專(zhuān)家：中國(guó)城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)——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(guó)城鎮(zhèn)污水收集系統(tǒng)日趨完善和污水處理設(shè)施的不斷建設(shè)運(yùn)行，市政污泥產(chǎn)量急劇增加。在過(guò)去的幾十年里，我國(guó)政府在污水處理方面實(shí)施了嚴(yán)格有效的管理，并取得了較為顯著的成就；在污水處理過(guò)程中，部分污水中的污染物轉(zhuǎn)化進(jìn)入城鎮(zhèn)污泥，由于我國(guó)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(rèn)為是提高污水處理效率的一個(gè)重要突破點(diǎn)。

 

當(dāng)前，土地利用、焚燒、衛(wèi)生填埋和建材利用是我國(guó)應(yīng)用最廣泛的污泥處理處置技術(shù)路線，但我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)污泥處理處置技術(shù)的應(yīng)用差異較大，對(duì)不同地區(qū)污泥處理處置技術(shù)的適用性及潛在規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)優(yōu)化我國(guó)污泥處理處置意義重大，并可為不同類(lèi)型的發(fā)展中國(guó)家污泥處理處置提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。此外，污泥處理處置過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體（GHG），該過(guò)程嚴(yán)重受污泥處理處置工藝選擇的影響，因此適當(dāng)工藝技術(shù)的選擇在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)污泥處理處置過(guò)程中GHG排放的有效控制。我們廣泛收集了1978年以來(lái)，特別是2009年-2019年間我國(guó)污泥處理處置的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從我國(guó)不同地區(qū)污泥處理處置技術(shù)的分布特征入手，對(duì)不同區(qū)域不同歷史階段污泥產(chǎn)量、技術(shù)選擇的差異等歷史數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，重點(diǎn)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(shù)的時(shí)空分布；最后通過(guò)比較污泥處理處置過(guò)程中溫室氣體排放的區(qū)域貢獻(xiàn)，并評(píng)估了污泥處理處置方式的改變對(duì)GHG排放潛在的影響。相關(guān)研究成果的獲得有助于深刻認(rèn)識(shí)我國(guó)城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的潛在規(guī)律，為未來(lái)我國(guó)城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)優(yōu)選提供技術(shù)支撐；此外，相關(guān)研究結(jié)果可為全球范圍相關(guān)發(fā)展中國(guó)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(guó)污泥處理處置的歷史數(shù)據(jù)，從污泥來(lái)源、處理處置技術(shù)路線選擇、不同技術(shù)的時(shí)空分布特征等方面對(duì)1978年以來(lái)我國(guó)污泥處理處置的潛在規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。截至2019年底，全國(guó)共建成運(yùn)行城鎮(zhèn)污水處理廠5476座，年污泥產(chǎn)量達(dá)3904萬(wàn)t（含水率按80%計(jì)，以下同）。上述污泥中的29.3%通過(guò)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(shù)方面，污泥焚燒、好氧堆肥、熱水解和厭氧消化是我國(guó)當(dāng)前污泥處理的主流技術(shù)，2019年上述工藝對(duì)應(yīng)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(yīng)用最為廣泛的污泥處理技術(shù)；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(shù)；此外，厭氧消化設(shè)施在華東、華北和華中地區(qū)亦廣泛建設(shè)。在過(guò)去的30年間，污泥處理能力得到大幅提升，與此同時(shí)由于污泥處置帶來(lái)的溫室氣體排放總量也急劇攀升，在2019年達(dá)到108.18×10 8kg（二氧化碳排放當(dāng)量），各處理技術(shù)的貢獻(xiàn)率呈以下趨勢(shì)：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(chǔ)上，針對(duì)當(dāng)前我國(guó)污泥處置過(guò)程中CO2排放當(dāng)量高、處理技術(shù)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(shí)際問(wèn)題，對(duì)我國(guó)污泥處置面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了剖析，對(duì)未來(lái)污泥處置進(jìn)行了展望。最后，結(jié)合我國(guó)不同區(qū)域污泥處理處置歷史經(jīng)驗(yàn)，以及歐美各國(guó)污泥處理處置特征，對(duì)發(fā)展中國(guó)家的污泥處理處置提出了建議。

 

