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我國汙泥處理的發展及制約

发布时间:2019-12-25 9:17:01  中國汙水處理工程網

目前,我國汙泥年産量已突破6000萬噸(以含水率80%計),“十一五”和“十二五”期間,圍繞“穩定化、減量化、無害化、資源化”的基本原則,我國汙泥處理處置已取得了階段性進展和成果,實現了從無到有、從點到面的突破.但汙泥處理處置主流技術路線的全鏈條集成仍存在制約性問題.現介紹“厭氧消化/好氧發酵+土地利用”、“幹化焚燒+灰渣填埋或建材利用”作爲主流技術路線的發展現狀,分析總結其全鏈條推廣瓶頸,並展望汙泥處理處置技術領域的後續發展方向.

0引言
隨著我國城鎮化水平的不斷提高,汙水處理設施建設得到了高速發展。根據國家住房和城鄉建設部的統計:2017年,我國城市(包括縣城)汙水處理廠共有3781座,年處理汙水量537.5億m3,幹汙泥産量已高達1209.7萬t,折合含水率80%的脫水汙泥6048萬t。爲了解決我國汙泥安全處理處置問題,我國自“十一五”以來加大了科技投入,在一些關鍵技術上(如厭氧消化、好氧發酵、汙泥幹化、焚燒及二次汙染控制等)取得了一系列的突破。“十二五”期間,汙泥處理處置成爲節能減排工作的重點,汙泥處理處置及資源化技術和裝備得到了快速發展,符合我國國情的汙泥處理處置技術體系和政策標准體系初具雛形。經過實踐和反複論證,形成了汙泥穩定化處理與安全處置的幾條技術路線:“厭氧消化/好氧發酵+土地利用”、“幹化焚燒+灰渣填埋或建材利用”,以及階段性和應急技術路線“深度脫水+填埋”。可以說,“十一五”和“十二五”期間,我國汙泥處理處置實現了從無到有、從點到面的突破,爲技術體系的完善奠定了基礎。盡管取得了階段性進展和成果,但對照“水十條”及國家“十三五”對汙泥處理處置提出的要求,我國目前的汙泥安全處理處置仍任重而道遠。從“厭氧消化/好氧發酵+土地利用”、“幹化焚燒+灰渣填埋或建材利用”兩大主流技術路線應用和推廣的角度來看,我國所取得的進展和成果主要分散在無害化處理、資源化回收、能源化利用技術、設備和産品的單元節點或局部環節,主流技術路線的全鏈條應用和推廣、處理和處置的有效銜接等方面仍面臨一些問題。

1 “厌氧消化/好氧发酵+土地利用"技术路线
在汙泥最終去向上,國內專家意見趨向一致:穩定無害的汙泥宜回歸土地,充分利用有機質彌補我國土壤“營養”的嚴重缺失。總體來看,土地利用、焚燒後建材利用和填埋這三種汙泥處置方式中,土地利用的資源化意義最大,但綜合難度也最高。這個難度主要在于認知、政策和監管,其次是處理和處置銜接技術和標准方面的不足。
在土地利用之前,汙泥需要進行穩定化處理和處理産物的産品化。穩定化處理的主流技術是厭氧消化和好氧發酵。經過“十二五”的研發和實踐,我國在厭氧消化和好氧發酵方面形成了諸多適合國情和泥質的技術成果。針對傳統汙泥厭氧消化存在生物轉化難、消化效率低和運行效益差三大瓶頸問題,我國自主開發了漿化一水熱預處理、高含固厭氧消化和協同厭氧消化技術㈣,形成了適合我國汙泥泥質的高級(協同)厭氧消化技術體系,並在長沙、鎮江等地實現了集成和工程應用;針對傳統粗放型好氧發酵普遍存在的臭氣等工藝控制不到位的問題,以集約化、高效率、智能控制爲導向進行研發,形成了膜覆蓋、智能一體化、滾筒動態高溫好氧發酵技術和設備。
