京津冀工農(nóng)城固廢跨產(chǎn)業(yè)跨區(qū)域協(xié)同利用解決方案研究

陳宋璇,王 云,呂 東,胡芝娟,梁金生

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.天津水泥工業(yè)設計研究院,天津 300400;3.河北工業(yè)大學能源與環(huán)保材料研究所,天津 300130;4.生態(tài)環(huán)境與信息特種功能材料教育部重點實驗室(河北工業(yè)大學),天津 300400)

1 研究背景

京津冀地區(qū)位于華北平原北部,是中國的“首都經(jīng)濟圈”,面積占全國2.3%,總人口占全國8.1%,地區(qū)生產(chǎn)總值約占全國十分之一[1]。 固體廢物產(chǎn)排與居民生活息息相關,統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示2018年京津冀年產(chǎn)固體廢物約5 億t,約占全國20%(圖1)[2],固體廢物處置是京津冀協(xié)同發(fā)展中應首要解決的大問題,也是面臨環(huán)保的難題。

為實現(xiàn)固體廢物減量化、資源化、無害化的處置目標,國際上發(fā)達國家和地區(qū)開展過大量研究工作,美國、日本、歐洲在20 世紀就開始了固體廢物處理行業(yè)的法律制度建設,固體廢物的管理和處置技術也同步發(fā)展[3-5]。 我國固體廢物研究起步較晚,與美、日、歐等發(fā)達國家和地區(qū)相比,固體廢物處理整體管理水平不高[6],固廢資源化基礎理論和標準化體系滯后[7]。 現(xiàn)有京津冀工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市固體廢物產(chǎn)量大、種類多、組分復雜、堆存量大、協(xié)同處置水平低。 借鑒國際先進技術和理念,打破行業(yè)、區(qū)域壁壘實現(xiàn)協(xié)同處置,在更大程度上實現(xiàn)能源化、資源化、無廢化,一直是我國固廢領域科研人員不斷追尋的目標。

固廢處置經(jīng)歷近幾年發(fā)展,固廢資源屬性挖掘正在加速,區(qū)域協(xié)調(diào)、行業(yè)互補等方面的固廢綜合利用已成為研究熱點。 從京津冀地區(qū)產(chǎn)業(yè)結構和固廢處置領域分布來看,北京將主要以技術化和高資本化方向為主,高度分類的生活垃圾將成為另一種城市資源類型;天津以工業(yè)化為主,兼有交通和技術發(fā)展優(yōu)勢,在固廢資源化探索的示范項目建設方面可走在前列;而河北則以資源型和勞動密集型產(chǎn)業(yè)為主,固廢資源化利用技術的市場廣闊。 因此,京津冀地區(qū)固廢處理領域在資金、技術、資源、勞動力、市場等方面具有良好的互補性,利用區(qū)域與行業(yè)互補性進一步提高京津冀地區(qū)固廢資源化利用率是未來發(fā)展方向。

2019年,科學技術部會同有關部門、地方及相關行業(yè)組織制定了國家重點研發(fā)計劃“固廢資源化”重點專項實施方案。 該重點專項面向生態(tài)文明建設與保障資源安全供給的國家重大戰(zhàn)略需求,以“減量化、資源化、無害化”為原則,圍繞“源頭減量-智能分類-高效轉化-清潔利用-精深加工-精準管控”全技術鏈,研究適應我國固廢特征的循環(huán)利用和污染協(xié)同控制理論體系,攻克整裝成套的固廢資源化利用技術,形成固廢問題系統(tǒng)性綜合解決方案與推廣模式,建立系列集成示范基地,全面引領提升我國固廢資源化科技支撐與保障能力,促進壯大資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)規(guī)模,為大幅度提高我國資源利用效率,支撐生態(tài)文明建設提供科技保障。 在京津冀一體化的時代背景下,京津冀工農(nóng)城固廢跨產(chǎn)業(yè)跨區(qū)域處理需求巨大,依托典型城市開展集成示范,形成京津冀多源固廢協(xié)同利用機制與綜合解決方案已成為社會共識。

