專家：中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢——基于大數(shù)據(jù)和溫室氣體排放的分析/污泥處理政策匯總

研究背景

 

隨著我國城鎮(zhèn)污水收集系統(tǒng)日趨完善和污水處理設施的不斷建設運行，市政污泥產(chǎn)量急劇增加。在過去的幾十年里，我國政府在污水處理方面實施了嚴格有效的管理，并取得了較為顯著的成就；在污水處理過程中，部分污水中的污染物轉(zhuǎn)化進入城鎮(zhèn)污泥，由于我國城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)生量大、歷史欠賬多，城鎮(zhèn)污泥的高效處理處置仍被認為是提高污水處理效率的一個重要突破點。

 

當前，土地利用、焚燒、衛(wèi)生填埋和建材利用是我國應用最廣泛的污泥處理處置技術路線，但我國幅員遼闊，不同地區(qū)污泥處理處置技術的應用差異較大，對不同地區(qū)污泥處理處置技術的適用性及潛在規(guī)律進行研究，對優(yōu)化我國污泥處理處置意義重大，并可為不同類型的發(fā)展中國家污泥處理處置提供經(jīng)驗借鑒。此外，污泥處理處置過程中會產(chǎn)生大量的溫室氣體（GHG），該過程嚴重受污泥處理處置工藝選擇的影響，因此適當工藝技術的選擇在一定程度上可以實現(xiàn)污泥處理處置過程中GHG排放的有效控制。我們廣泛收集了1978年以來，特別是2009年-2019年間我國污泥處理處置的基礎數(shù)據(jù)，從我國不同地區(qū)污泥處理處置技術的分布特征入手，對不同區(qū)域不同歷史階段污泥產(chǎn)量、技術選擇的差異等歷史數(shù)據(jù)展開分析，重點分析了好氧堆肥、厭氧污泥消化、焚燒、深度脫水、干燥和熱水解處理技術的時空分布；最后通過比較污泥處理處置過程中溫室氣體排放的區(qū)域貢獻，并評估了污泥處理處置方式的改變對GHG排放潛在的影響。相關研究成果的獲得有助于深刻認識我國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術應用與發(fā)展的潛在規(guī)律，為未來我國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術優(yōu)選提供技術支撐；此外，相關研究結(jié)果可為全球范圍相關發(fā)展中國家污泥的可持續(xù)處置提供借鑒。

 

中文摘要

 

本研究基于我國污泥處理處置的歷史數(shù)據(jù)，從污泥來源、處理處置技術路線選擇、不同技術的時空分布特征等方面對1978年以來我國污泥處理處置的潛在規(guī)律進行了系統(tǒng)研究。截至2019年底，全國共建成運行城鎮(zhèn)污水處理廠5476座，年污泥產(chǎn)量達3904萬t（含水率按80%計，以下同）。上述污泥中的29.3%通過土地利用得以最終處置，其次為焚燒（26.7%）和衛(wèi)生填埋（20.1%）。在污泥處理技術方面，污泥焚燒、好氧堆肥、熱水解和厭氧消化是我國當前污泥處理的主流技術，2019年上述工藝對應的污泥處理能力分別為27122、11250、8342和6944t/d。在地域分布上，污泥焚燒和干化是華東地區(qū)應用最為廣泛的污泥處理技術；東北地區(qū)、華東地區(qū)和華中地區(qū)則為污泥好氧堆肥技術；此外，厭氧消化設施在華東、華北和華中地區(qū)亦廣泛建設。在過去的30年間，污泥處理能力得到大幅提升，與此同時由于污泥處置帶來的溫室氣體排放總量也急劇攀升，在2019年達到108.18×10 8kg（二氧化碳排放當量），各處理技術的貢獻率呈以下趨勢：污泥焚燒（45.11%）＞衛(wèi)生填埋（23.04%）＞土地利用（17.64%）＞制造建筑材料（14.21%）。在此基礎上，針對當前我國污泥處置過程中CO2排放當量高、處理技術區(qū)域發(fā)展不平衡、穩(wěn)定性差和污泥土地利用處置水平低等實際問題，對我國污泥處置面臨的挑戰(zhàn)進行了剖析，對未來污泥處置進行了展望。最后，結(jié)合我國不同區(qū)域污泥處理處置歷史經(jīng)驗，以及歐美各國污泥處理處置特征，對發(fā)展中國家的污泥處理處置提出了建議。

