如何把污泥从负资产变为正资产：美国宾州Mechanicsburg污水厂的污泥堆肥实践
位于宾夕法尼亚州中部Cumberland县Mechanicsburg区的污水厂配有厌氧消化设备处理污泥，产出的污泥符合美国B级污泥的标准。但十年前，污水厂在寻找足够农田来处置污泥时遇到了麻烦。当时唯一的替代方案是脱水后填埋，但其成本相当昂贵。出于对环境和成本的考虑，他们最终选择将污泥升级为A级/特优级（Class A/Exceptional Quality，美国大部分州的Class A级污泥允许农用），这样有利于扩大适用范围以及创收。堆肥升级跟污水厂其他升级项目一起进行。Material Matters公司为整个过程提供了支持，包括可行性研究、中试、成本评估、堆肥设施设计要求、设备评估和推荐、启动、软件开发、申请许可、肥料注册、产品和市场推广等。他们联同Mechanicsburg区政府，将9年的项目经验总结发表在IWA期刊Water Practice & Technology中。
在过去，美国很多州的污泥都采用填埋处置。但污泥中包含的有害物质会对地下水的污染，污泥未经妥善处理就进行填埋将对环境产生危害。1993年，美国环保署(EPA)制订了40CFRPart503条例，规范了污泥的土地利用。该条例除制定了农用污泥中有害重金属的含量外，还将污泥分成要求严格的A级和较宽松的B级。40CFRPart 503条例中还对应用B级污泥的作物收成时间作了相应的规定；A级污泥则无此限制，而且可施用于花园、草地。
大概在2000年后，美国各地方政府纷纷建立了专门的污泥处置研究机构寻找新的解决方案。“切萨皮克湾支流战略”（Chesapeake Bay Tributary Strategy）由周边7个流域管辖区域联合发起，包括特拉华、马里兰、宾州、纽约、弗吉尼亚、西弗吉尼亚和华盛顿特区。这个战略为河流的营养物和污染物制定了减排计划。Mechanicsburg污泥堆肥厂的建造正是污水处理厂相应这个战略计划的改进项目的一部分，建在污水厂厂址内，与当地的Silver Spring联合堆肥厂接壤。Silver Spring联合堆肥厂由两个市政厅联合运营，处理庭院垃圾，如树叶、树枝等。经过堆肥的树叶分发给两个地区的居民，木质垃圾经粉碎机处理后进行自堆肥，直到分发给两个地区居民为止。这些粉碎的木质垃圾联同其他体院垃圾用作污泥堆肥的填充剂。污水厂的工作人员负责两个堆肥设施的运营和维护工作，而且两个堆肥厂共享设备。
这个污水厂的污泥处理工艺如下图所示。初始污泥与剩余污泥经混合后先进行重力浓缩处理，进入两段式高效中温厌氧消化器，其中第一段含混合搅拌和加热，挥发性有机物降解率为45-55%，第二段则是静置式，便于进一步浓缩。经厌氧稳定化处理的污泥进入带式过滤机脱水，并添加聚合物作为絮凝剂。干污泥饼年产量约130吨，含固率为15-20%。这些泥饼将由卡车装在进入污泥堆肥厂作进一步处理。
Mechanicsburg污水厂翻新改造的总览图
2005 年，Mechanicsburg污水厂对污泥堆肥进行可行性研究，他们参观了其他地方的污泥堆肥厂，并进行了成本效益分析。2007年秋天他们进行了中试试验（如下图），来验证项目可行性，以及臭气是否会对居民产生影响。堆肥时间、温度和病原体等指标都很容易达到A级污泥的标准，并且没有发现臭气问题。他们认为这是厌氧处理得当，以及污泥和填充剂混合良好的结果。根据中试的效果，Mechanicsburg最终决定将污泥堆肥厂纳入污水厂改进项目内。
2007年的中试现场
2008年Mechanicsburg污水厂升级改造的设计工作由Gannett Fleming公司中标，Material Matters公司成为污泥堆肥厂的分包商。其设计十分注重成本节约，例如为了将可用空间最大化，主体采用加盖的开放式钢结构。曝气系统如下图所示，由21个1.5马力的风机组成。因为旁边有一个市政公园和几家公司办公，臭气风险十分受关注。他们在堆肥厂主体旁加建生物滤池来解决臭气问题，与中试结果一致，堆肥系统运行至今没有新增污水厂区的臭气。
21个堆料段，每段配置一个风机
污水厂升级改造的水质管理排放申请在2009年4月提交给了宾州环保局，并于同年9月获得了通过。项目建造招标在2010年4月举行，并由Galway Bay和Garden Spot Electrical公司中标，建造工作从2010年夏天开始，到2013年夏天基本完成。
Mechanicsburg污水厂俯视图，大片白色膜顶所在位置即为堆肥设施
堆肥厂主体是一个120*180平方英尺的加膜结构（见下图）。他们采用低调的立管设计是为了防止大型装载车在满负荷倾倒时碰到桁架。另外设计时也考虑了日后端盖的添加，以防气候变化带来的雨量增大的影响。而实际上目前的雨天情况对堆肥过程影响甚微，相反竖桩有变干倾向，所以适量的降雨反倒是好事。无论下雨与否，在堆肥过程后期可以通过延长曝气来降低含水量，然后再进入分解筛选工序，因为低含水率有助于减少筛分过程中的结块现象，使更多堆肥能通过筛分成为最终成品。
