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土地填埋、干化焚燒、資源利用 ——我國城鎮(zhèn)污水廠污泥處理處置技術應用的路線思考
2017-10-10 / ：341
近年來，城鎮(zhèn)污水處理廠大量建成并投入運行，污泥產(chǎn)量越來越大，污泥處置問題顯得非常緊迫。現(xiàn)階段我國污泥處理處置路線應當如何選擇?國外發(fā)達國家的成功案例可以帶給我們什么啟示?本期作者為上海交通大學環(huán)境科學與工程學院污泥處理處置技術專家——朱南文教授，從污泥處置的三大技術路線出發(fā)，探討適合于我國國情的污泥處置產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。
城鎮(zhèn)污泥是污水處理廠污水處理過程中的二次產(chǎn)物。對一個穩(wěn)定運行的污水處理廠而言，每處理單位體積的污水都會產(chǎn)生一定數(shù)量的污泥，即有一定的污泥產(chǎn)率。從我國各地污水廠調查的情況看，大多數(shù)污水處理廠每處理1萬m3的污水會產(chǎn)生5~10t脫水污泥(含水率以80%計)。從住建部報道的數(shù)據(jù)看，截至2015年6月底，我國已有城鎮(zhèn)污水處理廠3802座，污水處理能力達到1.61億m3/d，實際處理量達1.26億m3/d。按前述污水廠污泥產(chǎn)率計算，我國每年的脫水污泥量已超過3200萬t，且目前仍以每年5%~10%的速度在增長。如此產(chǎn)生的大量污泥，一旦處理失當，極有可能對環(huán)境造成二次污染，因此，如何合理、有效地處置污泥已成為環(huán)境工程界關注的熱點問題之一。
1、我國污泥處理處置的主要問題
過去幾年中，圍繞我國污泥處理處置的討論一直是行業(yè)關注的問題，同濟大學環(huán)境科學與工程學院院長戴曉虎教授曾指出，我國污泥處理處置的主要問題在于：①我國污泥泥質有別于其他國家，處理處置難度大;②關鍵共性技術及裝備有待突破，產(chǎn)業(yè)鏈集成水平有待提高;③整體技術路線不清晰，政策標準體系不完善。由此可見，我國污泥處理處置行業(yè)的破題之策，一是在于清晰地明確適合我國國情和泥情的技術路線，二是在于從法律法規(guī)和補貼及政策扶持層面引導污泥處理處置行業(yè)的良性有序發(fā)展。
就污泥處理處置的技術路線而言，《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置˙分類》(GB/T 23484-2009)將污泥處理處置技術路線分為四類，包括污泥焚燒、建材利用、土地利用和土地填埋等。中國水協(xié)排水委員會主任楊向平先生曾通俗易懂地提出過“填埋肯定比亂扔好，但是得找到場地;焚燒肯定比填埋好，但得治理好煙氣;利用比焚燒好，但得嚴格管理”的觀點。從技術層面而言，我國近年來已針對各種可行的污泥處理處置技術進行了大量的研究和應用，已具備實現(xiàn)相關技術路線的技術能力，技術問題已并非污泥處理處置的主要瓶頸，結合戴曉虎院長和楊向平先生的觀點不難發(fā)現(xiàn)，真正的瓶頸問題在于各種污泥處理處置技術路線的必要條件，即“填埋得找到土地、焚燒得治好煙氣，以及利用得嚴格管理”。
相對我國，美國、日本與歐盟等發(fā)達國家在污泥處理處置領域的發(fā)展已頗為成熟，不僅僅在技術上，在政策保障和市場運營方面均積累了一些行之有效且適合各自國情和泥情的做法，本文即通過參考發(fā)達國家的成功經(jīng)驗，結合我國國情和泥情，對我國污泥處理處置技術路線的選擇展開思考。
2、我國污泥處理處置技術路線的選擇
2.1 土地填埋：因地制宜，西部優(yōu)先
污泥的土地衛(wèi)生填埋始于20世紀60年代，規(guī)范的污泥填埋處置一般要求其抗壓強度滿足50kN/m2以上，由于早期其他污泥處理處置技術的缺乏，以及尚未形成科學的污泥處理處置技術路線，國內污泥單獨填埋應用較多，但是效果并不理想，主要存在以下幾個問題：①占用大量的土地資源;②可能造成填埋體變形或滑坡;③沼氣/滲濾液收集管線易堵塞;④難以機械壓實;⑤伴有惡臭對周邊環(huán)境帶來影響等。基于我國東西部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展及土地利用現(xiàn)狀，有關管理部門提出“西部地區(qū)以填埋為主、東部地區(qū)以填埋為輔”的發(fā)展思路。