2 京津冀固廢綜合處置現(xiàn)狀及問題分析

2.1 固廢信息統(tǒng)計口徑不一

目前,京津冀地區(qū)還未形成有機整體,各地區(qū)的產(chǎn)業(yè)布局、目標方向等均有較大差別,每年發(fā)布的污染物防治年報也不盡相同,在社會宏觀層面暫未達到統(tǒng)一的統(tǒng)計口徑。 尤其是河北地區(qū),涉及區(qū)域廣,固廢統(tǒng)計以工業(yè)固廢為主,個別工業(yè)為主的城市地區(qū)具有全面的工業(yè)固廢統(tǒng)計信息,而生活垃圾、農(nóng)業(yè)秸稈等難以有效統(tǒng)計,僅可依據(jù)人口、耕地面積等信息進行估算。

參考京津冀地區(qū)每年發(fā)布的固體廢物污染環(huán)境防治信息的公告,以2019年為例[8],北京將固體廢物分為工業(yè)固體廢物、工業(yè)危險廢物、醫(yī)療廢物、生活垃圾焚燒飛灰、城市生活垃圾和廢棄電器電子產(chǎn)品6 大類;天津則將固體廢物分為工業(yè)固體廢物(包括一般工業(yè)固廢和工業(yè)危險廢物兩類)、醫(yī)療廢物、進口廢物、生活垃圾、污水處理廠污泥、廢棄電器電子產(chǎn)品6 大類[9];河北省最近僅發(fā)布了2017年大中城市固體廢物污染防治公告信息,只包含了石家莊、秦皇島和廊坊三個城市公布的固廢信息,將固廢主要劃分為工業(yè)固體廢物、工業(yè)危險廢物、醫(yī)療廢物和城市生活垃圾4 類[10]。

城市建設過程中產(chǎn)生的大量建筑垃圾、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)秸稈、污水處理過程產(chǎn)出的污泥等均是廣受社會關注的焦點。 現(xiàn)有固廢信息的統(tǒng)計在京津冀地區(qū)并未形成基本共識,統(tǒng)計信息種類差別顯著,河北省仍未形成統(tǒng)一的固廢上報制度,因固廢信息上報遵循自愿原則,難以保證每年固廢信息準確統(tǒng)計發(fā)布。

綜上所述,目前京津冀地區(qū)固廢信息統(tǒng)計口徑不一,導致整體固廢統(tǒng)計信息呈現(xiàn)零散狀態(tài)。 究其原因是京津冀地區(qū)還沒有形成統(tǒng)一的固廢統(tǒng)計標準,大量固廢信息未能進入大眾視野,為京津冀地區(qū)后續(xù)開展涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市的固廢協(xié)同處置帶來了困難。

2.2 資源綜合利用率不高

固廢資源化利用最理想的處置方式是充分發(fā)揮固體廢物的資源屬性,減少生產(chǎn)過程中其他自然資源的消耗。

2013—2017年京津冀地區(qū)固廢產(chǎn)量不斷提高,2015年印發(fā)了《京津冀及周邊地區(qū)工業(yè)資源綜合利用產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展行動計劃(2015—2017年)》[11]?！缎袆佑媱潯返膶嵤┦巩斈旯虖U資源化利用率短期快速提升至50%以上,但行動計劃實施的后續(xù)兩年難以繼續(xù)提升,固廢資源化利用面臨困境,逐漸成為各行業(yè)關注的焦點。 在此背景下,工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部(環(huán)境保護部)及多家高校、科研院所、重點企業(yè)等于2017年、2018年、2019年連續(xù)三年在京召開京津冀及周邊地區(qū)固廢綜合利用研討會[12-14],期望通過各行各業(yè)的交流和努力,解決目前京津冀固廢綜合利用面臨的難題。2013—2017年京津冀地區(qū)固廢處理利用情況見圖2[15]。

圖2 2013—2017年京津冀地區(qū)固廢處理利用情況

盡管近年京津冀固廢資源化利用技術水平有一定提升,但總體研發(fā)水平依然不高,很多企業(yè)綜合利用技術設備老舊落后,填埋處置方式仍占據(jù)固廢處置較大比例,企業(yè)在固廢處置上主要以短期經(jīng)濟效益為主,資源化利用率相對較低,大多數(shù)企業(yè)依然缺乏固體廢物綜合利用的壓力和動力,針對固廢綜合處置的強制性要求及獎懲措施不足。

2.3 固廢種類多協(xié)同處理不足

京津冀工、農(nóng)、城、危等固廢所包含種類超過100 種,組分復雜,河北、天津以鐵尾礦、鋼渣等工業(yè)固廢產(chǎn)量位居第一,北京市則以建筑垃圾、生活垃圾等城市固廢為主,京津冀地區(qū)各地固廢結構及人均量差異大、不均衡。 2017年我國人均固廢產(chǎn)量見圖3[15],京津冀固廢組成結構見圖4[15]。

