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残羹剩肴重获新生: 从餐厨垃圾中制造生物气体

December 7, 2016 观点 Comments Off on 残羹剩肴重获新生: 从餐厨垃圾中制造生物气体

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丢弃食物处理厂

生物消化法使用有机废料来生产甲烷,这是一种相对清洁的燃料。自2013年起,Kroger食品零售公司就开始利用厌氧消化法处理所有无法销售或捐赠的食物。
© FEED Resource Recovery, Inc.

据估计,2010年全美国的商店和家庭所消耗的食物中有高达31%未被食用,美国居民每年丢弃在垃圾填埋场的食物有大约3400万吨之多。当食物在厌氧环境下腐烂分解时——例如,当食物被埋在垃圾填埋场的深处时——它将会产生甲烷,这是一种蕴含大量能量的温室气体。根据美国国家环境保护局的数据显示,垃圾填埋场是美国第三大甲烷的源头,约占2013年全美排放甲烷总量的18%。

近年来,美国政策制定者们已经开始采取措施减少流入垃圾填埋场的食物,其中部分原因是为了遏制温室气体的排放,但另一部分原因则是为了节省处理这些废弃食物的商业开销。2011年,美国康涅狄格州成为了全美第一个采取行动的州,该州严禁那些每周产生超过2吨食物垃圾,且距离食品回收加工厂20英里内的单位将食物垃圾丢弃到垃圾填埋场。2012年,佛蒙特州也出台了与康涅狄格州禁令内容类似的法规,此外,那些垃圾生产规模较小的单位也被勒令在未来数年中逐步减少食物垃圾的填埋数量,并最终禁止使用填埋法处理食物垃圾。2014年10月,马萨诸塞州出台了全美范围内迄今为止最严厉、最雄心勃勃的法规禁令,禁止全州范围内每周产量超过1吨食物垃圾的机构使用垃圾填埋法处理食物垃圾。2015年1月,西雅图市出台法规,无论垃圾是源自居民还是企业,其中食物垃圾所占的体积比例不得超过垃圾总体积的10%。

但是,如果禁止使用填埋法处理食物垃圾,我们该将它们送到何处呢?我们过去的首选方案曾经是将没有卖完的食物交给食品慈善捐赠机构,或是将食物运送到堆肥站。但最近,厌氧消化法开始受到大众关注,它不仅能减少温室气体的排放,还能将废弃食物用于生产能源。

旧技术带来的新发现

厌氧消化法并不是一种新兴技术。美国生物气体委员会(American Biogas Council)的数据显示,全美国共有1241家废水处理工厂拥有厌氧消化池,还有239家农场也同样拥有该设备。其新的举措是,至少在美国范围内,采用同样的技术对废弃食物、废水和牲畜粪便进行处理,是政府对垃圾填埋进行监管的新行动。而在世界的其他地方,将废弃食物用厌氧消化法进行处理已是一项成熟的技术。

厌氧消化法是一种与哺乳动物体内的消化过程类似的技术方法。微生物在缺氧环境中将可降解的生物原料进行分解(与之形成鲜明对比的是,堆制肥料,则需要将原料堆暴露在空气中,以确保有氧分解能正常进行)。这一生产流程的终产物之一是生物气体,其主要成分是甲烷和二氧化碳,还含有少量的水和其他气体(如氮气和硫化氢)。另外一大类终产物是消化残渣,它是一种富含营养的固体物质,可被用作肥料。

消化罐有很多种类,但从本质上来说,它们都是可以收集甲烷的容器,可以将厌氧消化过程中所产生的气体输送到发生器,发生器再利用这些气体去产生电能和热量。生物气体可以就地燃烧,也可以被加工成天然气或便于运输的液态燃料。纽约市环境保护部(Department of Environmental Protection, DEP)能源项目主任Anthony Fiore表示,经过精炼的生物气体是一种清洁能源。Fiore 解释说:“由于我们对甲烷的利用方式是无害的,所以它是‘清洁的’,然而,如果甲烷未被利用就逸散到大气中,它就构成了一种温室气体”。

在马萨诸塞州,首次采用厌氧消化技术处理废弃食物的做法可以追溯到三年前,当时有两家奶牛场安装了厌氧消化池,并开始回收周边区域垃圾公司运来的食物垃圾。他们中的一家农场, 巴斯托·朗维尤农场(Barstow’s Longview Farm)正为西斯普林菲尔德市(West Springfield)的Cabot乳制品厂提供奶源。该农场采用奶牛粪便和乳制品厂乳酪废料的混合物为厌氧消化池提供原料。而产出的甲烷则被该农场用来发电,不仅可以满足自己的电力需求,还有盈余的电量可以出售给乳制品厂。

