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中国城镇污泥处理处置技术的发展现状与趋势——基于大数据和温室气体排放的分析

北极星水处理网  来源:中国给水排水  作者:魏亮亮  2020/10/28 9:27:01  我要投稿  

北极星水处理网讯:本期将推出哈尔滨工业大学魏亮亮副教授团队的一篇最新综述,内容翔实,主要是基于大数据和温室气体排放分析,阐述我国城镇污泥处理处置技术的发展、现状以及展望未来发展趋势,相关研究成果的获得有助于深刻认识我国城镇污泥处理处置技术应用与发展的潜在规律,为未来我国城镇污泥处理处置技术优选提供技术支撑;此外,相关研究结果可为全球范围相关发展中国家污泥的可持续处置提供借鉴。

该研究得到国家自然科学基金(No. 51878213)、黑龙江省自然科学基金(YQ2020E022)和城市水资源与环境国家重点实验室(No. 2020TS01)的资助。研究成果以“Development, current state and future trends of sludge management in China: Based on exploratory data and CO2-equivaient emissions analysis”为题,发表在Environment International(SCI, IF=7.577, 1区top)

研究背景

随着我国城镇污水收集系统日趋完善和污水处理设施的不断建设运行,市政污泥产量急剧增加。在过去的几十年里,我国政府在污水处理方面实施了严格有效的管理,并取得了较为显著的成就;在污水处理过程中,部分污水中的污染物转化进入城镇污泥,由于我国城镇污泥产生量大、历史欠账多,城镇污泥的高效处理处置仍被认为是提高污水处理效率的一个重要突破点。

当前,土地利用、焚烧、卫生填埋和建材利用是我国应用最广泛的污泥处理处置技术路线,但我国幅员辽阔,不同地区污泥处理处置技术的应用差异较大,对不同地区污泥处理处置技术的适用性及潜在规律进行研究,对优化我国污泥处理处置意义重大,并可为不同类型的发展中国家污泥处理处置提供经验借鉴。此外,污泥处理处置过程中会产生大量的温室气体(GHG),该过程严重受污泥处理处置工艺选择的影响,因此适当工艺技术的选择在一定程度上可以实现污泥处理处置过程中GHG排放的有效控制。我们广泛收集了1978年以来,特别是2009年—2019年间我国污泥处理处置的基础数据,从我国不同地区污泥处理处置技术的分布特征入手,对不同区域不同历史阶段污泥产量、技术选择的差异等历史数据展开分析,重点分析了好氧堆肥、厌氧污泥消化、焚烧、深度脱水、干燥和热水解处理技术的时空分布;最后通过比较污泥处理处置过程中温室气体排放的区域贡献,并评估了污泥处理处置方式的改变对GHG排放潜在的影响。相关研究成果的获得有助于深刻认识我国城镇污泥处理处置技术应用与发展的潜在规律,为未来我国城镇污泥处理处置技术优选提供技术支撑;此外,相关研究结果可为全球范围相关发展中国家污泥的可持续处置提供借鉴。

本研究涉及到的数据部分来源于住房和城乡建设部官方的统计数据,数据获取链接如下:http://www.mohurd.gov.cn/xytj/tjzljsxytjgb/jstjnj。关于污泥处理设施分布及处理能力的统计主要来自相关数据的统计及整理。