圖3 2017年我國人均固廢產(chǎn)量[15]

圖4 京津冀固廢組成結構

京津冀工業(yè)設施完善,鋼鐵冶金、水泥熟料產(chǎn)能規(guī)模大,分別占我國總體的26.4%[16]、6.81%[17],為京津冀地區(qū)固體廢物的跨產(chǎn)業(yè)、跨區(qū)域協(xié)同處置創(chuàng)造了良好條件。 京津冀現(xiàn)有水泥產(chǎn)能保有量1.04 億t[17],北京2019年垃圾焚燒飛灰產(chǎn)量為11.22 萬t[8],按當前技術協(xié)同處置率(水泥熟料生產(chǎn)能力5%比例限值計算[18])可完全消納,京津冀區(qū)域飛灰消納潛力巨大。 同時,京津冀鋼鐵、水泥產(chǎn)能對該地區(qū)的市政污泥、工業(yè)危廢等也有極強的消納能力,但是三地之間的協(xié)同處置率低,比如2017年北京危廢轉出量僅占總量的15%(圖5)[19]。 因此,京津冀地區(qū)整體協(xié)同處置潛力巨大,有待依靠行之有效的政策環(huán)境,充分挖掘鋼鐵、水泥等產(chǎn)能對京津冀地區(qū)污泥、危廢和飛灰等固體廢物的協(xié)同消納能力。

圖5 京津冀固廢協(xié)同處置能力圖

3 京津冀工農(nóng)城固廢協(xié)同利用的解決方案

京津冀地區(qū)涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市的固廢種類繁多,但整體可劃分為有機固廢和無機固廢,且由于危險固廢潛在危害大,一般需單獨處理,因此京津冀工、農(nóng)、城固廢一般可分為有機、無機和危廢三大類。有機固廢蘊含有化學熱,能源化利用潛力顯著,可以通過熱解制氣和協(xié)同焚燒方式實現(xiàn)能源化利用;無機固廢中主體成分與建材主體原料組成相近,可充分利用其組分特點的互補性,大量代替現(xiàn)有的建材原料,以建材化作為其大量消納的有效途徑;危險固廢組分復雜,一般依據(jù)其特性,關注其中有害組分的轉變和遷移,可在無害化基礎上充分發(fā)揮能源化和建材化的潛力。

固廢處置橫跨生態(tài)環(huán)境和產(chǎn)業(yè)升級兩個重點領域,解決的核心問題是利用天津、河北的產(chǎn)業(yè)/資源鏈條,通過技術創(chuàng)新,有序疏解北京非首都功能,構建京津冀固廢協(xié)同利用的產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系。 針對京津冀固廢資源現(xiàn)有狀態(tài),可形成京津冀固廢處置難題的整體方案思路:針對京津冀工農(nóng)城固廢跨產(chǎn)業(yè)跨區(qū)域處理與利用需求,厘清區(qū)域內(nèi)位居前列的鐵尾礦、鋼渣、生活垃圾、建筑垃圾、秸稈、市政污泥、飛灰、醫(yī)療危廢等典型固廢產(chǎn)排特征及區(qū)域協(xié)同處置能力;基于產(chǎn)排時空數(shù)據(jù),將性質(zhì)相近、資源互補的固廢進行歸集匹配,通過關鍵技術創(chuàng)新,以耦合建材化提高無機固廢的資源化利用率,以熱解、焚燒能源化技術提高有機固廢的結構搭配,以工業(yè)設施的大比例消納解決水泥窯、冶金爐協(xié)同固廢率低的問題;采用超低排放技術,保障固廢處置過程清潔化,滿足固廢協(xié)同化→能源化→資源化→建材化→產(chǎn)品化的多級價值鏈發(fā)展:最后通過京津冀地區(qū)天津、雄安、承德、保定等典型城市的示范工程和商業(yè)模式創(chuàng)新,實現(xiàn)京津冀固廢跨產(chǎn)業(yè)、跨區(qū)域協(xié)同利用。 京津冀固廢協(xié)同處置解決方案如圖6所示。

