位于賓夕法尼亞州中部Cumberland縣Mechanicsburg區的污水廠配有厭氧消化設備處理污泥，產出的污泥符合美國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。出于對環境和成本的考慮,他們最終選擇將污泥升級為A級/特優級(ClassA/ExceptionalQuality,美國大部分州的ClassA級污泥允許農用),這樣有利于擴大適用范圍以及創收。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、堆肥設施設計要求、設備評估和推薦、啟動、軟件開發、申請許可、肥料注冊、產品和市場推廣等。他們聯同Mechanicsburg區政府,將9年的項目經驗總結發表在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會對地下水的污染，污泥未經妥善處理就進行填埋將對環境產生危害。1993年，美國環保署(EPA)制訂了40CFRPart503條例，規范了污泥的土地利用。該條例除制定了農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條例中還對應用B級污泥的作物收成時間作了相應的規定;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尋找新的解決方案。“切薩皮克灣支流戰略”(ChesapeakeBayTributaryStrategy)由周邊7個流域管轄區域聯合發起，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。這個戰略為河流的營養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這個戰略計劃的改進項目的一部分，建在污水廠廠址內，與當地的SilverSpring聯合堆肥廠接壤。SilverSpring聯合堆肥廠由兩個市政廳聯合運營，處理庭院垃圾，如樹葉、樹枝等。經過堆肥的樹葉分發給兩個地區的居民，木質垃圾經粉碎機處理后進行自堆肥，直到分發給兩個地區居民為止。這些粉碎的木質垃圾聯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施的運營和維護工作，而且兩個堆肥廠共享設備。
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。經厭氧穩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。干污泥餅年產量約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，并且沒有發現臭氣問題。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果。根據中試的效果，Mechanicsburg最終決定將污泥堆肥廠納入污水廠改進項目內。
設計和施工階段
2008年Mechanicsburg污水廠升級改造的設計工作由GannettFleming公司中標，MaterialMatters公司成為污泥堆肥廠的分包商。其設計十分注重成本節約，例如為了將可用空間最大化，主體采用加蓋的開放式鋼結構。曝氣系統如下圖所示，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，與中試結果一致，堆肥系統運行至今沒有新增污水廠區的臭氣。
污水廠升級改造的水質管理排放申請在2009年4月提交給了賓州環保局，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平方英尺的加膜結構(見下圖)。他們采用低調的立管設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塊現象，使更多堆肥能通過篩分成為最終成品。
在堆肥過程里，溫度是最主要的監測參數，這是出于對風機控制和法規溫度記錄的需要。具體通過ReoTempEcoProbes無線探頭自動監測，數據傳輸到旁邊的辦公室里，然后由一套叫ReoTempCompostWatch的軟件將數據讀取到MySQL數據庫里，并提供可視化數據展示。另外，項目中還配有ReoTempOxyTemp氧氣探頭，兩種探頭的數據相結合來對風機做控制。在此基礎上MaterialMatters公司還開發了一套工具軟件來更好地管理CompostWatch的數據，包括顯示溫度圖等。
啟動和獲批階段
堆肥設施由21個用持續曝氣通道組成。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。配方可根據需要調整以實現理想的含水率、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。這些材料經混合、運載后卸載到堆肥堆中。堆肥堆的構造、曝氣策略、病原體控制、固化、篩分和儲存等數據也都有系統的記錄。
污泥產品獲批和推廣
在賓夕法尼亞州，任何肥料的銷售都需要在州環保局注冊和認證。注冊機構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污泥堆肥廠經過啟動和成功運行之后，向賓夕法尼亞州環保局遞交了A級特優污泥的申請，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，他們聯系了29家商業終端用戶來評估他們的產品接受度、產品使用能力、季節性需求變化、地點和特定銷售條款。這些用戶大多是景觀設計師、苗圃和土壤攪拌服務商。
2014年與潛在客戶聯系時，他們對產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，與當地居民的購價相同。2014年10月他們完成了第一筆批發單，客戶拿走了當時的所有成品堆肥。
為了促進客戶需求和產品吸引力，當地的循環委員會和環保咨詢委員會舉行了堆肥產品的命名大賽。冠軍獲勝者將獲得一批堆肥，并由Mechanicsburg區長長親自送達，亞軍獲獎者則獲得園藝用品。2015年3月，“WasteNoMore”被選為最終的產品名稱，并設計了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取堆肥樣包。
討論與小結
任何新處理工藝的啟動和優化都要面對各種挑戰，Mechanicsburg的污泥堆肥廠也不例外。項目團隊要在10個月的時間內確定合適的堆肥配方，并對曝氣要求進行微調以得到優質的污泥堆肥出品。同時他們還需要開發一套完整的程序來指導曝氣監測和控制，以便污水廠的員工能夠控制通風堆肥過程的溫度。但最初氧氣監測并沒有預期的表現。當系統開始運作時運行人員才發現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。從臨近區鎮方便地獲得大良磨碎木質廢棄物是這個項目的優勢所在。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，但最終給自身社區創造利益，對堆肥生產也很有價值。
雖然Mechanicsburg污泥堆肥廠項目已經運行了有近10年，但該設施依舊是一項集創新性和經濟效益于一身的操作，利用了現有的基礎設施和工藝對本地污泥處理業務進行了自然拓展，將原產品升級為高質量的A級特優污泥，為Mechanicsburg區未來的環境管理提供了許多有益選擇。
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