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中文摘要

本研究基于我国污泥处理处置的历史数据,从污泥来源、处理处置技术路线选择、不同技术的时空分布特征等方面对1978年以来我国污泥处理处置的潜在规律进行了系统研究。截至2019年底,全国共建成运行城镇污水处理厂5476座,年污泥产量达3904万t(含水率按80%计,以下同)。上述污泥中的29.3%通过土地利用得以最终处置,其次为焚烧(26.7%)和卫生填埋(20.1%)。在污泥处理技术方面,污泥焚烧、好氧堆肥、热水解和厌氧消化是我国当前污泥处理的主流技术,2019年上述工艺对应的污泥处理能力分别为27122、11250、8342和6944t/d。在地域分布上,污泥焚烧和干化是华东地区应用最为广泛的污泥处理技术;东北地区、华东地区和华中地区则为污泥好氧堆肥技术;此外,厌氧消化设施在华东、华北和华中地区亦广泛建设。在过去的30年间,污泥处理能力得到大幅提升,与此同时由于污泥处置带来的温室气体排放总量也急剧攀升,在2019年达到108.18×108kg(二氧化碳排放当量),各处理技术的贡献率呈以下趋势:污泥焚烧(45.11%)>卫生填埋(23.04%)>土地利用(17.64%)>制造建筑材料(14.21%)。在此基础上,针对当前我国污泥处置过程中CO2排放当量高、处理技术区域发展不平衡、稳定性差和污泥土地利用处置水平低等实际问题,对我国污泥处置面临的挑战进行了剖析,对未来污泥处置进行了展望。最后,结合我国不同区域污泥处理处置历史经验,以及欧美各国污泥处理处置特征,对发展中国家的污泥处理处置提出了建议。

图文导读

统计数据显示1987年我国城镇污泥产生量为2.47×105t(80%含水率;以下同),逐渐增至2020年的2.13×106t、2005年的2.96×106t、2009年的1.92×107t、2015年的2.73×107t,至2019年增至3.90×107t。总体上,2005年—2010年间我国城镇污泥产生量呈爆发式增长,年均增长率为44.9%(2010年—2019年期间则为7.3%)。在2019年,山东省城镇污泥产生量最高,达到3.86×106t(占全国污泥总量9.86%),浙江次之(占9.19%),再次为广东(9.08%)、江苏(8.43%)、河南(6.11%)和河北(5.22%)。相应的,北京、四川、辽宁、陕西、上海、湖北、安徽、湖南、山西、重庆等10个省市合计占比为32.78%,其余15个省市仅占19.33%。

统计结果显示,我国人均污泥产量和万吨污水产生量区域差异明显,如2019年我国人均污泥产生量为28.05kg/a,其中北京、天津和浙江人均数据最高,污泥产生量分别为81.9、70.4和62.5 kg/a。总体而言,中国北方15个省份的平均人均污泥产量(30.65kg/a)比南方省份(25.84kg/a)高18.6%。与之类似的是,2019年中国每万吨污水处理污泥产量为5.94t,其中北方地区15个省的平均污泥产量(7.36t)远远高于南方16个省份(5.07t)。

Pearson相关性的分析结果显示,我国不同区域人均国内生产总值(GDP)与人均污泥产量具有明显的相关性,说明经济发展和污水设施投资对我国污泥产量的影响更为显著。对于城镇化水平而言,北方14省(不含北京)随着城镇化率增加,万吨污水污泥产率呈下降趋势;南方15省则呈相反趋势。

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目前,污泥处置的主要技术路线有卫生填埋、焚烧、建材生产、土地利用等,在2019年,我国市政污泥中约29.3%通过土地利用进行处置,其次是焚烧(26.7%)和卫生填埋(20.1%),而建筑材料利用(15.9%)和其他方式(8.0%)贡献较小。图2显示,土地利用是我国污泥处置的主要技术路线,但是其比例从2009年的60.9%逐年下降到2019年的29.3%。与此同时,焚烧处置从2009年的6.2%上升到2019年的26.7%;而2009年时,卫生填埋仅占污泥处置总量的3.71%,2019年这一数字上升到了20.1%。从这些结果我们可以清楚看出,近些年来中国污泥的处置策略发生了较大的变化,逐渐从无序堆放向土地利用、焚烧逐渐转变,并趋于多元化,这表明中国政府在污泥的安全和标准化处置方面取得了巨大的进步。