 

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示1987年我國城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)生量為2.47×10 5t（80%含水率；以下同），逐漸增至2020年的2.13×10 6t 、2005年的2.96×10 6t、2009年的1.92×10 7t、2015年的2.73×10 7t，至2019年增至3.90×10 7t。 總體上，2005年-2010年間我國城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)生量呈爆發(fā)式增長，年均增長率為44.9%（2010年-2019年期間則為7.3%）。在2019年，山東省城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)生量最高，達到3.86×10 6t（占全國污泥總量9.86%），浙江次之（占9.19%），再次為廣東（9.08%）、江蘇（8.43%）、河南（6.11%）和河北（5.22%）。相應的，北京、四川、遼寧、陜西、上海、湖北、安徽、湖南、山西、重慶等10個省市合計占比為32.78%，其余15個省市僅占19.33%。

 

統(tǒng)計結(jié)果顯示，我國人均污泥產(chǎn)量和萬噸污水產(chǎn)生量區(qū)域差異明顯，如2019年我國人均污泥產(chǎn)生量為28.05kg/a，其中北京、天津和浙江人均數(shù)據(jù)最高，污泥產(chǎn)生量分別為81.9、70.4和62.5 kg/a?？傮w而言，中國北方15個省份的平均人均污泥產(chǎn)量（30.65kg/a）比南方省份（25.84kg/a）高18.6%。與之類似的是，2019年中國每萬噸污水處理污泥產(chǎn)量為5.94t，其中北方地區(qū)15個省的平均污泥產(chǎn)量(7.36t)遠遠高于南方16個省份（5.07t）。

 

Pearson相關性的分析結(jié)果顯示，我國不同區(qū)域人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）與人均污泥產(chǎn)量具有明顯的相關性，說明經(jīng)濟發(fā)展和污水設施投資對我國污泥產(chǎn)量的影響更為顯著。對于城鎮(zhèn)化水平而言，北方14?。ú缓本╇S著城鎮(zhèn)化率增加，萬噸污水污泥產(chǎn)率呈下降趨勢；南方15省則呈相反趨勢。

 

目前，污泥處置的主要技術路線有衛(wèi)生填埋、焚燒、建材生產(chǎn)、土地利用等，在2019年，我國市政污泥中約29.3%通過土地利用進行處置，其次是焚燒（26.7%）和衛(wèi)生填埋（20.1%），而建筑材料利用（15.9%）和其他方式（8.0%）貢獻較小。圖2顯示，土地利用是我國污泥處置的主要技術路線，但是其比例從2009年的60.9%逐年下降到2019年的29.3%。與此同時，焚燒處置從2009年的6.2%上升到2019年的26.7%；而2009年時，衛(wèi)生填埋僅占污泥處置總量的3.71%，2019年這一數(shù)字上升到了20.1%。從這些結(jié)果我們可以清楚看出，近些年來中國污泥的處置策略發(fā)生了較大的變化，逐漸從無序堆放向土地利用、焚燒逐漸轉(zhuǎn)變，并趨于多元化，這表明中國政府在污泥的安全和標準化處置方面取得了巨大的進步。

 

土地利用（直接利用或堆肥后）和焚燒是歐洲污泥處置的兩種主要工藝。德國、英國、西班牙、法國和波蘭是歐洲污泥產(chǎn)量最多的5個國家，其產(chǎn)生的污泥量干重分別為915萬t（2015年）、880萬t（2009年）、605萬t（2009年）、585萬t（2017年）和295萬t（2017年）。由此可見，中國的污泥產(chǎn)生量明顯高于歐洲國家，2017年中國的污泥產(chǎn)生量為3250萬t，分別比同期的德國和法國高出2.63倍和4.57倍。

 