2014年,马萨诸塞州水资源局启动了一项试点项目,将迪尔岛(Deer Island)污水处理厂的厌氧消化池用于处理废弃食物,而就在当月,新贝德福德市近郊的一家垃圾填埋场已开始建立食物垃圾处理的商业化运营模式。该机构成立了CRMC Dartmouth生物能源工厂,该工厂的主要依赖已建成的燃气发电装置(利用垃圾填埋场产生的甲烷气体)进行发电。联邦资源管理公司(该生物能源工厂的所有者)的负责人Anton Finelli表示,公司从垃圾填埋场的禁令法案中看到了商机。

Finelli表示:“我们意识到,利用垃圾填埋法处理特定来源的有机物(如消费者们在路边分类处理垃圾桶中丢弃的有机物)迟早是难以为继的,而在垃圾填埋场(采用厌氧消化法)就地处理这些垃圾最符合公司利益。我们的首要目标是为我们垃圾填埋场的生物发电装置找到新的生物气体供应途径。而在这一目标上,我们的试点项目被证明是非常成功的。以废弃食物为原料生产生物气体的效率比我们之前预计的还高。”

Finelli表示,该公司正准备将该装置对食物垃圾的处理能力从10万加仑提高到100万加仑。Finelli说:“在该扩张计划开始前,我们还需要申请新的许可证明,这需要大约1年时间,如果我们抓紧时间,后续的建造过程可以在半年左右完成。所以,想将该装置完成升级换代至少还需要18个月。”

纽约市进行可行性测试

纽约市也正在慎重评估厌氧消化法处理食物垃圾的可行性,考虑到该市已于2015年7月1日正式公布法案,要求超过一定规模的商业化食品加工企业对产生的有机废料进行回收利用,这一创新处理工艺的引入正是该市雄心勃勃的庞大计划的一部分。纽约市环境保护部刚刚结束了一项为期1年的试点项目,即在布鲁克林的Newtown Creek废水处理厂的厌氧消化池中添加食物垃圾作为原料,以对该处理工艺对食物垃圾的处理效能进行测试。

处理流程图

生物消化池的功能和哺乳动物的消化方式极其类似。液化的有机废料(“底物”)被投入具备隔热功能的密封罐中,以维持罐内温度的均一和稳定。在厌氧微生物对这些废料进行降解后,生成的终产物是混合气体和泥浆状的残留物(“消化残渣”)。而该方法产生的气体和消化残渣的性质高度依赖于所投入底物的组份构成。
© Jane Whitney

食物垃圾的主要来源是市区的学校和农贸市场,这些废料被卡车运到回收工厂,并在正式处理前先被液化处理成“生物浆液”。Fiore指出,之前进行的试点项目的处理规模很小——该工厂每天处理的生物浆液的体积还不到500加仑,而该工厂一共有8个厌氧消化池,每个消化池的最大处理能力高达300万加仑——因此,想要根据试点项目的结果估测该工厂的甲烷生产总量几乎是不可能的。他表示,该试点项目的意义在于检测整个食品回收工序的可行性,在这个意义上,该项目已经取得了成功。

纽约市将于2015年末在Newtown Creek废水处理厂启动为期三年,且规模更大的示范项目。预计该项目建成后,工厂将有能力每天处理50吨生物浆液,而到了项目末期,该数字可能会攀升至250吨/天。

Fiore:“这种超大的处理能力,在这个国家的历史上是史无前例的。如果该项目运作成功,我们认为我们最终有能力利用该工厂的设施将食物垃圾处理量扩增到500吨/天。而如果我们能每天处理500吨垃圾,我们就将有能力为大约5100个家庭提供每日必需的热能,并将该市每年的碳排放量降低9万吨,这相当于减少了1万9千辆汽车在马路上一年的排放量。”
尽管该项目看似充满希望,且技术上也十分可行,但依然存在两大问题:因为处理这些额外的垃圾,污水处理厂所需要付出的额外成本有多少?我们能从中建立可持续发展的商业模式吗?

