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城镇污水厂污泥处置路线与GI模式探讨

时间:2020-08-12 10:25

来源:给水排水

作者:王 涛

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摘要:解决污泥问题,“处置决定处理”,那么适合中国国情的污泥处置路在何方?《GB/T23484-2009城镇污水处理厂污泥处置 分类》中明确给出四类共11条处置路线,通过对这些路线进行技术特点、应用情况对比和对应泥质标准分析,给出了适用处置路线选择顺序:农用、园林绿化、土壤改良、垃圾混烧、制水泥;并给出当上述五种情况均不满足时的解决方案——GI土地利用模式。最后建议工程技术人员在对待污泥处置问题应秉持的四个原则:(1)守法原则(2)可持续原则(3)影响最小原则(4)尽可能原位处置原则。

0.前言

“十二五”期间,全国规划建设城镇污泥处理处置规模518万吨/年,污泥处理处置设施投资额将达347亿元;到2015年,直辖市、省会城市和计划单列市的污泥无害化处理处置率应达到80%。(引自:《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》)

相对于规划目标的具体详实,技术路线却仍无定论。解决污泥问题,“处置决定处理”是业内共识。国家相关部门数年前就先后颁布了《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行)》、《HJ-BAT-002城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南(试行)》、《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南(试行)》,对于污泥处置给出了推荐路线,但在实际工作中似乎每一条处置路线又都“行不通”:

填埋——占地,无法持续?!

土地利用——面临重金属等物质污染土壤环境的风险?!

焚烧——面临尾气尤其是二噁英、重金属等物质污染大气环境的风险?!

建材利用——市场承载力不足,处理过程面临与焚烧类似问题?!

反观发达国家所走的污泥处置道路也各式各样,没有哪条处置路线可以彻底解决二次污染和持续性问题,似乎在寻找污泥处置技术路线的道路上陷入了走不出的“死循环”。那么,适合中国国情的污泥处置“路在何方”?

1.污泥处置政策标准分析

2009-2011年在住建部主导下,编制出台了一批城镇污水处理厂污泥处理处置标准,其中《GB/T23484-2009城镇污水处理厂污泥处置 分类》中明确给出四类共11条处置路线,与这些处置路线对应出台(延用)了一系列泥质标准,如下表所示。

2.城镇污水厂污泥处置技术

2.1 土地利用

根据《GB/T23484-2009城镇污水处理厂污泥处置 分类》规定,污泥土地利用是将污泥作为肥料或土壤改良材料,用于园林、绿化或农业等场合的处置方式。这里将污泥土地利用分为三个类型:

(1)园林绿化,城镇绿地系统或郊区林地建造和养护的基质材料或肥料原料;对应泥质标准GB/T 23486-2009、CJ/T362-2011。该处理路线完整、通畅,但现实工作中最大问题是各部门间利益与责任的再分配。

(2)土壤改良,盐碱地、沙化地和废弃矿场的土壤改良材料;对应泥质标准GB/T 24600-2009。该处理路线完整、通畅,但现实工作中最大问题是盐碱地、沙化地和废弃矿场资源分布不均,以及改造资金无法落实。

(3)农用,农用肥料或农田土壤改良材料。对应泥质标准GB 4284-1984、 CJ/T309-2009。

在污泥土地利用方式中,对农用的争议最大。行业内普遍将此类情况的发生归结于排水管理部门“行为责任”与农业管理部门“状态责任”之间的推诿。

农业部作为农业最高主管部门,多次在部门规章中对“污泥农用”加以规范。2006年颁布的《农产品产地安全管理办法》(中华人民共和国农业部第71号令,简称71号令)第二十一条规定:“任何单位和个人提供或者使用农业用水和用作肥料的城镇垃圾、污泥等固体废物,应当经过无害化处理并符合国家有关标准”;2011年发布的《农业部关于加快推进农业清洁生产的意见》(农科教发[2011]11号文件,简称11号文)规定:“严禁直接把城镇垃圾、污泥直接用作肥料”;2013年发布的《近期土壤环境保护和综合治理工作安排》(国办发[2013]7号文件,简称7号文)规定:“禁止在农业生产中使用含重金属、难降解有机污染物的污水以及未经检验和安全处理的污水处理厂污泥、清淤底泥、尾矿等。”对于“污泥农用”71号令应理解为经处理并符合标准,11号文应理解为严禁不经处理,7号文应理解为禁止未经检验处理,三个文件没有矛盾,且有关污泥农用的核心内容集中指向两个问题:处理和检验,这两个问题又有一个关键的联系——标准:处理目标就是检验标准。目前可以指导污泥农用的标准共两个:

(1)GB 4284-1984。早在1985年发布了由农牧渔业部环境保护科研监测所、北京农业大学负责起草的《GB 4284-1984农用污泥中污染物控制标准》,尽管起草年代久远,但从国家标准化委员会网站查询该标准复审确认日期:2004年10月14日;标准状态: 现行。

(2)CJ/T309-2009。2011年住房和城乡建设部发布了《CJ/T309-2009 城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》。

以重金属为例,将上述两个标准对比可见:Cd、Hg、Pb、Cr、As、Ni等6项指标,行标严于国标;Cu、Zn、B等3项指标国标严于行标。主要原因在于我国土壤重金属污染形势发生变化,对于非植物生长必要元素需加强控制;而Cu、Zn、B为植物生长必要元素,且我国土壤缺乏现象明显,因此适当放宽指标要求符合实际情况。

注:微量元素是经过大量的科学试验与研究,已经证实具有一定生物学意义的,植物正常生长发育不可缺少的的微量化学营养元素,植物必须的微量元素共有7种: Fe、Cu、Zn、Mn、Mo、Cl、B,其中污泥中常见微量元素占作物体干重的百分数大致是:锌 0.01%、硼 0.005%、铜 0.001%。

将上述指标与《GB15618-2008土壤环境质量标准(征求意见稿)》中第二级标准值进行分析比较,标准值的制定是匹配合理的,因此结合土壤本底值测定与环境容量评估后,符合上述标准的污泥进行土地利用(包括农用)是有依据的且安全、可行的。在对北京、上海、天津、沈阳、郑州、唐山等25座城市90座污水处理厂污泥重金属成分汇总表可以看出,平均值基本符合A级农用污泥指标,全部符合B级农用污泥指标,体现了良好的土地利用前景。但毕竟重金属等污染物质没有消除,对于进入环境后迁移规律缺乏数据支撑,公众和农业主管部门对于污泥农用的担心并未消减。

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2.2填埋

根据《GB/T23484-2009城镇污水处理厂污泥处置 分类》规定,污泥填埋指采用过程措施将处理后的污泥集中堆、填、埋于场地内的安全处置方式。这里将污泥填埋分为两个类型:

(1)在专门填埋污泥的填埋场进行填埋处置,即单独填埋;尚无对应泥质标准,在国内仅上海等地进行过实验性应用,目前看在中国单独填埋不具备应用推广条件。

注:过去若干年,一些地方因没有处理处置系统,将污水厂脱水污泥利用废弃地暂存、弃置的方式并不是单独填埋,其中的污泥理化性质基本不发生变化,谓之为“存量污泥”,待时机成熟仍需进行无害化、减量化、稳定化处理,且存放过程中存在安全隐患。

(2)在城市生活垃圾填埋场进行混合填埋(含填埋场覆盖材料利用);对应泥质标准GB/T 23485-2009。污泥能否进行混合填埋处置取决于两个因素:

(1)污泥本身的性质,主要是土力学性质。根据《GB/T23485-2009城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋用泥质》:污泥与垃圾混合填埋时,要求污泥含水率<60%且混合比例≤8%;污泥作为覆盖土利用时,要求含水率<45%且横向剪切强度>25 k N/m2。

(2)填埋后对环境产生的影响。污泥无论是与垃圾混合填埋,还是作为覆盖土利用包括8项重金属指标在内的污染物指标应符合《GB/T23485-2009城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋用泥质》表2限值要求。

随着可利用土地和填埋场资源日益枯竭,混合填埋技术也仅可作为过渡时期的一种无奈选择。

2.3建材利用

根据《GB/T23484-2009城镇污水处理厂污泥处置 分类》规定,污泥建筑材料利用指将污泥作为制作建筑材料部分原料的处置方式。这里将污泥建材利用分为两个类型:

(1)制水泥的部分原料或添加料;对应泥质标准CJ/T314-2009。

(2)制砖的部分原料;对应泥质标准GB/T 25031-2010。

(3)制轻质骨料(陶粒等)的部分原料;尚无对应泥质标准。

对比《CJ/T314-2009城镇污水处理厂污泥处置 水泥熟料生产用泥质》与《GB/T 25031-2010城镇污水处理厂污泥处置 制砖泥质》,后者在污染物限制方面总汞和总铅的要求上更加严格,并且增加了矿物油、挥发酚、总氢化物等指标;这主要是因为相对于水泥窑,制砖工艺封闭性较差,更易造成对大气环境的二次污染。

此外,砖及轻质骨料生产企业相对规模较小,承担二次污染控制系统建造运行费用将极大影响企业的市场竞争力。水泥生产企业相对规模较大,在尾气处理系统完善的基础上,将污泥进行水泥窑协同焚烧处理是一种有效的方法,但水泥窑资源分布不均以及雾霾治理力度的不断加大限制了该处置路线的应用前景。

2.4焚烧

根据《GB/T23484-2009城镇污水处理厂污泥处置 分类》规定,污泥焚烧指利用焚烧炉将污泥完全矿化为少量灰烬的处理处置方式。这里将污泥焚烧分为三个类型:

(1)专门污泥焚烧炉焚烧;对应泥质标准GB/T 24602-2009。

污泥单独焚烧经济性取决于自身热值,有机固体的干基热值Q与焚烧存在以下关系:

Q<3340kJ/kg,可燃烧但需辅助燃料;

3340 kJ/kg≤Q<4180 kJ/kg,可燃烧但废热利用价值不大;

Q ≥4180 kJ/kg,焚烧供热、发电均可行。

中国大中型城市的城市污泥干基热值5844~19303kJ/kg(均值11850kJ/kg)。按照最高干基热值19303kJ/kg计算,折合含水率80%的收到基高位热值为3860kJ/kg,低位热值660kJ/kg;折合含水率60%的收到基高位热值为7721kJ/kg,低位热值5321kJ/kg。按照均值干基热值11850kJ/kg计算,折合含水率60%的收到基高位热值为4740kJ/kg,低位热值2340kJ/kg。由此可见,污泥焚烧热值利用经济价值较低;理想状态下,干基热值高于16450kJ/kg,并已干化至含水率60%以下的污泥在热值条件角度是符合焚烧处置要求的,在我国极少有污水厂脱水污泥符合此条件。

(2)与生活垃圾一同焚烧;尚无对应泥质标准,污染控制一般采用《GB18485-2001生活垃圾焚烧污染控制标准》,但对于焚烧炉大气污染物排放限制仅规定了Hg、Cd、Pb,显然与污泥泥质要求未完全匹配;这一问题在2014年5月16日发布的新版本GB18485-2014中得以完善(现有系统2016年1月1日起实施,新建系统2014年7月1日起实施),并且新版标准明确了“生活污水处理设施产生的污泥”等“专用焚烧炉的污染物控制参照本标准执行”。随着公众对废弃物焚烧行为关注的加深,焚烧标准要求的提升(注:详见下表)是政府对社会诉求的积极回应,也是企业社会责任的体现,但不可避免带来了处理成本的大幅上升,使得相对最不具经济性的污泥焚烧处置路线的前景,更趋暗淡。

(3)在工业焚烧炉或火力发电厂焚烧炉中作燃料利用;尚无对应泥质标准。特别需要注意的是:目前我国污泥焚烧应用最多的恰恰是没有相关标准支撑的火力发电厂掺烧,环评按照垃圾焚烧炉烟气标准进行,还能享受国家相关垃圾发电补贴政策优惠,这近似于将一座普通电厂直接转化为垃圾焚烧厂;但从下表不难发现污染物排放成倍增加,垃圾焚烧厂与普通电厂选址存在本质差异,周围环境将面临巨大风险,随着垃圾焚烧新版标准的实施和其它相关法规政策的陆续出台,这条路终将走到尽头。