對我國東部地區(qū)而言，污泥土地填埋對土地的需求量與寸土寸金的土地稀缺資源形成矛盾，通過可行的政策制定和資金配套，東部地區(qū)應減少土地填埋所占污泥處理處置的比重。以美國為例，縱然其土地資源充足，但土地填埋依然僅占其污泥處理處置總量的17%，可見即便在土地條件允許的情況下，土地填埋已不再是污泥處理處置的首選。
對我國西部地區(qū)而言，由于經(jīng)濟能力相對較弱，應用焚燒等工藝的經(jīng)濟可行性較差，同時由于其土地條件相對較為充沛，因此土地填埋相對較為可行。但為了有效降低污泥土地填埋中容易發(fā)生的一些問題，應進一步通過超聲波、熱水解、電滲析和干化處理等手段滿足污泥固化和穩(wěn)定化的條件，在填埋施工中通過將生化污泥與礦化垃圾混合的方式解決污泥施工“壓實難”問題，并通過技術手段切實保障后期填埋場的穩(wěn)定化。
2.2 干化焚燒：嚴控煙氣，東部為主
污泥焚燒具有快捷、集中、占地小、污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化等特點。目前，污泥焚燒技術已得到了迅速發(fā)展，尤其在發(fā)達國家已成為主流污泥處置技術。在2016年以前，美國的污泥焚燒占所有污泥處置技術的比例約22%，日本約68%，歐盟國家約20%~40%，而中國的污泥焚燒比例僅為3%。造成上述現(xiàn)狀的原因是多方面的，一方面是有技術、經(jīng)濟、國情等的不同，另一方面也是由于人們對污泥焚燒會引發(fā)環(huán)境污染問題的擔憂，這些都是制約污泥焚燒技術在中國推廣的重要因素。
國家住建部在建設事業(yè)“十一五”規(guī)劃綱要中曾指出，“鼓勵東部地區(qū)、經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)選用先進的焚燒處理技術”，即基于東部地區(qū)土地資源緊張、經(jīng)濟發(fā)展水平相對較高的客觀情況所得出的結論。以上海為例，目前上海已建成三座污泥焚燒廠，未來上海污泥的處理處置趨勢仍然將以焚燒為主，預計焚燒將占比62%以上。但仍需要關注的是，污泥焚燒嚴格意義上并不屬于最終處置手段，在焚燒的過程中，除了要對煙氣加以嚴格控制外，還需要考慮到焚燒灰的最終出路問題。
2.3 資源利用：政策配套，注重管理
污泥的資源化利用是污泥處理處置技術發(fā)展的最終趨勢。污泥的資源化利用一般以建材利用和土地利用為主，在國外已有較多的成功案例。然而污泥的資源化利用除了需具備技術上的條件，更需要兼顧政策扶持和產(chǎn)品合理應用上的要求，可參考國外成功的實施案例，為我國污泥資源化利用提供借鑒。
2.3.1 污泥的建材利用
污泥的建材利用具有制磚、制水泥、制輕骨料以及制生化纖維板等形式，其中以制磚和制水泥較為普遍。但從經(jīng)濟和產(chǎn)品適用角度看，污泥制磚和制水泥是目前比較可行的建材利用方法。
污泥制磚可分別以干污泥或污泥焚燒灰為原料。以干污泥為原料制磚雖然能耗和經(jīng)濟成本較低，但干污泥的添加量與磚塊質量成負相關，從日本制磚經(jīng)驗看，干污泥在制磚原料中的比重一般控制在4%以內，否則，容易引起磚塊開裂并引起其抗壓強度的下降。因此，德國、日本的污泥制磚目前均以焚燒灰制磚為主，采用污泥焚燒灰制磚，在其添加量達到制磚原料總量的45%時，所生產(chǎn)出的磚塊依然具有理想的物化性能。
由于污泥的無機物質組成與水泥生產(chǎn)用的原料基本相似，因此將污泥脫水后可作為制造水泥的原料，不僅具有焚燒法的減容、減量化特征，而且還能為水泥窯爐提供熱值。如果不考慮脫水污泥的運輸成本，利用水泥窯協(xié)同處置脫水污泥具有較好的經(jīng)濟性、且節(jié)省了焚燒爐的購置成本，節(jié)約了新建污泥處理處置項目的建設費用和運行維護費用。由此可見，在尋求污泥建材利用的過程中，污泥與水泥行業(yè)的結合值得進一步探索研究。
參考國外的成功案例，日本是世界上對污泥建材利用最重視的國家之一，日本第一座“生態(tài)水泥廠”于2001年4月在千葉縣正式投產(chǎn)，以污水廠污泥、下水道淤泥和垃圾焚燒飛灰殘渣等作為原料，每年生產(chǎn)“生態(tài)水泥”的最大產(chǎn)能達到11萬t。至2006年又相繼建造了4座“生態(tài)水泥廠”，每年生產(chǎn)“生態(tài)水泥”的總產(chǎn)能達到75萬t。
