本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者观点，不一定代表《大众科学》的观点。
这是Dawn Santoianni撰写的嘉宾文章。
为什么将垃圾从垃圾填埋场转移并转化为能源会引起如此多的争议？尽管垃圾发电（WTE）在欧洲国家广泛使用，但在美国，垃圾发电却因“污染”而闻名。环保激进组织经常因空气排放问题而反对垃圾发电。他们认为垃圾发电不“绿色”，将垃圾作为能源会阻碍再利用和回收。尽管在波特兰等地有一些成功的回收和路边堆肥计划，但根据美国环境保护署的数据，美国目前仅回收或堆肥了34%的城市垃圾。美国的垃圾填埋成本相对较低，这助长了我们浪费的习惯。相比之下，在德国，大部分垃圾被回收、堆肥或通过生物和热力方法处理。德国和其他欧洲国家回收和垃圾发电的成功，源于政府的强制措施和反映垃圾填埋空间稀缺性的处理成本。在全球范围内，70%的城市固体废物被填埋，预计城市固体废物的量将在未来15年内翻一番。
利用城市固体废物（MSW）发电可以将送往垃圾填埋场的物质减少90%，从而避免垃圾填埋场产生的温室气体排放——垃圾填埋场是第三大人类相关甲烷排放源。研究估计，仅美国食物垃圾中蕴含的能量就相当于3.5亿桶石油，足以为1620万户家庭供电一年。除了城市固体废物，美国在管理动物粪便、建筑和拆除垃圾以及污水污泥等方面也存在问题，仅举几例。美国需要转变我们看待垃圾和垃圾发电的方式。创新技术有望帮助我们开始看到我们目前浪费的资源，并证明垃圾发电可以是清洁的。
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消除对垃圾发电的误解
在美国，垃圾发电仍然被广泛认为是来自垃圾填埋气或焚烧的能源。垃圾发电不是单一技术，而是一系列技术——包括热力和生物技术——可以将废弃物转化为电力或燃料。虽然垃圾填埋气最好加以利用而不是作为温室气体排放，但环保人士希望将垃圾从垃圾填埋场转移出去，而不是产生更多的气体。城市固体废物的焚烧通常采用大规模焚烧方法，并且需要污染控制，包括对汞、铅、二噁英/呋喃、颗粒物、氮氧化物和二氧化硫的控制。大规模焚烧设施几乎不需要或不需要对垃圾进行预处理——这既是一个有吸引力的经济特征，也是形象问题的根源。在近年来改进垃圾分类和回收工作之前，焚烧炉会焚烧包括金属废弃物在内的混合物，产生大量的空气排放物。大规模焚烧设施通常被美国环保署批准为有害空气污染物的“主要来源”。在美国运营的87家垃圾发电厂中，有63家是大规模焚烧厂。在纽约，即使直接燃烧方法被明确排除在考虑范围之外，利用城市垃圾发电的努力也受到了严厉的批评和抗议。问题就在于此：垃圾发电的负面含义如此之深，以至于更清洁的技术也被忽视了。
热力技术——提高效率并减少排放
一种消除对垃圾发电许多反对意见的热力技术是气化。气化是一种与焚烧从根本上不同的热力过程。废物（城市固体废物或其他废物）经过预处理，使用筛选、尺寸缩小和分离的组合来去除金属和玻璃等无机材料。所得废物被压缩并干燥成颗粒或砖块，用作气化炉的原料。与焚烧不同，气化使用高温和高压在亚化学计量气氛（氧气少于完全燃烧所需的氧气）中将废物转化为主要由一氧化碳和氢气组成的合成气。合成气随后可用于蒸汽过程或燃气轮机中发电，或为内燃机提供动力。残余灰烬被处置或进一步处理以进行材料回收。低氧环境可防止二噁英、呋喃或大量氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）的形成。由于工艺气体量少，气化所需的排放控制设备成本较低。合成气的用途将决定所需的气体调节程度。低氧气氛、不存在金属颗粒以及骤冷（快速冷却）可以防止合成气中二噁英和呋喃的再形成。最近的研究表明，与垃圾填埋处理相比，城市固体废物的气化可能具有显着的环境效益，每吨可节省0.3至0.6吨碳当量排放量。
（城市固体废物气化和发电厂示意图（Energos，2009年）。图片来源：垃圾发电研究和技术委员会）
另外两种热力技术是等离子体弧气化和热解。等离子体气化使用电离气体弧将原料加热到极高的温度，将其分解为元素副产品。残留的无机材料被玻璃化——变成玻璃状物质，它是惰性的（不渗滤）并且超过EPA标准。然而，由于等离子体弧炬所需的能量，等离子体气化仍然是一项昂贵的技术。佛罗里达州的一个示范项目已获得最终许可，每天将处理600吨垃圾。值得注意的是，该设施许可证限制的六种EPA标准污染物是该规模设施中全国最低的。另一个项目是德克萨斯州的项目，该项目仍处于早期规划阶段。在热解中，原料在没有空气的情况下在中高温下热分解，产生液体或气体燃料和称为焦炭的固体残留物。如果热解燃料被燃烧以发电，则需要排放控制设备。热解和气化有时会被混淆，即使操作条件和产品不同。与传统的质量燃烧焚烧相比，气化、等离子体气化和热解提供更高的废物转化效率（高25%至50%）。
（高温热解室。图片来源：Interstate Waste Technologies）