表2.3 GB13223-2011、GB/T 24602-2009、GB18485-2001与GB18485-2014

有关焚烧炉排放烟气中主要污染物限值对比

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3.城镇污水厂污泥处置方式选择

在上述四类11条处置路线中,单独填埋、制轻质骨料、燃料利用(电厂等混烧)等三条路线尚无专门对应泥质标准,客观存在政策风险,应被认为技术上在中国大范围使用存在障碍或缺乏条件。在实际应用中制砖、单独焚烧两条路线也由于经济性和环保等原因已基本不采用,混合填埋(含覆盖土利用)随着垃圾填埋场资源的逐渐枯竭而频临淘汰,剩余五条路线:园林绿化、土壤改良、农用、制水泥、垃圾混烧,根据环保要求的高低应采用的选择顺序如下:

(1)当泥质满足GB 4284-1984、CJ/T309-2009各项指标要求,并且拥有足够消纳用农田时,优先采用污泥农用处置方式。

(2)当泥质不满足上述条件(1)但满足GB/T 23486-2009、CJ/T362-2011各项指标要求,并且拥有足够消纳用绿地(或林地)时,采用污泥园林绿化处置方式。

(3)当泥质不满足上述条件(1)、(2)但满足GB/T 24600-2009各项指标要求,并且拥有足够消纳用盐碱地、沙化地和废弃矿场等待修复土地时,采用污泥土壤改良处置方式。

(4)当泥质不满足上述条件(1)、(2)、(3),或者满足GB/T 24600-2009各项指标要求但未拥有足够消纳用待修复土地而拥有垃圾焚烧厂时,同时混烧能够满足GB18485-2014各项指标要求时,采用与垃圾混烧处置方式。

(5)当泥质不满足上述条件(1)、(2),同时也不拥有足够消纳用待修复土地和垃圾焚烧厂而拥有水泥窑资源时,采用水泥窑协同处置方式;因为水泥窑资源极其有限,很多中心城市将其作为危废、应急固废处置资源加以保留,因此很难作为大规模污泥处置的长期手段。

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图3.1 现行标准体系下污泥处置方式选择流程

从上图不难发现,处置方式体系尚存在缺陷:当上述五种情况均不满足时,污泥去那儿?

4.GI模式

4.1 GI的概念及来源

GI是绿色基础设施(green infrastructure)的缩写,最早由美国自然保护基金(Conservation Fund)和美国农业部(USDA)森林服务部门提出的,旨在促使GI成为区域和城市规划的组成部分,以有效保护当地的自然生态系统。近些年,GI在发达国家被广泛地应用于生物多样性保护、区域和城市规划当中,其涵义也因用途不同而异,例如加拿大的GI概念是指基础设施工程的生态化,主要是以生态化手段来改造或代替道路工程、排水、能源、洪涝灾害治理以及废物处理系统等问题。

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4.2 GI组成与建立、运行

GI理念为污泥处置提供了一个新思路。通过区域功能规划,将污泥处理处置限定在一个有限的区域范围内,建立一个处于直接种植管理和实时环境监控状态下的土地利用处置体系,该体系理论上可以接纳任何泥质的污泥并能够稳定经济运行,应至少包括四个部分:

(1)污泥处理厂(TS)

污泥处理厂(TS)是GI的枢纽,承担着对污泥进行无害化、稳定化处理的功能,一般应包括好氧发酵系统和石灰干化(应急)系统,有时也可包括厌氧消化处理系统。与污水处理厂的对应关系可以是一对一(分散处理),也可以是一对多(集中处理),好氧发酵所需的原料来源于土地利用管理区,发酵产物根据检测指标去往土地利用管理区、土地利用监测区、稳定化填埋场。

(2)土地利用管理区(LM)

土地利用管理区(LM)是GI的重要基础,区域范围可以涵盖污泥处理厂和稳定化填埋场,可以选择城镇周边盐渍化土地、沙荒地、贫瘠土地,面积应与污泥处理厂发酵产物消纳相匹配。管理区与污泥处理厂统一管理,采用农场化经营;种植作物种类应充分考虑好氧发酵原料用量;管理区与污泥处理厂异地时,应充分考虑运距。

土地利用管理区种植区域均应预留比对区域,并建立植物与土壤动态监测管理制度,定期对环境影响进行专业评估。

(3)稳定化填埋场(LF)