圖6 京津冀固廢協(xié)同處置解決方案

3.1 建立固廢產(chǎn)排特征、協(xié)同處置與綜合利用數(shù)據(jù)庫

京津冀固廢污染源數(shù)量大、范圍廣,存在固廢產(chǎn)、運、儲、消等數(shù)據(jù)采集全面性不足的問題,建立產(chǎn)排和處置能力實時動態(tài)、準確的大數(shù)據(jù)庫,是開展京津冀固廢跨產(chǎn)業(yè)跨區(qū)域協(xié)同處置的首要任務。 利用全國固體廢物信息管理系統(tǒng),結合高分遙感、物流追蹤等現(xiàn)代化信息技術手段,建立數(shù)據(jù)分析預測模型和實時監(jiān)管平臺,全面、有效掌握京津冀固廢的產(chǎn)排、現(xiàn)有處置能力和協(xié)同處置潛力。

首先,應建立起京津冀地區(qū)部分典型固廢信息數(shù)據(jù)庫,包括工業(yè)固廢中的鐵尾礦、鋼渣等,農(nóng)業(yè)固廢中的秸稈,城市固廢中的生活垃圾、市政污泥、建筑垃圾、餐廚垃圾、糞便等,危險廢物中的焚燒飛灰、醫(yī)療危廢等。 以上幾類固廢具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計相對容易、排放量較大、社會關注度較高等特征,是初步數(shù)據(jù)庫框架建立的最佳選擇,其他種類固廢數(shù)據(jù)信息在此數(shù)據(jù)庫基礎上繼續(xù)完善,最終將建立起較為完整統(tǒng)一的京津冀地區(qū)數(shù)據(jù)庫,便于相關領域對京津冀地區(qū)固廢信息的充分利用。 典型固廢信息較為完善,每年京津冀地區(qū)政府將不定期發(fā)布相關統(tǒng)計信息,歷史信息收集也較為簡單,各地環(huán)保部門也應當成為該數(shù)據(jù)庫的參與者和使用者,利于京津冀地區(qū)統(tǒng)一型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立。

分析歷年固廢信息在時間軸、區(qū)域面上的變化規(guī)律,便于對未來固廢產(chǎn)消情況的分析預測,對于指導行業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整、區(qū)域資源調(diào)配、行業(yè)協(xié)同協(xié)作等方面均有積極作用。

3.2 固廢協(xié)同處置關鍵技術研發(fā)

有機固廢能源化、無機固廢建材化具有固廢處理潛力大的特點,其協(xié)同處置關鍵技術是限制京津冀地區(qū)固廢大比例消減的核心環(huán)節(jié)。 熱解制氣和焚燒發(fā)電是有機固廢能源化利用的重要途徑,可以實現(xiàn)大量有機固廢的處置利用,并能實現(xiàn)能源回收利用。 無機固廢主體成分與建材行業(yè)所需原料組成基本一致,基于多種無機固廢的成分特性進行協(xié)同處置,可在建材行業(yè)大量使用,替代大量自然資源。 危險廢物受到嚴格管控,但總量較少,冶金/建材行業(yè)爐窯對其有較強的協(xié)同處置能力,協(xié)同處置潛力較大。

熱解制氣技術具有產(chǎn)物利用率高、二次污染小等優(yōu)點,日本和北美曾以木屑、稻殼、麥秸等單一農(nóng)林固廢進行熱解氣化研究,爐內(nèi)物料受熱不均勻、合成氣除焦油困難和催化產(chǎn)氫效率低是該技術的難題。 開展有機原料分級分質(zhì)與均質(zhì)化、蓄熱式熱解氣化成套裝置研制、產(chǎn)氣調(diào)質(zhì)及控制催化劑材料研發(fā)等方面研究工作,有助于解決目前熱解制氣技術瓶頸問題。

垃圾焚燒發(fā)電作為另一種能源化利用的方式,目前已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)鏈,我國生活垃圾焚燒爐單一摻燒市政污泥、生物質(zhì)等方面研究已較為充分;同時摻燒多種來源的有機固廢尚未受到重視;在多種來源有機固廢協(xié)同處置過程中,可能存在局部結焦、燃盡率下降、灰量增大等問題。 此外,二次污染物排放問題也是垃圾焚燒技術面臨的另一項難題,現(xiàn)有多種污染物多段聯(lián)合凈化工藝已逐漸成為行業(yè)趨勢。

目前無機固廢建材化的消納方式仍然存在固廢摻量少、產(chǎn)品性能低、附加值不高、性價矛盾突出等問題,基于多源固廢詳盡的信息基礎,對建筑垃圾、鋼渣、鐵尾礦等進行產(chǎn)品導向的多種類固廢協(xié)同處置設計,利于實現(xiàn)建材產(chǎn)品的多樣化和高附加值,對于多種類無機固廢的大量處置具有積極作用。