值得關注的是，對于污泥建材利用，日本政府制訂了一系列配套的措施：在資金來源方面，由政府投資建廠或低息貸款等方式，降低企業(yè)在建設初期的投入成本;建材產(chǎn)品的出路方面，日本政府采用低價優(yōu)先采購的模式，確保及時消化產(chǎn)能，又能在經(jīng)濟上使廠家實現(xiàn)一定的盈利。同時，為了確保污泥制建材產(chǎn)品在應用渠道上的可控;鑒于污泥中磷含量較高會引起磚塊或水泥熔點降低的特點，其產(chǎn)品不得用做高層建筑材料;基于污泥中存在重金屬等有害成分的事實，德國等國家規(guī)定，不論所生產(chǎn)出的產(chǎn)品重金屬浸出效果如何，均不得用于與飲用水設施建設。
2.3.2 污泥的土地利用
污泥土地利用是將經(jīng)過穩(wěn)定化、無害化處理后的污泥(，通過深耕、播撒等方式施用于土壤中或土壤表面的一種污泥處置方式。由于污泥中的有機物、氮、磷等的含量比一般農(nóng)家肥高，堆肥后的污泥可作為土壤的改良劑。從現(xiàn)有的應用來看，污泥土地利用主要包括污泥農(nóng)用、園林綠化、林地利用、土壤修復及改良等。
然而，我國污泥的土地利用長期受到潛在的環(huán)境風險的制約，由于我國工業(yè)污水和市政污水混接現(xiàn)象普遍，污泥中存在的鹵代物、二噁英、有機污染物和重金屬等物質不可預計，合流制為主的排水體系也導致市政污水中混接入大量雨排水，污泥有機物含量相對國外較低，增加了安全風險，因此我國污泥的土地利用一直存在爭議。
事實上，國外污泥的土地利用已非常成熟，如葡萄牙污泥土地利用率為100%，挪威為72%，美國也大量將污泥堆肥后，作為有機肥利用于果林土壤，起到了良好的種植效果，其中，實現(xiàn)嚴格的工業(yè)污水和市政污水分流是實現(xiàn)土地利用的關鍵因素。
就我國而言，實現(xiàn)污泥的土地利用任重道遠。除排水體制上的重新規(guī)劃外，產(chǎn)業(yè)鏈的扶持上也有待進一步完善，如政府如何扶持相關企業(yè)保證相關項目的經(jīng)濟可行性，以及如何通過政府對污泥產(chǎn)品的宏觀調控，解決土地利用呈季節(jié)性需求特點和污泥持續(xù)產(chǎn)生之間的矛盾問題等。但有一個前提原則需要強調的是，污泥的土地利用必須經(jīng)過可靠的穩(wěn)定化和無害化處理，否則可能帶來的環(huán)境風險相對土地利用帶來的經(jīng)濟利益將得不償失。
2.3.3 污泥的其他資源化利用
除土地利用和建材利用外，污泥生物質能的利用也是近年來重點關注的方向之一，尤其以污泥的厭氧消化以資源化回收利用沼氣為代表。在厭氧消化的基礎上，進一步通過高級熱水解進一步提高產(chǎn)氣效率、進一步研發(fā)磷回收等研究也在不斷完善和應用，并逐步形成產(chǎn)業(yè)。但與土地利用和建材利用異曲同工的是，生物質能的利用同樣需要上升到政策扶持層面進行通盤的考慮，從產(chǎn)業(yè)角度而言，唯有讓運營單位或相關企業(yè)“得利”，才能充分發(fā)揮企業(yè)的積極性，從而正面推動污泥的無害化、穩(wěn)定化和資源化進程。
3 結論
污泥處理處置技術，無論是國內還是國外，總而言之均可總結為填埋、焚燒以及資源化利用三大類，然而在路線的選擇上，做到“因地制宜、因泥制宜”是最根本的指導思想。在國外實現(xiàn)雨污分流、工業(yè)市政分流的地區(qū)，污泥泥質較好、有害污染物含量可控，可優(yōu)先考慮污泥的土地利用;在產(chǎn)業(yè)鏈成熟、政府扶持力度和配套政策到位且規(guī)范標準齊全的國家(如日本)，可優(yōu)先考慮污泥的建材利用。就我國而言，現(xiàn)階段污泥的資源化利用，無論從技術上還是產(chǎn)業(yè)鏈的構建都仍處于摸索階段，焚燒和填埋仍將會在一定時間內成為我國污泥處理處置的主要渠道，其中“東部建議焚燒、西部建議填埋”相對較為符合國情，也比較具備可操作性。然而，伴隨著新技術的不斷研發(fā)和應用，以及產(chǎn)業(yè)配套政策的不斷成熟，在有條件的地區(qū)，仍應大膽嘗試對污泥的資源化利用，逐步摸索適合我國國情的污泥產(chǎn)業(yè)模式，形成產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展。