此外,好氧發酵、厭氧消化,以及穩定化産物的質量控制均形成了相應標准,包括:《城鎮汙水處理廠汙泥好氧發酵技術規程》(T/CECS536—2018)、《城鎮汙水處理廠汙泥厭氧消化技術規程》(T/CECS496--2017)和《城鎮汙水處理廠汙泥處理穩定標准》(CJ/T510—2017)。在穩定化工藝的設計、建設、運行管理、穩定化産物性狀控制等方面均有據可依。
在汙泥穩定化産物或産品的土地利用方面,根據利用方向和功能,汙泥處理産物或産品的土地利用通常用于農用、園林綠化、育苗基質和受損土壤修複。目前,業內對汙泥處理産物土地利用的處置方式認同度是比較高的。但是,汙泥處理産物土地利用是一個跨行業的行爲,在技術和管理上都存在瓶頸問題。我國近幾年取得了階段性突破,産生了部分成功案例,如高級厭氧消化沼渣經幹化後用于“移動森林”培育、好氧發酵産物制成多種園林綠化基質等,但在全國範圍內並未形成順暢的機制。在技術層面,有待突破基于土地利用需求的汙泥處理産物特性評價技術和汙泥穩定化産品再加工技術。以往對于汙泥處理環節的評價主要著眼于處理工藝本身,忽視了處理後産物的處置需求,從處置出發重新定義處理環節、評價處理産物,在穩定化處理與不同的土地利用處置方式之間架起橋梁,將成爲打通土地利用出路必不可少的一環,因此也是該領域後續研究的重要方向;汙泥經處理後進行土地利用,處理技術狹義上指汙泥的穩定化和無害化處理,其主要目的是解決汙泥中的汙染物問題,廣義上還應包括處理産物後續的再加工技術,其主要目的是使産品特性符土地利用市場化的要求。將汙泥處理和産物加工進行分類明確,基于土地利用的目的將汙泥處理産物進行再加工,生産土地利用系列産品,對土地利用的産業化和市場化尤爲重要,是形成跨行業解決途徑的重要環節。
在汙泥處置相關標准方面,已有標准《城鎮汙水處理廠汙泥處置園林綠化用泥質》(GB/T23486--2009)、《城鎮汙水處理廠汙泥處置農用泥質》(CJ/T309—2009)、《城鎮汙水處理廠汙泥處置林地用泥質》(CJ/T362—2011)和《城鎮汙水處理廠汙泥處置土地改良用泥質》(GB/T24600--2009)對重金屬等汙染物和養分限值進行了較爲詳細的規定,有助于汙泥産品規範化土地利用。《城鎮汙水處理廠汙泥處理處置及汙染防治技術政策(試行)》側重于汙泥土地利用途徑的環境汙染評價與防控;《城鎮汙水處理廠汙泥處理處置汙染防治最佳可行技術指南(試行)》對汙泥土地利用的主要汙染環節點和對應的控制措施做了較爲詳細的說明。《城鎮汙水處理廠汙泥處理技術規程(CJJ131—2009)》則指導了土地施用的前期調查、篩選和方案確定。以上技術政策和標准對土地利用的泥質要求、重點關注的環境風險、方案設計做出了操作層面的規定。從土地利用的視角縱觀上述標准,目前,在全鏈條推廣的技術支撐方面,主要不足在于穩定化産物産品化環節缺乏指導,現有的處理標准與處置泥質標准間還缺乏銜接和融合。
總體上,對于“厭氧消化/好氧發酵+土地利用”技術路線,“穩定化處理”已不再是該路線的技術短板,處理和處置的銜接技術和相關政策、標准仍是制約性因素。目前,較爲敏感的農用仍未“解禁”,但汙泥土地利用還有園林綠化、土壤修複改良等多種去向,需求量較大。隨著未來穩定化産物的産品化技術和相關標准的完善,支持性政策和管理辦法的出台,以及業內外對于汙泥産品土地利用認知的轉變,“厭氧消化/好氧發酵+土地利用”技術路線將有望打開局面,得到更大範圍地推廣。