稳定化填埋场(LF)是GI的必要应急设施,主要接纳严重超标污泥发酵产物,可以是土地利用管理区的一部分。与传统垃圾填埋场不同,填埋前需进行充分稳定化工作,填埋过程伴随植物修复同步进行,不产生沼气和渗沥液。

(4)土地利用监测区(LB)

土地利用监测区(LB)是土地利用管理区的延伸,但不属于统一管辖范围,对于优于土地利用标准并且符合相关肥料标准的污泥发酵产物,可以在土地利用监测区施用,监测管理方法可参考土地利用管理区。

土地利用管理区(LM)作为基础,是GI推广应用的关键。建立和运行土地利用管理区应包括四个步骤:

(1)划定管理规划区

通过功能区规划,将适宜区域作为LM纳入土地规划,除盐碱地、沙化地和废弃矿场等待修复土地外,有可能纳入部分农田,需说明的是农田仍保留原有功能不变。

(2)土地风险评估

对LM进行土地风险评估,确定环境容量和重点监测目标,计算环境容量时应考虑污泥中有机质及营养成分在土壤修复中的作用(如下图所示)。针对泥质预测如评估无法通过,调整管理区范围或选址。

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(3)按计划开展种植和污泥消纳活动

按照计划开展土地整理、作物种植,同时消纳污泥发酵产物并提供污泥发酵所需添加的辅料,整个过程采用农场化经营。

(4)日常监测

根据计划开展对土壤、地下水定期监测,如遇监测数据异常,应及时调整污泥发酵产物施用量或种植结构。

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4.3 GI的优势与特点

GI模式形成了完整的产业链,打通制约污泥土地利用原料和成品出路问题瓶颈。通过土地利用管理区类农场化经营和种植作物的选配(如种植桉树、杨树、棉花、玉米等,搭配超富积性植物),有效控制重金属等残留污染物影响,实现污泥的安全化资源综合利用。此外,相对于传统项目征地建设方式,GI模式灵活且易于操作:

(1)区内土地承包权未发生变化,通过土地流转或租赁的方式将土地纳入管理区统一管理,土地承包者仍享受流转收益或租金,由于节省了运输成本和消纳费用,此部分收益将高于未被纳入管理区的土地。通俗讲:原本租地的农户仍收租金,只是比原来要多一些。

(2)区内种植业户仍在原有土地上开展种植活动,并在政府统一指导下安排种植结构,政府采购将优先安排对管理区内产品进行集中采购,与未被纳入管理区相比,保障了稳定的收益,有效防范了经营风险。通俗讲:原本种地的农户仍然种地,只是不再承担经营风险

(3)政府通过全过程、全成本核算,将节省下的运输成本和消纳费用合理补贴到上述过程中,在没有新增投入的情况下,顺利解决了污泥处置问题。

(4)政府通过对管理区内土壤、地下水、作物的定期跟踪监测,将是污泥土地利用的环境风险纳入严格有效的控制之中。

5.结语

尽管现阶段我国污泥处置面临着技术、政策支撑条件不足的现状,但作为工程技术人员按照客观、科学的精神仍应秉持如下原则:

(1)守法原则

必须尊重现行法律、法规和标准要求,严格对照这些要求以指导我们的行为;政策、标准若出现模糊不清的情况,应依据国家标准、行业标准、政策文件的顺序采纳,政策文件应遵循技术政策、技术指南的顺序采纳。

(2)可持续原则

处置过程应为可持续循环过程,并且循环周期应在可接受范围之内。

(3)影响最小原则

作为污染治理消纳工程,影响最小原则包含两方面含义:一是达标污染物排放范围最小,对人体影响最小;二是如监测污染物超标排放,所造成的影响最小,且具备补救手段。

(4)尽可能原位处置原则

污染物处置区域与产生、处理的区域应尽可能一致,防止在迁移过程中发生的二次污染。

GI模式完整地诠释了上述“四项原则”,为污泥处置提供了一条新思路。随着观念创新与基础研究工作的不断深入,相信我国污泥处理处置行业一定能够走出一条适合中国特点的“治泥之路”。

参考文献

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[6]王涛.基于GI理念的城镇污泥土地利用解决方案[J].中国环保产业,2013,(8),61-64.

原标题:城镇污水厂污泥处置路线与GI模式探讨

编辑:赵凡

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