即将上马的示范工程将为上述疑问提供答案。Fiore表示,有充分的证据表明,利用污水消化池处理食物垃圾可以稳定提供高质量的生物气体。

然而,污水处理厂可能还需要面对其他问题,比如如何应对生物气体中的痕量化合物残留,这一类问题目前并未得到足够的关注。问题包括,如何应对越来越多的氮负荷?如何应对生产过程中制造的硫化物和磷酸铵镁结石(一种会堵塞管道、泵和其他设备的沉淀物),以及设备内积累的挥发性酸(会影响消化池的平稳运作,还会使得残留的消化残渣的性质出现不良转变)?纽约市环境保护部目前正与纽约市能源研究与发展局、曼哈顿学院(Manhattan College)和巴克内尔大学(Bucknell University)密切合作对该问题进行研究。

新的机遇

为了响应马萨诸塞州的新禁令,马萨诸塞州环境保护部商业废弃物削减与计划分部的负责人John Fischer表示,已有数家公司和城市向州政府提交了立项或低息贷款申请,以建造厌氧消化池。他表示,现在的市场有能力为建造更多的消化池提供空间。但他补充说,食物垃圾的产量是有限的,一旦我们建成足以应对当前食物垃圾产量的基础设施,就不会再有空间来支持更多的建造计划。

与此同时,从事食物零售的大型企业已经开始从厌氧消化处理技术中获得好处。在2013年,Kroger公司成为第一家利用食物垃圾来生产能源的食品零售企业,该公司建造了日处理能力高达150吨的厌氧消化池。所有的不能再出售或者捐献的食物都被运到消化池中进行处理,该厌氧消化池坐落在该公司位于加利福尼亚州的分拨中心康普顿市(Compton)。而最近,Stop & Shop连锁超市也开始在马萨诸塞州弗里敦市新建厌氧消化池,该设施将于2016年初开始运营,其垃圾处理能力预计将达到95吨/日。

大学也开始意识到了食物垃圾用于生产能源的优势。在2014年4月22日,加利福尼亚大学戴维斯分校的一处垃圾处理能力在50吨/日的厌氧消化池开始投入运作,该消化池使用大学和该区域内饭馆提供的食物垃圾作为原料,每日发电量可达1万2千千瓦时。该设施的优势在于它使用了该大学生物与农业工程学系张瑞红教授研发的先进厌氧消化技术,该技术已由位于萨克拉门托的CleanWorld技术公司进行了商业转化。这项专利技术提高了厌氧消化这一基础技术的能量转化率。据该设施的操作人员估计,该消化池预计每年可以为当地的垃圾填埋场处理2万吨食物垃圾。

2013年底,辛辛那提大学的一组研究人员启动了一项新的厌氧消化技术研发项目,目的在于在利用生物垃圾制造生物气体和固体肥料的同时,还制造生物柴油。该校生物医学、化学和环境工程学系教授Tim Keener表示,该学校启动的这一项目是独一无二的,因为它将厌氧消化技术和农业关联到一起, 并利用产生的生物气体中的二氧化碳去培植水藻。再利用水藻中提取的脂类用于合成生物柴油燃料。研究者们希望与辛辛那提市的其他有关人员(他们已对新建一个食物垃圾转化工厂表示出了兴趣)组成团队,共同利用该技术来成立新的垃圾处理机构。

罗切斯特理工学院Golisano可持续化发展研究所(Golisano Institute for Sustainability)可持续交通研究中心的主任Thomas Trabold是厌氧消化技术处理食物垃圾的强烈拥护者,但他同时也指出,必须妥善管理消化池产生的气体和消化残渣。例如,必须收集所产生的气体,而不是任由其泄露到大气中,消化残渣中可能含有化学或生物污染物,如果将其作为肥料使用时,要小心对上述污染风险进行控制。

Trabold及其同事对纽约州废弃物能源转化的潜在机会进行了分析,结果表明该市场还有很大的扩张潜力和利益可以挖掘。Trabold预测,在全美范围内利用食物垃圾所生产的能源将发挥越来越重要的作用。他表示:“我十分确定,生物消化法发电将成为我国能源网络的一部分,但其究竟能承担多重要的作用还有待观察。生物消化法的发电总量可能只占总能源需求的相当小一部分,但我认为该方法将成为未来能源网络的重要组成部分,在未来,我们将放弃对少数大型发电厂的依赖,而将能源安全建立在建立更多的分布式发电系统之上。”

Fiore补充说,厌氧消化法还为向城市人口稠密的地区供应稳定可再生能源提供了相对简单和实惠的解决方案。他表示,生物气体的美妙之处在于,它可以利用当地现有的资源来保障能源安全,同时还促进了关键基础设施建设的复苏,并减少了有害气体的排放。


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Richard Dahl, 居住在波士顿的自由撰稿人,他也定期为麻省理工学院撰稿。

译自EHP 123(7):A180-A183 (2015)

翻译:吕子全

本文参考文献请浏览英文原文
原文链接
http://dx.doi.org/10.1289/ehp.123-A180