng)能夠應對加州有機廢物處理挑戰(zhàn)，并利用其成為沼氣能源凈出口國，從而實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的原則。

除了成功的大規(guī)模共消化裝置外，創(chuàng)新也為該市場帶來了更多機遇。共消化與熱水解（THP）預處理結合就是一個這樣的例子：使用THP可以增加消化池容量，為替代原料提供更多空間，并且還可以更大程度地分解消化產(chǎn)物以產(chǎn)生A類生物固體。斯堪的納維亞半島和東亞已經(jīng)安裝了這種裝置，而這種組合在美國也受到了關注，因為美國的沼渣填埋場和有機廢物填埋處理選擇都在減少，這引起了人們對這種替代處理途徑的興趣。

不過，需要考慮的一個問題是，在最壞的情況下，由于產(chǎn)生了不可生物降解的類黑色素，它可能會使某些原料（如，廚余垃圾）沼氣產(chǎn)量減少10%~15%。由于污泥和廚余原料的構成不明確，因此，很難預測THP的確切影響。

盡管如此，為沼渣提供更大的市場需符合更高土地利用標準，這會使共消化對公用事業(yè)部門來說更實用、更有吸引力。因此，類似的創(chuàng)新有助于支持那些希望減少溫室氣體排放，轉而生產(chǎn)有用的可再生沼氣產(chǎn)品的公用事業(yè)部門。

來源 | 水業(yè)碳中和資訊

作者 | 郝曉地、 朱昊睿