不幸的是，对技术的困惑导致许多人反对新的垃圾发电气化项目，认为它们是伪装的焚烧炉，或者“好得难以置信”。更让人困惑的是，美国气化设施缺乏实质性的排放数据。生物质气化研究（不仅是城市固体废物，还有木质生物质）表明，由于原料、预处理、操作条件和配置的可变性，排放范围很广。因此，当社区团体调查城市固体废物的热力技术时，来自与拟议项目不同的来源的排放和运营数据被误解。公众的反对加上不利的经济因素（低垃圾填埋价格、所需的废物预处理）阻碍了气化、等离子体弧气化和热解的商业化。
虽然气化仍在努力克服城市固体废物的焚烧炉声誉，但该技术在动物粪便方面已取得公认的成功。丹佛动物园的大象通道展览通过使用创新的气化系统，将人类垃圾和动物粪便转化为可再生电力为展览供电，获得了LEED铂金认证。像这样的成功气化项目可能为更可持续的动物粪便管理铺平道路。通常，动物粪便被储存在农场或作为富含氮和磷的土壤改良剂撒在田地里。然而，动物粪便也可能过犹不及。动物生产运营的集中度和规模导致废物被大量堆积（如禽粪的情况）、泻湖（猪和奶牛粪便）或施用于过度施肥的农田。这些做法可能会导致径流，从而导致地表水污染。垃圾发电技术可以通过提供众多好处来改善动物粪便管理，包括水质改善和气味减少。值得注意的动物粪便气化项目包括一个中试规模的佐治亚州气化厂，该厂将泰森禽粪转化为工艺蒸汽，以及一个爱荷华州家禽养殖场示范项目，该项目最近获得了资金。
生物技术——准备好实现商业规模了吗？
非热力技术使用生物过程分解废物。厌氧消化是一种在缺氧环境中利用细菌分解的过程，正成为高含水量动物粪便以及其他废物流的首选方法。厌氧消化与未覆盖的废物泻湖产生甲烷排放的过程相同，但现代技术利用封闭容器来捕获气味，维持和优化消化条件，并收集残留的富含营养物质的残留物。厌氧消化产生的沼气含有55%至70%的甲烷，可用于发电或提炼为生物燃料。美国各地的一些奶牛场现在正在利用生物消化器发电。大规模普及的障碍一直是不利的经济性和材料处理限制。厌氧消化系统无法处理混合废物，并且对废物的含水量敏感。因此，可能需要大量的水。创新已经克服了后一个问题，因为首个商业规模的高固体厌氧消化系统最近在加利福尼亚州首次亮相，该系统处理来自区域生产商的食物垃圾。
（用于奶牛粪便的厌氧消化器。图片来源：Revmodo.com）
如果说厌氧消化存在形象问题，那就是商业规模难以实现，因为处理废物需要时间，并且需要预处理。虽然焚烧炉每天可以处理超过500吨城市固体废物，但加利福尼亚州的第一个商业规模的消化器计划到2013年每天处理100吨。大多数消化器的日处理量在10到50吨之间。美国环保署正在尝试通过一个互动工具来鼓励厌氧消化产生的垃圾发电，该工具将沼气生产者与用户配对，包括污水处理厂产生的沼气。
令人兴奋的新技术发展利用藻类和在较高温度下茁壮成长的真菌，将废物加工成生物燃料。利用废物开发生物燃料优于使用淀粉类食物生物质，例如玉米用于生产乙醇。纤维素衍生乙醇仅在实验室和小规模示范中生产，因为生产成本高昂，尽管政府强制要求使用。分解纤维素生物质的酶一直是主要的经济障碍，占纤维素乙醇生产成本的一半。能源部的研究人员正在编目真菌，这些真菌可以将纤维素废物生物质分解为简单的糖，用于发酵成乙醇。大量的真菌集合可以用来识别那些产生具有成本效益的酶，用于分解废物和开发生物燃料的真菌。
为废物创造竞争
从生物柴油市场吸取的教训是，一旦废物成为商品，原料的可用性和价格上涨可能会成为问题，据北卡罗来纳州生物燃料中心称。随着生物柴油因产量在2011年超过10亿加仑而越来越受欢迎，废油短缺实际上导致了盗窃废食用油事件的发生。对原料废物量（称为黄油脂，以及大豆油）的限制最终限制了可以开发的生物燃料的量。对于城市固体废物和动物粪便，供应链管理，包括废物来源的可用性、位置、数量和控制，将决定垃圾发电厂的经济可行性。废物可用性问题可能导致使用补充原料或减少材料回收工作，这是对新建城市固体废物垃圾发电厂的主要反对意见之一。
那么，新技术是让我们更接近零废物，还是破坏我们的回收工作？如果我们开始将废物视为能源，这是否只会鼓励浪费？数据表明，拥有垃圾发电设施的社区的回收率高于全国平均水平，并且垃圾填埋转移率可能高于尝试零废物的社区。一些城市通过首先关注减少和回收，然后是垃圾发电，成功地将废物从垃圾填埋场转移出去。由于高昂的资本成本和电力生产成本，垃圾发电仍然不如卡车运往垃圾填埋场有吸引力。联邦、州和市级政策可以通过征收费用以提高垃圾填埋成本，实施路边计划以方便家庭回收和堆肥，以及鼓励将垃圾发电作为综合废物管理解决方案的一部分来改变这些经济状况。
关于作者： Dawn Santoianni是一位燃烧工程师，从事能源和环境问题研究已有20年。她曾作为美国环境保护署的承包商进行空气污染研究，并就一项拟议的环境法规在美国国会小组委员会作证。Dawn目前通过她的公司Tau Technical Communications LLC担任技术写作顾问。当她不辩论或撰写关于能源政策的博客时，Dawn会在她的“酷”工作上度过时光——在一家教育野生动物机构做志愿者，在那里她帮助照顾狮子、老虎和狼。她喜欢阅读关于粒子物理学的书籍，并对大型强子对撞机的实验很感兴趣。在Twitter上关注@tautechnical。Dawn应Plugged In的Melissa C. Lott的邀请撰写了这篇嘉宾文章。