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示1987年我國(guó)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(guó)城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)生量呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，年均增長(zhǎng)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(dá)到3.86×10 6t（占全國(guó)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(yīng)的，北京、四川、遼寧、陜西、上海、湖北、安徽、湖南、山西、重慶等10個(gè)省市合計(jì)占比為32.78%，其余15個(gè)省市僅占19.33%。

 

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國(guó)人均污泥產(chǎn)量和萬(wàn)噸污水產(chǎn)生量區(qū)域差異明顯，如2019年我國(guó)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(guó)北方15個(gè)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(lèi)似的是，2019年中國(guó)每萬(wàn)噸污水處理污泥產(chǎn)量為5.94t，其中北方地區(qū)15個(gè)省的平均污泥產(chǎn)量(7.36t)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南方16個(gè)省份（5.07t）。

 

Pearson相關(guān)性的分析結(jié)果顯示，我國(guó)不同區(qū)域人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）與人均污泥產(chǎn)量具有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)發(fā)展和污水設(shè)施投資對(duì)我國(guó)污泥產(chǎn)量的影響更為顯著。對(duì)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(wàn)噸污水污泥產(chǎn)率呈下降趨勢(shì)；南方15省則呈相反趨勢(shì)。

 

目前，污泥處置的主要技術(shù)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(guó)市政污泥中約29.3%通過(guò)土地利用進(jìn)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(xiàn)較小。圖2顯示，土地利用是我國(guó)污泥處置的主要技術(shù)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(shí)，焚燒處置從2009年的6.2%上升到2019年的26.7%；而2009年時(shí)，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(lái)中國(guó)污泥的處置策略發(fā)生了較大的變化，逐漸從無(wú)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(guó)政府在污泥的安全和標(biāo)準(zhǔn)化處置方面取得了巨大的進(jìn)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(guó)、英國(guó)、西班牙、法國(guó)和波蘭是歐洲污泥產(chǎn)量最多的5個(gè)國(guó)家，其產(chǎn)生的污泥量干重分別為915萬(wàn)t（2015年）、880萬(wàn)t（2009年）、605萬(wàn)t（2009年）、585萬(wàn)t（2017年）和295萬(wàn)t（2017年）。由此可見(jiàn)，中國(guó)的污泥產(chǎn)生量明顯高于歐洲國(guó)家，2017年中國(guó)的污泥產(chǎn)生量為3250萬(wàn)t，分別比同期的德國(guó)和法國(guó)高出2.63倍和4.57倍。

 

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)200余個(gè)污泥處理項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)行資料的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)2009年-2019年在中國(guó)7個(gè)行政區(qū)內(nèi)6種典型污泥處理技術(shù)（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(zhǎng)。其中，污泥好氧堆肥工程在2011年-2015年期間建設(shè)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(duì)應(yīng)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(guó)應(yīng)用最廣泛的污泥處理技術(shù)，至2019年綜合處理能力分別達(dá)到27122t/d和11250t/d（含水率80%）。

 

對(duì)于污泥厭氧消化，2000年在中國(guó)建成設(shè)施的總處理能力為386t/d，到2019年增長(zhǎng)至6944t/d。具體來(lái)說(shuō)，我國(guó)厭氧污泥消化設(shè)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(guó)的27.1%和18.7%。

 

污泥堆肥作為最廣泛的污泥處理技術(shù)路線之一，在過(guò)去10年呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)。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(guó)東北地區(qū)廣泛建設(shè)運(yùn)行（2019年污泥處理能力達(dá)5202 t/d），占全國(guó)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(shí)，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(shù)在我國(guó)的綜合處理能力達(dá)到27122t/d，在六種典型污泥處理技術(shù)中處理能力最高。其中華東地區(qū)的焚燒污泥總量占全國(guó)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(jìn)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(zhǎng)44.5%。該項(xiàng)技術(shù)的區(qū)域處理能力呈以下趨勢(shì)：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(shù)近年來(lái)在中國(guó)也得到了快速的應(yīng)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(zhǎng)率為70.8%。截至2019年底，我國(guó)污泥深度脫水工程處理能力約為6410t/d，其中，華東地區(qū)對(duì)污泥深度脫水的貢獻(xiàn)率達(dá)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(shè)的重點(diǎn)地區(qū)（貢獻(xiàn)高達(dá)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(jì)算，2009年我國(guó)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(dāng)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(xiàn)了78.88%和11.88%。到2019年我國(guó)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(dá)到108.18×108kg（二氧化碳當(dāng)量）。六種典型處置技術(shù)路線貢獻(xiàn)率呈以下趨勢(shì)：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(guó)污泥處置中溫室氣體排放最多的地區(qū)，2009年占當(dāng)時(shí)全國(guó)總排放量的41.35%（17.99×108kg，二氧化碳當(dāng)量），2019年則貢獻(xiàn)了44.83%（48.50×108kg，二氧化碳當(dāng)量）?？傮w來(lái)說(shuō)，中國(guó)由污泥處置引起的人均GHG排放量遠(yuǎn)低于日本和大多數(shù)歐洲國(guó)家，例如，2017年華東地區(qū)GHG排放量為10.74kg/人，遠(yuǎn)低于日本（24.89kg/人，二氧化碳當(dāng)量）和荷蘭（44.12kg/人，二氧化碳當(dāng)量）。然而由于人口密度高，中國(guó)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(dāng)量為43.74×108kg，遠(yuǎn)高于德國(guó)的31.76×108kg（歐洲最高）以及日本的31.53×108kg。