通過對國內(nèi)200余個污泥處理項目建設及運行資料的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)2009年-2019年在中國7個行政區(qū)內(nèi)6種典型污泥處理技術（厭氧消化、好氧堆肥、焚燒、干燥、深度脫水、熱水解）的污泥處理能力呈現(xiàn)快速增長。其中，污泥好氧堆肥工程在2011年-2015年期間建設效果最為突出，污泥厭氧消化工程在2014年-2019年期間處理能力提升最為迅速，污泥焚燒處理工程在2017年-2019年間提升迅速，相對應的污泥深度脫水和熱水解工程處理能力在2013年-2016年間迅速提升。由數(shù)據(jù)分析可以看出，焚燒和好氧污泥堆肥是我國應用最廣泛的污泥處理技術，至2019年綜合處理能力分別達到27122t/d和11250t/d（含水率80%）。

 

對于污泥厭氧消化，2000年在中國建成設施的總處理能力為386t/d，到2019年增長至6944t/d。具體來說，我國厭氧污泥消化設備分布較為廣泛，其中華東和華北地區(qū)消化處理能力分別占全國的27.1%和18.7%。

 

污泥堆肥作為最廣泛的污泥處理技術路線之一，在過去10年呈現(xiàn)出爆炸式增長。2009年建成的污泥堆肥廠處理能力約為300t/d，到2019年已提高至11250t/d。目前，污泥堆肥工藝在我國東北地區(qū)廣泛建設運行（2019年污泥處理能力達5202 t/d），占全國堆肥污泥總量的46.5%；其次是華東地區(qū)（2510t/d）、華中地區(qū)（1430t/d）和華北地區(qū)（862 t/d），與此同時，西北、華南和西南地區(qū)的處理能力較低。

 

至2019年底，污泥焚燒技術在我國的綜合處理能力達到27122t/d，在六種典型污泥處理技術中處理能力最高。其中華東地區(qū)的焚燒污泥總量占全國總量的70.3%，其次是華北地區(qū)（7.5%）、西南地區(qū)（6.8%）和華南地區(qū)（5.9%），而東北、西北和中部地區(qū)污泥進行焚燒處理的比例較低。污泥干燥廠的地理分布與焚燒廠相似，2012年污泥干燥處理能力為350t/d，2019年升至4615t/d，年均增長44.5%。該項技術的區(qū)域處理能力呈以下趨勢：華東地區(qū)（45.9%）＞華南地區(qū)（23.5%）＞華中地區(qū)（13.0%）＞華北（9.5%）＞西北地區(qū)（8.0%）。

 

同樣地，污泥深度脫水和熱水解技術近年來在中國也得到了快速的應用。2010年-2015年，大量污泥深度脫水裝置被建成（處理能力由200t/d增加到4970t/d），年均增長率為70.8%。截至2019年底，我國污泥深度脫水工程處理能力約為6410t/d，其中，華東地區(qū)對污泥深度脫水的貢獻率達到36.8%，其次是華南地區(qū)（34.8%）和華中地區(qū)（20.3%）。

 

污泥熱水解工程處理能力從2014年的2122t/d增加到2019年底的8342t/d?？傮w而言，華北地區(qū)是污泥熱水解廠建設的重點地區(qū)（貢獻高達73.46%），其次是華東地區(qū)（13.6%）、華中地區(qū)（7.6%）和華南地區(qū)（5.4%）。

 

經(jīng)計算，2009年我國污泥焚燒、建筑材料利用、衛(wèi)生填埋和土地利用溫室氣體排放量（108kg，二氧化碳當量）分別為5.17、1.63、34.33和2.39。其中，衛(wèi)生填埋和焚燒分別貢獻了78.88%和11.88%。到2019年我國因污泥處理處置產(chǎn)生的溫室氣體排放總量增加了2.49倍，達到108.18×108kg（二氧化碳當量）。六種典型處置技術路線貢獻率呈以下趨勢：污泥焚燒（45.11%）＞衛(wèi)生填埋（23.04%＞污泥土地利用（17.64%）＞建材利用（14.21%），其中污泥焚燒和衛(wèi)生填埋排放的GHG分別為48.80×108和24.93×108kg。在2009年-2019年間，華東地區(qū)始終為我國污泥處置中溫室氣體排放最多的地區(qū)，2009年占當時全國總排放量的41.35%（17.99×108kg，二氧化碳當量），2019年則貢獻了44.83%（48.50×108kg，二氧化碳當量）?？傮w來說，中國由污泥處置引起的人均GHG排放量遠低于日本和大多數(shù)歐洲國家，例如，2017年華東地區(qū)GHG排放量為10.74kg/人，遠低于日本（24.89kg/人，二氧化碳當量）和荷蘭（44.12kg/人，二氧化碳當量）。然而由于人口密度高，中國的溫室氣體排放總量不可忽視。2017年，華東地區(qū)的CO2排放總當量為43.74×108kg，遠高于德國的31.76×108kg（歐洲最高）以及日本的31.53×108kg。