2 “干化焚烧+灰渣填埋或建材利用"技术路线
相比土地利用,汙泥“幹化焚燒+灰渣填埋或建材利用”技術路線在應用推廣的難度上小一些。人口密集、汙泥産量集中而無害化處置壓力大、經濟發達、土地資源緊缺的沿海城市,往往傾向于選擇該技術路線。當汙泥泥質不佳或土地利用受限時,高有機質汙泥進行焚燒,一定程度上將汙泥中的有機質轉化爲能量進行了利用,焚燒後汙泥量顯著減小,降低了處置壓力。
从“十二五”的工程实践来看,污泥单独焚烧在技术上已比较成熟,国产化圆盘、桨叶等干燥设备和流化床焚烧炉的市场占有率显著提升,在干化焚烧工程的设计和运行方面也积累了一定经验。在标准方面,《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》(GB/T 24602--2009)规定了进行焚烧的污泥应满足的泥质要求;《城镇污水污泥流化床干化焚烧技术规程》(CECS 250:2008)着重规定了流化床干化和流化床焚烧在运行方面的要求;《城镇污水处理厂污泥焚烧处理工程技术规范)(JB/T11826--2014)对污泥焚烧在设计、施工和验收方面的核心性技术要求作出了规定。上述标准为技术应用提供了必要支撑。然而,总体上,“干化一焚烧一产物处置”在全链条上仍需要朝“绿色、低碳、循环”进一步靠拢,焚烧工艺设计、运行的合理性、二次污染控制机制和方法、整体集成化水平等还有待提升。
汙泥焚燒在美國、日本,以及歐洲地區等發達國家是比較成熟的熱化學處理技術。但我國泥質特征與發達國家差異較大,對汙泥焚燒的合理設計和穩定運行提出了更高的要求。主要體現在以下幾方面:第一,我國汙泥的揮發性固體比例普遍低于發達國家,在同樣的含水率水平下熱值也相對較低,因此,汙泥焚燒前的預處理和焚燒後的余熱利用工藝有別于大部分國外相關工藝,無法照搬國外的經驗;第二,我國汙水和汙泥處理領域的發展滯後于發達國家,目前正處于快速發展時期,由于規劃、提標改造、提質增效等因素,某個設計片區的汙泥量和泥質變化常常大于設計預期,顯著增大了合理設計和穩定運行的難度;第三,我國汙泥含砂量較高,對汙泥幹化、焚燒,以及相關附屬設備或原件的抗磨蝕性能提出了更高的要求,造成國外成熟設備在我國的適用性降低。“十二五”是我國對汙泥焚燒技術引進吸收的階段,近年來,各地的焚燒工程普遍在進行優化和改進。
此外,汙泥單獨焚燒存在投資運營要求高、尾氣處理、環評要求高等制約性因素。汙泥焚燒在上海、浙江、深圳等地有若幹項目,但一直爭議不斷,煙氣的二次汙染控制、高能耗、高碳排放是無法回的問題。選址困難是很多大都市建立汙泥焚燒設施的現實難題。焚燒是集中型的廢物處置,它事實上形成了以該點爲中心的一個有限區域內的汙染物集中排放,生活在該區域內的人們將不可避免地長期受到環境中汙染物濃度不斷提高的困擾,合格的煙氣處理是唯一保障。近幾年新建的汙泥焚燒項目,其設計時的煙氣排放標准均較高,部分指標嚴于歐盟標准,煙氣處理上也是“十八般武藝”上陣。一方面,這是對焚燒汙染控制愈加重視的結果;另一方面,也折射出汙染物産生機制和針對性控制方法尚不夠成熟。
相比其他穩定化和無害化處理技術,汙泥單獨焚燒還涉及到成本相對較高的問題。在當前這個“像對待生命一樣對待生態環境”、“實行最嚴格的生態環境保護制度”的時代,環保問題不能討價還價。但是,當前幹化焚燒工程的設計依據和運行數據不透明,報出的成本數據千差萬別,無形中幹擾了技術路線的選擇。幹化焚燒工程的設計原則、配置需求、投資和運行成本的合理性需要進一步解析和優化。