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土地利用(直接利用或堆肥后)和焚烧是欧洲污泥处置的两种主要工艺。德国、英国、西班牙、法国和波兰是欧洲污泥产量最多的5个国家,其产生的污泥量干重分别为915万t(2015年)、880万t(2009年)、605万t(2009年)、585万t(2017年)和295万t(2017年)。由此可见,中国的污泥产生量明显高于欧洲国家,2017年中国的污泥产生量为3250万t,分别比同期的德国和法国高出2.63倍和4.57倍。

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通过对国内200余个污泥处理项目建设及运行资料的统计分析,发现2009年—2019年在中国7个行政区内6种典型污泥处理技术(厌氧消化、好氧堆肥、焚烧、干燥、深度脱水、热水解)的污泥处理能力呈现快速增长。其中,污泥好氧堆肥工程在2011年—2015年期间建设效果最为突出,污泥厌氧消化工程在2014年—2019年期间处理能力提升最为迅速,污泥焚烧处理工程在2017年—2019年间提升迅速,相对应的污泥深度脱水和热水解工程处理能力在2013年—2016年间迅速提升。由数据分析可以看出,焚烧和好氧污泥堆肥是我国应用最广泛的污泥处理技术,至2019年综合处理能力分别达到27122t/d和11250t/d(含水率80%)。

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图4 六种典型污泥处理技术在中国不同区域的地理分布及处理能力概况

对于污泥厌氧消化,2000年在中国建成设施的总处理能力为386t/d,到2019年增长至6944t/d。具体来说,我国厌氧污泥消化设备分布较为广泛,其中华东和华北地区消化处理能力分别占全国的27.1%和18.7%。

污泥堆肥作为最广泛的污泥处理技术路线之一,在过去10年呈现出爆炸式增长。2009年建成的污泥堆肥厂处理能力约为300t/d,到2019年已提高至11250t/d。目前,污泥堆肥工艺在我国东北地区广泛建设运行(2019年污泥处理能力达5202 t/d),占全国堆肥污泥总量的46.5%;其次是华东地区(2510t/d)、华中地区(1430t/d)和华北地区(862 t/d),与此同时,西北、华南和西南地区的处理能力较低。

至2019年底,污泥焚烧技术在我国的综合处理能力达到27122t/d,在六种典型污泥处理技术中处理能力最高。其中华东地区的焚烧污泥总量占全国总量的70.3%,其次是华北地区(7.5%)、西南地区(6.8%)和华南地区(5.9%),而东北、西北和中部地区污泥进行焚烧处理的比例较低。污泥干燥厂的地理分布与焚烧厂相似,2012年污泥干燥处理能力为350t/d,2019年升至4615t/d,年均增长44.5%。该项技术的区域处理能力呈以下趋势:华东地区(45.9%)>华南地区(23.5%)>华中地区(13.0%)>华北(9.5%)>西北地区(8.0%)。

同样地,污泥深度脱水和热水解技术近年来在中国也得到了快速的应用。2010年—2015年,大量污泥深度脱水装置被建成(处理能力由200t/d增加到4970t/d),年均增长率为70.8%。截至2019年底,我国污泥深度脱水工程处理能力约为6410t/d,其中,华东地区对污泥深度脱水的贡献率达到36.8%,其次是华南地区(34.8%)和华中地区(20.3%)。

污泥热水解工程处理能力从2014年的2122t/d增加到2019年底的8342t/d。总体而言,华北地区是污泥热水解厂建设的重点地区(贡献高达73.46%),其次是华东地区(13.6%)、华中地区(7.6%)和华南地区(5.4%)。