 

當(dāng)前，我國(guó)7個(gè)行政區(qū)污泥處理技術(shù)路線差異顯著，且不同技術(shù)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(jì)水平、城鎮(zhèn)化率、當(dāng)?shù)卣咧С至Χ纫约巴恋?a href='http://theclergymen.com/tanhangqing' target='_blank'>價(jià)格會(huì)影響污泥處理處置技術(shù)路線的選擇。例如焚燒和干燥技術(shù)雖然投資大且能耗高，但其工程占地面積小，在我國(guó)東部和華北地區(qū)的應(yīng)用較為廣泛；而東北和華中地區(qū)則以好氧堆肥技術(shù)作為主要的污泥處理工藝。

 

（2）我國(guó)污泥設(shè)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(duì)應(yīng)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(guó)城鎮(zhèn)污泥處置過(guò)程中GHG排放的最主要貢獻(xiàn)者，占到全國(guó)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(guó)污泥經(jīng)厭氧消化/好氧堆肥處理后，進(jìn)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(yù)處理之間建立了緊密的聯(lián)系，如熱水解與厭氧消化技術(shù)，污泥干化與污泥焚燒技術(shù)。

 

當(dāng)前，我國(guó)污泥處理處置面臨的主要挑戰(zhàn)如下：

 

（1）應(yīng)高度重視中國(guó)污泥處理處置的區(qū)域不平衡，需要重點(diǎn)關(guān)注我國(guó)西北和西南地區(qū)的污泥處理處置。

 

（2）應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注污泥中高值物質(zhì)的回用和資源化，建議對(duì)污泥能源轉(zhuǎn)化率/資源化率應(yīng)提出強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)；并提出污泥處理處置過(guò)程中溫室氣體排放應(yīng)對(duì)措施。

 

（3）污泥的土地利用比率在中國(guó)仍處于較低水平。

 

（4）缺乏污泥處置的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。

 

（5）污泥廠的建設(shè)資金仍然較低，2011年-2015年我國(guó)污泥處理投資僅占處理投資的7.58%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的30%-50%。

 

基于我國(guó)污泥處理處置經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其他發(fā)展中國(guó)家的污泥進(jìn)行可持續(xù)管理的建議：

 

（1）首先需評(píng)估相關(guān)的污泥處理處置技術(shù)在發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)適用性，并進(jìn)行必要的溫室氣體排放情況核算。在工程建設(shè)過(guò)程中高度重視污泥減量、土地需求和能源需求情況。

 

（2）對(duì)于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速、人口眾多、土地資源稀缺的地區(qū)，大力推薦我國(guó)華東地區(qū)污泥處理處置模式。相反，對(duì)于經(jīng)濟(jì)條件差、城市化率低的地區(qū)，應(yīng)大力支持污泥的資源化利用。

 

（3）發(fā)展中國(guó)家的污泥處置可以學(xué)習(xí)中國(guó)過(guò)去40年間污泥從無(wú)序堆棄到策略性處置轉(zhuǎn)變的成功經(jīng)驗(yàn)。另外，發(fā)展中國(guó)家在制定污泥處理處置相關(guān)法律法規(guī)時(shí)不應(yīng)忽視健康問(wèn)題、經(jīng)濟(jì)條件、土壤特性、技術(shù)能力等，以建立可持續(xù)的污泥處理處置體系。