厌氧消化共消化：两种废物如何一起发挥作用

对于那些需要减少垃圾填埋场面积的国家来说，有机固体废物处理给他们带来巨大障碍。但污水处理厂厌氧消化器过剩产能可能会将这些有机废物转化为可再生能源并发电。

通过剩余污泥厌氧消化，许多污水处理厂已开始生产沼气作为可再生能源，从而减少碳足迹。为了提高沼气产量，全球领先的污水处理设施已实施固体有机废物与污泥共消化。

沼气产生、捕获和利用可以在减少污水处理过程中能源使用产生的直接温室气体（GHG）排放和间接排放方面发挥重要作用。捕获污泥在消化过程中以沼气形式释放的甲烷，可以最大限度减少直接甲烷排放，根据GWI估计，这有助于解决全球因污泥管理每年所产生的640万t CO ₂ 当量的甲烷问题。

通过利用热电联产（CHP）系统，捕获的沼气可以以热和电形式提供能量供现场使用，从而最大限度地减少间接温室气体排放。当沼气产量足够高时，公用事业公司可以通过向国家电网或天然气管网输出来进一步利用这种资源。因此，满足减排目标并实现沼气的可盈利生产正在推动共同消化需求不断增长。

共消化的原理是在厌氧消化池中同时处理多种原料。这可能涉及一系列不同的原料——食物垃圾、剩余污泥、专门种植的能源作物、农业废物或粪便等等。污水处理设施处理这类原料的机会特别大，因为许多此类设施都有足够的设计余量，以容纳多余的、未使用的消化池容量。

此外，有机废物通常比高含水量污泥更轻且更容易运输。因为其数量庞大，来自工业和家庭的食物垃圾最常用于补充污泥；工厂的副产物，例如，啤酒厂废谷物，也是共同消化常见原料。图1比较了一系列不同原料的甲烷潜力，但值得注意的是，选择通常是根据可用性和与处理厂间距离而做出的。

图1  有机固体废物甲烷生产能力

图片来源：GWI

限制对家庭厨余垃圾进行协同消化的一个问题是，由于厨余垃圾质量参差不齐、且成分各异，可能会造成污染。这种担忧的主要原因是塑料，公用事业部门试图在消化处置前将污泥中的微塑料含量降至最低。从另一方面来说，解决原料中微塑料污染比提高沼气产量更有意义——尤其是在实施更严格的预处理会降低经济效益的情况下。虽然利用其它成分明确的原料可避免这一问题，但这些“唾手可得”的原料可用性往往不尽人意。 

当公用事业部门和有机废物供应商之间建立合作伙伴关系时，许多有关原料供应和质量后勤问题都可以得到解决。虽然这个过程会增加额外的工作量，使许多小型公用事业部门无法进行共同消化处理，但污水处理设施与私人食品加工企业或负责家庭食物垃圾收集的市政部门之间有效合作可以带来成功的效益。

中小型企业尤其适合，因为与大型企业或家庭相比，生产同类产品的企业产生的厨余垃圾更为单一。例如，2022年在苏格兰水务公司位于Aberdeen的Water’s Nigg污水处理厂进行的一项试验中，该水务公司采用了来自Chivas Brothers酒厂的啤酒和蒸馏酒废渣进行共同消化。这些废料组成大体相同，在不影响沼渣质量的情况下显著提高了沼气产量，实现了双赢。

为了最大限度减轻公用事业公司的负担，公司通常会与不同种类废物生产者达成协议，在将原料运输到污水处理厂之前对其进行预处理。或者，一些公用事业公司可以通过与第三方废物管理公司签订合同来外包整个过程，这些公司将把污泥运离现场，并在集中厌氧消化设施中与食物垃圾共消化。

共消化之所以受市场青睐主要因为受到政府政策的推动。这包括对共消化许可和监管支持、对沼气生产的政府补贴或财政激励、垃圾填埋场分流法规以及有机废物收集政策——缺乏其中一些政策的国家在共同消化这一领域的业务可能较少。

美国加利福尼亚州、日本神户、新加坡和澳大利亚悉尼等市场已经开始关注共同消化技术。例如，加利福尼亚州在2020年批准了参议院第1383号法案，规定到2025年，垃圾填埋场的有机废物处理量要比2014年减少75%。据估计，这种有机物分流将导致2 700万t有机废物被分流，从而需要采用其它处理方法。共消化技术在解决这一问题的同时，还提供了可发电的可再生能源。

由于英国、欧洲和南非最近颁布了垃圾填埋转化法，未来共消化市场可能会在这些国家出现。特别是英国，它一直在努力通过解决目前在共消化过程中遇到的障碍来开拓共消化市场。OFWAT是英格兰和威尔士供水和污水处理公司的经济监管机构；在废物管理改革推动下，OFWAT强调，在未来几年，共消化将是一个重要的机遇。

此外，环保局的污泥战略将从2023年底开始废除污水污泥残留物监的单独管理制度，通过将污泥监管纳入环境许可条例（EPR）来简化共消化监管流程。

尽管采取了这些开放市场的措施，但在英国仍存在重大障碍。获得使用共消化产生的沼渣许可要比使用单独原料成本高得多，也更具挑战性。此外，混合原料不符合包括绿色气体支持计划在内的许多补贴条件，这进一步限制了共同消化的经济吸引力，并增加了项目落实过程中的其它影响因素。图2概述了这些额外因素以及共消化之前的最终准备工作。

图2  共同消化项目落成途径

图片来源：GWI

尽管在实施共消化过程中可能会遇到各种挑战，但许多设施已经得以落地，在实现净零排放方面取得了很大进展。加利福尼亚州Victor Valley资源回收中心就是这样一个成功案例。该设施于2022年投入使用，是北美最大的私人融资共消化管道项目，每年可将23.5万t食物残渣和污泥转化为32万Mw瓦的可再生天然气。

该项目由Anaergia通过其子公司SoCal Biomane设计、建造、运营和资助，使Victor Valley污水回收系统能够应对加州有机废物处理挑战，并利用其成为沼气能源净出口国，从而实现循环经济的原则。

除了成功的大规模共消化装置外，创新也为该市场带来了更多机遇。共消化与热水解（THP）预处理结合就是一个这样的例子：使用THP可以增加消化池容量，为替代原料提供更多空间，并且还可以更大程度地分解消化产物以产生A类生物固体。斯堪的纳维亚半岛和东亚已经安装了这种装置，而这种组合在美国也受到了关注，因为美国的沼渣填埋场和有机废物填埋处理选择都在减少，这引起了人们对这种替代处理途径的兴趣。 

不过，需要考虑的一个问题是，在最坏的情况下，由于产生了不可生物降解的类黑色素，它可能会使某些原料（如，厨余垃圾）沼气产量减少10%~15%。由于污泥和厨余原料的构成不明确，因此，很难预测THP的确切影响。

尽管如此，为沼渣提供更大的市场需符合更高土地利用标准，这会使共消化对公用事业部门来说更实用、更有吸引力。因此，类似的创新有助于支持那些希望减少温室气体排放，转而生产有用的可再生沼气产品的公用事业部门。