危險廢物種類繁多,但總量小,其處置利用多采用分流處理的方式。 高溫熔融技術可以實現(xiàn)危廢的徹底無害化,利用冶金、建材行業(yè)產(chǎn)量大的特點,協(xié)同處置鐵質(zhì)包裝物、有機油泥、焚燒飛灰等特定危險廢物。 基本原理及部分案例顯示出該技術協(xié)同處置危險廢物的良好可行性,但仍然需要經(jīng)過長期的實踐驗證,在提高協(xié)同處置能力方面繼續(xù)加強研究工作。

3.3 產(chǎn)業(yè)示范、協(xié)同處置機制和商業(yè)模式推廣

固廢處置本身經(jīng)濟效益較差,缺少利益驅動,前期研究及應用推廣方面的自發(fā)性發(fā)展難度大,有必要在國家政府及社會推動下,助力示范工程建設,倡導協(xié)同處置機制,鼓勵商業(yè)化運行模式推廣。 以國家政府作為第一推動力,形成技術研究和應用推廣體系,產(chǎn)生一定經(jīng)濟效益,最終驅動該行業(yè)的自發(fā)持續(xù)運轉,最終則可返回促使相關技術的升級進步,形成一種良性循環(huán)。

產(chǎn)業(yè)示范可以以天津、雄安、承德、保定等京津冀地區(qū)典型城市為依托點,充分利用典型城市固廢協(xié)同處置需求較大、處置條件良好等優(yōu)勢。 天津城市較發(fā)達、工業(yè)基礎好、人口多、城市垃圾存量大、固廢信息統(tǒng)計齊全、固廢處理需求大,適合在此處建立生活垃圾熱解氣化產(chǎn)業(yè)示范,其熱解產(chǎn)品有望返回城市使用。 雄安作為未來生態(tài)城市建設的模板,在城市建設及運行過程中必然產(chǎn)生大量固體廢物,具有較強固廢消納能力才符合未來生態(tài)城市的標準,在雄安建立垃圾焚燒煙氣凈化示范線,能夠形成更高的煙氣凈化標準,可為以后更加嚴格的環(huán)境排放要求做試點。 鋼鐵作為承德地區(qū)的主要產(chǎn)業(yè)之一,工業(yè)固廢產(chǎn)出量大,但同時也具極強的危廢協(xié)同處置能力,冶金爐窯協(xié)同處置固廢的產(chǎn)業(yè)示范工程建設條件良好。 保定地區(qū)有大量的建材生產(chǎn)企業(yè),且地理位置便利,可輻射范圍大,產(chǎn)品市場廣闊,在該地建設無機固廢建材化示范工程具有良好的地利條件和市場優(yōu)勢。

京津冀地區(qū)典型城市示范線的建立,可在京津冀地區(qū)形成初步的固廢處置動態(tài)關系網(wǎng)絡,立足于京津冀一體化,打破行政區(qū)劃壁壘,統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一布局,可逐漸形成跨區(qū)域跨產(chǎn)業(yè)的協(xié)同處置機制。依托國家政府支持,通過固廢處置行業(yè)經(jīng)濟利益再分配,可形成一套自發(fā)運轉的商業(yè)化運行模式,并逐漸在京津冀地區(qū)乃至全國得到推廣。

4 結論

通過對京津冀地區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市等固廢特點及處理現(xiàn)狀進行分析,京津冀地區(qū)固廢領域存在固廢統(tǒng)計信息零散、資源利用率低、種類多且協(xié)同不足等問題,這些問題阻礙了京津冀一體化的推進。 針對現(xiàn)存問題,本文提出了固廢跨產(chǎn)業(yè)跨區(qū)域協(xié)同利用的整體思路和解決方案,分析研究認為,應以京津冀地區(qū)固廢數(shù)據(jù)庫建立為基礎,加大對熱解制氣、垃圾焚燒煙氣超低排放、高附加值建材產(chǎn)品、冶金/建材行業(yè)協(xié)同處置等方面的研發(fā),依托天津、雄安、承德、保定等典型城市建立固廢協(xié)同處置示范線,形成固廢協(xié)同處置集成示范基地,制定跨產(chǎn)業(yè)跨區(qū)域固廢協(xié)同處置機制,優(yōu)化經(jīng)濟運行指標參數(shù),倡導商業(yè)運行模式,解決京津冀固廢協(xié)同處置難題。