经计算,2009年我国污泥焚烧、建筑材料利用、卫生填埋和土地利用温室气体排放量(108kg,二氧化碳当量)分别为5.17、1.63、34.33和2.39。其中,卫生填埋和焚烧分别贡献了78.88%和11.88%。到2019年我国因污泥处理处置产生的温室气体排放总量增加了2.49倍,达到108.18×108kg(二氧化碳当量)。六种典型处置技术路线贡献率呈以下趋势:污泥焚烧(45.11%)>卫生填埋(23.04%>污泥土地利用(17.64%)>建材利用(14.21%),其中污泥焚烧和卫生填埋排放的GHG分别为48.80×108和24.93 ×108kg。在2009年—2019年间,华东地区始终为我国污泥处置中温室气体排放最多的地区,2009年占当时全国总排放量的41.35%(17.99×108kg,二氧化碳当量),2019年则贡献了44.83%(48.50×108kg,二氧化碳当量)。总体来说,中国由污泥处置引起的人均GHG排放量远低于日本和大多数欧洲国家,例如,2017年华东地区GHG排放量为10.74kg/人,远低于日本(24.89kg/人,二氧化碳当量)和荷兰(44.12kg/人,二氧化碳当量)。然而由于人口密度高,中国的温室气体排放总量不可忽视。2017年,华东地区的CO2排放总当量为43.74×108kg,远高于德国的31.76×108kg(欧洲最高)以及日本的31.53×108kg。

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当前,我国7个行政区污泥处理技术路线差异显著,且不同技术分布极不均衡,主要特征及影响因素可总结如下:

(1)地区经济水平、城镇化率、当地政府政策支持力度以及土地价格会影响污泥处理处置技术路线的选择。例如焚烧和干燥技术虽然投资大且能耗高,但其工程占地面积小,在我国东部和华北地区的应用较为广泛;而东北和华中地区则以好氧堆肥技术作为主要的污泥处理工艺。

(2)我国污泥设备的处理能力在2009年—2019年显著提高,具体地,污泥堆肥处理能力在2011年—2015年间大幅提升,厌氧消化则在2014年—2019年期间,焚烧处理为2017年—2019年期间,相对应的污泥深度脱水和热水解在2013年—2016年间飞速发展。

(3)污泥焚烧是我国城镇污泥处置过程中GHG排放的最主要贡献者,占到全国污泥处置GHG总排放量的45.1%,该现象在华东地区尤甚。

(4)我国污泥经厌氧消化/好氧堆肥处理后,进行土地利用的比例约为26.5%,这一数据仍低于欧盟的50.0%。

(5)华东、华北地区不同工艺路线及其预处理之间建立了紧密的联系,如热水解与厌氧消化技术,污泥干化与污泥焚烧技术。

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当前,我国污泥处理处置面临的主要挑战如下:

(1)应高度重视中国污泥处理处置的区域不平衡,需要重点关注我国西北和西南地区的污泥处理处置。

(2)应重点关注污泥中高值物质的回用和资源化,建议对污泥能源转化率/资源化率应提出强制性标准;并提出污泥处理处置过程中温室气体排放应对措施。

(3)污泥的土地利用比率在中国仍处于较低水平。

(4)缺乏污泥处置的强制性标准。

(5)污泥厂的建设资金仍然较低,2011年—2015年我国污泥处理投资仅占处理投资的7.58%,远低于发达国家的30%~50%。

基于我国污泥处理处置经验,对其他发展中国家的污泥进行可持续管理的建议:

(1)首先需评估相关的污泥处理处置技术在发展中国家的经济适用性,并进行必要的温室气体排放情况核算。在工程建设过程中高度重视污泥减量、土地需求和能源需求情况。

(2)对于经济增长迅速、人口众多、土地资源稀缺的地区,大力推荐我国华东地区污泥处理处置模式。相反,对于经济条件差、城市化率低的地区,应大力支持污泥的资源化利用。

(3)发展中国家的污泥处置可以学习中国过去40年间污泥从无序堆弃到策略性处置转变的成功经验。另外,发展中国家在制定污泥处理处置相关法律法规时不应忽视健康问题、经济条件、土壤特性、技术能力等,以建立可持续的污泥处理处置体系。


原标题:TOP006|哈尔滨工业大学魏亮亮:中国城镇污泥处理处置技术的发展现状与趋势——基于大数据和温室气体排放的分析

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