 

當前，我國7個行政區(qū)污泥處理技術路線差異顯著，且不同技術分布極不均衡，主要特征及影響因素可總結(jié)如下：

 

（1）地區(qū)經(jīng)濟水平、城鎮(zhèn)化率、當?shù)卣咧С至Χ纫约巴恋?a href='http://gqdnzm.cn/tanhangqing' target='_blank'>價格會影響污泥處理處置技術路線的選擇。例如焚燒和干燥技術雖然投資大且能耗高，但其工程占地面積小，在我國東部和華北地區(qū)的應用較為廣泛；而東北和華中地區(qū)則以好氧堆肥技術作為主要的污泥處理工藝。

 

（2）我國污泥設備的處理能力在2009年-2019年顯著提高，具體地，污泥堆肥處理能力在2011年-2015年間大幅提升，厭氧消化則在2014年-2019年期間，焚燒處理為2017年-2019年期間，相對應的污泥深度脫水和熱水解在2013年-2016年間飛速發(fā)展。

 

（3）污泥焚燒是我國城鎮(zhèn)污泥處置過程中GHG排放的最主要貢獻者，占到全國污泥處置GHG總排放量的45.1%，該現(xiàn)象在華東地區(qū)尤甚。

 

（4）我國污泥經(jīng)厭氧消化/好氧堆肥處理后，進行土地利用的比例約為26.5%，這一數(shù)據(jù)仍低于歐盟的50.0%。

 

（5）華東、華北地區(qū)不同工藝路線及其預處理之間建立了緊密的聯(lián)系，如熱水解與厭氧消化技術，污泥干化與污泥焚燒技術。

 

當前，我國污泥處理處置面臨的主要挑戰(zhàn)如下：

 

（1）應高度重視中國污泥處理處置的區(qū)域不平衡，需要重點關注我國西北和西南地區(qū)的污泥處理處置。

 

（2）應重點關注污泥中高值物質(zhì)的回用和資源化，建議對污泥能源轉(zhuǎn)化率/資源化率應提出強制性標準；并提出污泥處理處置過程中溫室氣體排放應對措施。

 

（3）污泥的土地利用比率在中國仍處于較低水平。

 

（4）缺乏污泥處置的強制性標準。

 

（5）污泥廠的建設資金仍然較低，2011年-2015年我國污泥處理投資僅占處理投資的7.58%，遠低于發(fā)達國家的30%-50%。

 

基于我國污泥處理處置經(jīng)驗，對其他發(fā)展中國家的污泥進行可持續(xù)管理的建議：

 

（1）首先需評估相關的污泥處理處置技術在發(fā)展中國家的經(jīng)濟適用性，并進行必要的溫室氣體排放情況核算。在工程建設過程中高度重視污泥減量、土地需求和能源需求情況。

 

（2）對于經(jīng)濟增長迅速、人口眾多、土地資源稀缺的地區(qū)，大力推薦我國華東地區(qū)污泥處理處置模式。相反，對于經(jīng)濟條件差、城市化率低的地區(qū)，應大力支持污泥的資源化利用。

 

（3）發(fā)展中國家的污泥處置可以學習中國過去40年間污泥從無序堆棄到策略性處置轉(zhuǎn)變的成功經(jīng)驗。另外，發(fā)展中國家在制定污泥處理處置相關法律法規(guī)時不應忽視健康問題、經(jīng)濟條件、土壤特性、技術能力等，以建立可持續(xù)的污泥處理處置體系。