《中國給水排水》雜志與中信環(huán)境聯(lián)合推出“Top Water Research”微信專欄，旨在傳遞國內(nèi)外水環(huán)境研究TOP文獻(xiàn)情報，進(jìn)一步推動學(xué)術(shù)交流合作。

專欄寄語：水是與人類活動關(guān)系最為密切的環(huán)境要素，水環(huán)境前沿科學(xué)研究也始終處于高度活躍的狀態(tài)。科學(xué)研究沒有終點(diǎn)，而發(fā)表、出版是研究社區(qū)、學(xué)術(shù)生態(tài)不可或缺的重要一環(huán)。作為專業(yè)水行業(yè)期刊，我們始終致力于期刊特色發(fā)展，希望為塑造生機(jī)勃勃的學(xué)術(shù)生態(tài)環(huán)境做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

本期將推出哈爾濱工業(yè)大學(xué)魏亮亮副教授團(tuán)隊的一篇最新綜述，內(nèi)容翔實(shí)，主要是基于大數(shù)據(jù)和溫室氣體排放分析，闡述我國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀以及展望未來發(fā)展趨勢，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。

該研究得到國家自然科學(xué)基金（No. 51878213）、黑龍江省自然科學(xué)基金（YQ2020E022）和城市水資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗室（No. 2020TS01）的資助。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”為題，發(fā)表在Environment International（SCI, IF=7.577, 1區(qū)TOP）https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412020320481?via%3Dihub

 

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。

本研究涉及到的數(shù)據(jù)部分來源于住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部官方的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取鏈接如下：http://www.mohurd.gov.cn/xytj/tjzljsxytjgb/jstjnj。關(guān)于污泥處理設(shè)施分布及處理能力的統(tǒng)計主要來自相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及整理。

 

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，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108.18×10⁸kg（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，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。

  

圖文導(dǎo)讀

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示1987年我國城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)生量為2.47×10⁵t（80%含水率；以下同），逐漸增至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。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3.86×10⁶t（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個省市合計占比為32.78%，其余15個省市僅占19.33%。

圖1  1978年—2019年中國污水處理廠數(shù)量、污水處理能力和污泥產(chǎn)量

統(tǒng)計結(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個省份的平均人均污泥產(chǎn)量（30.65 kg/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個省的平均污泥產(chǎn)量(7.36t)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南方16個省份（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省（不含北京）隨著城鎮(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。

圖2  2019年中國不同省份人均污泥產(chǎn)率和萬噸污水污泥產(chǎn)率分布圖

  

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，焚燒處置從2009年的6.2%上升到2019年的26.7%；而2009年時，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。

圖3  不同污泥處置技術(shù)在2009年—2019年間的變化情況

  

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。

圖4  2017年中國和歐洲國家污泥處置情況

  

通過對國內(nèi)200余個污泥處理項目建設(shè)及運(yùn)行資料的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)2009年—2019年在中國7個行政區(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%）。

圖5 六種典型污泥處理技術(shù)在中國不同區(qū)域的地理分布及處理能力概況

  

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386 t/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300 t/d，到2019年已提高至11250 t/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)（1430 t/d）和華北地區(qū)（862 t/d），與此同時，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200 t/d增加到4970 t/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�？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108.18×10⁸ kg（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)時全國總排放量的41.35%（17.99×10⁸ kg，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）。總體來說，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31.53×10⁸ kg。

圖6 2019年中國不同污泥處置技術(shù)GHG排放貢獻(xiàn)情況

  

當(dāng)前，我國7個行政區(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�府政策支持力度以及土地價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)。

圖7  2019年中國不同污泥處置技術(shù)路線選擇情況與區(qū)域人口密度、土地資源分布特征關(guān)系圖

  

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，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。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。

魏亮亮，哈爾濱工業(yè)大學(xué)副教授/博士生導(dǎo)師，主要研究方向為城鎮(zhèn)污泥處理處置及資源化、污水深度處理及再生利用、流域/區(qū)域水環(huán)境綜合治理及水質(zhì)提升等。在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表論文100余篇，其中SCI收錄論文61篇（Webof Science引用次數(shù)超1000次，H指數(shù)19）。目前擔(dān)任《Scientific Reports》期刊編委；《Environmental Research》《Frontiers in Chemistry》等期刊Guest Editor；《中國給水排水》第一屆青年編委主任委員，《Chinese Chemical Letters》《凈水技術(shù)》等期刊青年編委等。兼任中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會青年委員會秘書長；中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會水處理與回用專業(yè)委員會委員；中國管理科學(xué)學(xué)會環(huán)境管理專業(yè)委員會委員等。目前團(tuán)隊在讀博士研究生1名，碩士研究生6名。