ClearSpan 堆肥厂，有50尺高，足以矮化大卡车
在堆肥过程里，温度是最主要的监测参数，这是出于对风机控制和法规温度记录的需要。具体通过ReoTemp Eco Probes无线探头自动监测，数据传输到旁边的办公室里，然后由一套叫ReoTemp Compost Watch的软件将数据读取到MySQL数据库里，并提供可视化数据展示。另外，项目中还配有ReoTemp OxyTemp氧气探头，两种探头的数据相结合来对风机做控制。在此基础上Material Matters公司还开发了一套工具软件来更好地管理Compost Watch的数据，包括显示温度图等。
由Material Matters公司开发的监测软件控制面板
堆肥设施由21个用持续曝气通道组成。充气通道由前段装载机形成一个约1尺深8尺宽的集气空间。堆肥的主要组成包括了污泥和填充剂，两者的混合比约为1:3~1:4。配方可根据需要调整以实现理想的含水率、C/N比或孔隙率。各组分的净重都由堆肥混合料车秤得到记录。这些材料经混合、运载后卸载到堆肥堆中。堆肥堆的构造、曝气策略、病原体控制、固化、筛分和储存等数据也都有系统的记录。
Roto-Mix混合卡车
新的堆肥堆在旧堆旁边逐渐垒成，并配有温度探头进行长期监测
Doppstadt的5尺转鼓格栅筛选成品堆肥
在宾夕法尼亚州，任何肥料的销售都需要在州环保局注册和认证。注册机构为终端用户提供一个N-P-K比例和钙含量的最低保证（分别为2-3-0和2%）。Mechanicsburg污泥堆肥厂经过启动和成功运行之后，向宾夕法尼亚州环保局递交了A级特优污泥的申请，并在2014年9月获批认证和销售许可。但其实早在2012年初，Mechanicsburg污泥堆肥厂就开始部署市场推广工作，寻找潜在的大型客户群。2014年，他们联系了29家商业终端用户来评估他们的产品接受度、产品使用能力、季节性需求变化、地点和特定销售条款。这些用户大多是景观设计师、苗圃和土壤搅拌服务商。
2014年与潜在客户联系时，他们对产品的估价为每立方码（约为0.764立方米）15美元。但为了推广产品和建立满意客户群，在14年底和15年初的批量售价最终定为每立方码5美元，与当地居民的购价相同。 2014年10月他们完成了第一笔批发单，客户拿走了当时的所有成品堆肥。
2014年10月的客户现场参观
为了促进客户需求和产品吸引力，当地的循环委员会和环保咨询委员会举行了堆肥产品的命名大赛。冠军获胜者将获得一批堆肥，并由Mechanicsburg区长长亲自送达，亚军获奖者则获得园艺用品。2015年3月，“Waste No More”被选为最终的产品名称，并设计了logo标识。在2015年4月，Mechanicsburg还举行了地球日活动，期间大家可以免费领取堆肥样包。
堆肥成品的产品名称和标识设计
任何新处理工艺的启动和优化都要面对各种挑战，Mechanicsburg 的污泥堆肥厂也不例外。项目团队要在10个月的时间内确定合适的堆肥配方，并对曝气要求进行微调以得到优质的污泥堆肥出品。同时他们还需要开发一套完整的程序来指导曝气监测和控制，以便污水厂的员工能够控制通风堆肥过程的温度。但最初氧气监测并没有预期的表现。当系统开始运作时运行人员才发现遇到了过度曝气的状况，这导致了不必要的热量和湿度损失。这些都是在这个漫长的项目进程中的经验教训。
在整个过程里，除臭工作做得很到位。但是项目团队也指出：如果使用未消化的污泥作为进料，氨气量会很显著，此时需要启动生物滤池。堆肥建筑主体的空气则可以通过正压曝气并关闭建筑物的两端得以处理。一个更好的选择则是运行负压曝气操作，将空气通过堆肥堆放，然后将其吹入生物滤池进行处理。
使用低成本碳源对于污泥堆肥十分重要。从临近区镇方便地获得大良磨碎木质废弃物是这个项目的优势所在。对于没有此有利条件但又想建造污泥堆肥厂的地区而言，可能还要对额外的木制废弃物收集站的建造需求进行评估，这个收集计划虽然会增加成本，但最终给自身社区创造利益，对堆肥生产也很有价值。
虽然Mechanicsburg污泥堆肥厂项目已经运行了有近10年，但该设施依旧是一项集创新性和经济效益于一身的操作，利用了现有的基础设施和工艺对本地污泥处理业务进行了自然拓展，将原产品升级为高质量的A级特优污泥，为Mechanicsburg区未来的环境管理提供了许多有益选择。
参考资料
Biosolids composting at the Borough of Mechanicsburg, PA WWTP, Aaron B. Stephens, Jennifer Callahan, Lisa C. Challenger and Ron Adams, Water Practice & Technology Vol 12 No 4, doi: 10.2166/wpt.2017.104