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專家:中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)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

文章來源:未知碳交易網(wǎng)2021-03-28 13:47

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(shè)施的不斷建設(shè)運(yùn)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(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應(yīng)用最廣泛的污泥處理處置技術(shù)路線,但我國幅員遼闊,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(yàn)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(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(chǔ)數(shù)據(jù),從我國不同地區(qū)污泥處理處置技術(shù)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(shù)選擇的差異等歷史數(shù)據(jù)展開分析,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;最后通過比較污泥處理處置過程中溫室氣體排放的區(qū)域貢獻(xiàn),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(guān)研究成果的獲得有助于深刻認(rèn)識我國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的潛在規(guī)律,為未來我國城鎮(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(shù)路線選擇、不同技術(shù)的時(shí)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(jìn)行了系統(tǒng)研究。截至2019年底,全國共建成運(yùn)行城鎮(zhèn)污水處理廠5476座,年污泥產(chǎn)量達(dá)3904萬t(含水率按80%計(jì),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(shù)方面,污泥焚燒、好氧堆肥、熱水解和厭氧消化是我國當(dāng)前污泥處理的主流技術(shù),2019年上述工藝對應(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: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,針對當(dāng)前我國污泥處置過程中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)際問題,對我國污泥處置面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了剖析,對未來污泥處置進(jìn)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(yàn),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(jì)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(dá)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(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(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(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(guān)性,說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展和污水設(shè)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(shù)路線有衛(wèi)生填埋、焚燒、建材生產(chǎn)、土地利用等,在2019年,我國市政污泥中約29.3%通過土地利用進(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(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、英國、西班牙、法國和波蘭是歐洲污泥產(chǎn)量最多的5個(gè)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(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。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%)。
 
對于污泥厭氧消化,2000年在中國建成設(shè)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(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(shè)運(yùn)行(2019年污泥處理能力達(dá)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(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44.5%。該項(xiàng)技術(shù)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(shù)近年來在中國也得到了快速的應(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(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。總體而言,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: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(dāng)時(shí)全國總排放量的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來說,中國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)高于德國的31.76×108kg(歐洲最高)以及日本的31.53×108kg。
 
當(dāng)前,我國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://yx822.com/tanhangqing' target='_blank'>價(jià)格會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)污泥焚燒是我國城鎮(zhèn)污泥處置過程中GHG排放的最主要貢獻(xiàn)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(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)高度重視中國污泥處理處置的區(qū)域不平衡,需要重點(diǎn)關(guān)注我國西北和西南地區(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程中溫室氣體排放應(yīng)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(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。
 
(5)污泥廠的建設(shè)資金仍然較低,2011年-2015年我國污泥處理投資僅占處理投資的7.58%,遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的30%-50%。
 
基于我國污泥處理處置經(jīng)驗(yàn),對其他發(fā)展中國家的污泥進(jìn)行可持續(xù)管理的建議:
 
(1)首先需評估相關(guān)的污泥處理處置技術(shù)在發(fā)展中國家的經(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(jì)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(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)展中國家的污泥處置可以學(xué)習(xí)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(yàn)。另外,發(fā)展中國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。
 
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