在焚燒灰渣的處置方面,不管是否適于建材利用,目前仍多采用填埋的方式。當前,很多城市填埋庫容告急,迫切需求替代性處置途徑。近年來,飛灰的資源化利用越來越受關注,主要方式包括:挖掘坑填充、土地改良、制磚、混凝土摻合料和瀝青添加劑等。事實上,焚燒灰渣建材利用基本不存在技術問題,尤其是焚燒灰渣制磚、制水泥等傳統建材化技術,缺的是以“資源化”爲導向的政策和可借鑒的産業模式。在這方面,各地進行汙泥焚燒飛灰資源化利用時,應首先結合資源化途徑對飛灰的環境安全性進行評估,並聯合當地的住建、交通等相關管理部門共同確定資源化處置方案。
已有的《城鎮汙水處理廠汙泥處置水泥熟料生産用泥質)(CJ/T314--2009)和《城鎮汙水處理廠汙泥處置制磚用泥質》(GB/T25031一2010)主要是針對濕汙泥和幹化汙泥直接進行協同處置的情況。其中,對于汙染物控制的規定,焚燒灰渣用于制水泥和制磚同樣需要滿足這些標准,但還缺少針對焚燒灰渣性質進行建材化工藝調控方面的內容。事實上,同“厭氧消化/好氧發酵+土地利用”技術路線在這方面的問題一樣,汙泥幹化焚燒處理和産物資源化處置在銜接方面也需要相關標准的支撐。
總體來說,隨著研究的深人和實踐經驗的總結,汙泥焚燒在設計、運行和調控方法上將逐漸優化,能耗水平將進一步降低,汙染機制和控制技術逐漸成熟,相關標准也會日趨完善,汙泥“幹化焚燒+灰渣填埋或建材利用”技術路線在我國沿海城市需求較高,目前正在進人長足發展時期。

3展望與結語
綜上所述,自“十二五”以來,我國在汙泥處理處置技術領域的實踐活動和進展具有幾個顯著特征:
(1)緊密圍繞我國國情。“我國國情”即與歐美等大部分發達國家相比,我國人口衆多、環境壓力突出、人均資源短缺、環境承載能力不足,這決定了適用于我國的汙泥處理處置技術需具備集約、高效和穩定的特征,一些地廣人稀的發達國家的成熟技術不一定適用于我國。
(2)緊密圍繞我國泥質特征。我國“泥質特征”即高含砂、低有機質、部分區域重金屬等汙染物濃度超標,這決定了發達國家的成熟技術和設備在我國應用必然存在許多問題:如工藝性能下降、設備壽命顯著降低、運行穩定性難以保障等;也決定了技術路線的選擇必須因地制宜、多樣並存。
(3)緊密結合未來發展趨勢。所謂“發展趨勢”,即認識到資源循環的大趨勢,以及我國泥質的變化趨勢,如管網完善有利于有機質比例升高,源頭控制有利于重金屬等汙染物濃度降低,將更有利于資源和能源回收利用。
但是,也必須意識到,我國汙泥處理處置技術路線在全鏈條集成推廣方面還存在制約性因素。其中,科技因素主要有兩點:
(1)主流技術路線在工程應用過程中集成化水平較低,缺乏包括物質流與能量流的優化分配、設備的銜接與選型匹配、流程控制與優化等集成研究。
(2)我國在汙泥處理處置領域存在重“處理”、輕“處置”的問題,汙泥穩定化處理與安全處置之間銜接不足,汙泥出路問題尚未解決,産業鏈不通暢。
因此,基于我國城市汙泥處理處置的現有基礎,對照我國汙泥處理處置的目標和任務,迫切需要針對主流處理技術與資源化處置路線的應用現狀和全鏈條銜接集成瓶頸開展研究,以推動我國汙泥處理處置技術、裝備和産業的全鏈條能力提升。
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