我國典型城市污泥產(chǎn)生量處理處置現(xiàn)狀及經(jīng)濟學(xué)趨勢分析

劉鑫 惠秀娟* 唐鳳德

（1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽 110036；2.遼寧大學(xué)商學(xué)院，遼寧沈陽 110036）

1 引言

在我國“重水輕泥”現(xiàn)象普遍，污水處理技術(shù)已接近成熟，然而對污泥處置利用方法的研究卻進展緩慢，與處理污水的技術(shù)發(fā)展相比差距很大。為改善河流、湖泊、海洋的水質(zhì)以及生態(tài)環(huán)境，對污水排放的監(jiān)測力度加大，全國污水處理廠數(shù)量不斷增多。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2017年我國城市污水處理廠數(shù)量達到2 209座，比2016年增加8.34%。隨著污水處理廠數(shù)量的增加，作為治理污水副產(chǎn)物的污泥也在持續(xù)增多。2018年全國產(chǎn)生干泥量達到561萬t，與2017年相比增加12.61%。污泥來源和成分較復(fù)雜，含有許多重金屬、寄生蟲卵和其他污染物，若未經(jīng)處理直接排放到大自然，將會造成土壤、河流等的嚴重污染［1］，污泥的資源化處理勢在必行。

第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2014年年末，我國荒漠化面積2.6億hm2，其中沙化面積1.7億hm2。2009—2014年這5年間荒漠化土地面積凈減少121.2萬hm2，土地沙化的面積減少99萬hm2［2］。雖然從2004年開始我國沙化土地面積的增加趨勢得到一定的遏制，但總體上仍在增加，荒漠治理依然嚴峻。根據(jù)我國國情，與填埋、焚燒等對環(huán)境污染嚴重的處置方式相比，城市污泥制造肥料將會有更大的發(fā)展前景［3］。因此，將城市污泥堆肥后用于治理沙化土地是很好的策略。

2 污泥定義及處理處置方法

2.1 污泥的定義

污泥是指城市污水處理廠中初次沉淀池、二次沉淀池、生物濾池等截留下來的半固態(tài)或固態(tài)物質(zhì)。由于城市污水處理廠處理的污水包括生活污水和成分復(fù)雜、性質(zhì)多樣的工業(yè)廢水，故污泥不僅包含充足的水分、N、P、K等營養(yǎng)元素以及有機成分，還有各種對人類和環(huán)境危害比較大的病原體、寄生蟲卵以及重金屬等。其中的N，P，K等植物生長所必須的元素和有機化合物是污泥農(nóng)業(yè)利用的價值所在；而重金屬元素是污泥農(nóng)業(yè)利用乃至整個資源利用途徑最重要的制約因素。目前我國對污泥中重金屬的處理辦法僅局限于如何將其去除掉，而歐盟各發(fā)達國家已經(jīng)把重金屬視為一種可回收資源。例如，低濃度的Zn2+，Ni2+，Cr6+能顯著推動植物的生長［4］。由于污泥中的許多重金屬是不可再生資源，污泥中重金屬的提取技術(shù)應(yīng)該引起我國污泥處理處置行業(yè)的重視。綜合歐盟各國家的發(fā)展狀況及污泥處理處置方法可以看出，污泥的資源化利用（把有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為對人類有益的物質(zhì)加以利用）是未來發(fā)展的方向。

2.2 污泥處理處置方法

污泥處理處置方式包含填埋、焚燒、土地利用、建筑材料利用以及一些新技術(shù)（提取蛋白質(zhì)、低溫?zé)峤庵朴偷龋?/p>

填埋是對環(huán)境污染最嚴重的處置方法，不符合無害化的處理原則。2007年10月1日，建設(shè)部實行的CJ/T 249—2007《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 混合填埋泥質(zhì)》指出含水率小于60%的污泥才可以填埋，而通過脫水后污泥的含水率均大于70%，不滿足填埋條件。焚燒法也是對環(huán)境危害較大的一種處置方式，要求污泥的含水率非常低以達到燃點，但此種方式產(chǎn)生的“二英”對空氣質(zhì)量影響非常大［5］。提取蛋白質(zhì)等新技術(shù)由于巨大的投資費用和技術(shù)的不成熟在短期內(nèi)無法實現(xiàn)大面積推廣。Les?aw Swierczek等［6］在分析城鎮(zhèn)污水污泥在建筑工業(yè)的潛力中，介紹了目前城鎮(zhèn)污泥用于制造建筑材料的現(xiàn)狀以及用無灰污泥生產(chǎn)建筑材料的新方法，然而用城鎮(zhèn)污水污泥制造的水泥和混凝土耐久性差且目前還沒有解決此問題的最好辦法，所以污泥應(yīng)用于建筑行業(yè)的技術(shù)還有待研究，離廣泛推廣還有很長的路要走。蔡家璇等［7］在城市污泥蛋白質(zhì)資源化的研究進展中分析了提取城市污泥中蛋白質(zhì)并用于動物飼料添加劑或肥料的技術(shù)，其中雖然污泥水解技術(shù)已經(jīng)基本發(fā)展成熟，但蛋白質(zhì)的提取效率卻是阻礙該項技術(shù)的一個重大因素，因此該技術(shù)仍需更深入的研究。王磊等［8］對城市污泥治理我國北部沙地的可行性進行了分析，污泥的沙地利用無論是在理論上還是經(jīng)濟和技術(shù)上都是可行的。李焱等［9］利用北京市某污水處理廠的污泥，按照城市污泥在沙土中0，3%，5%，10%和20%的比例種植油菜，實驗數(shù)據(jù)證明，將3%的城市污泥添加在沙質(zhì)土壤中不僅有助于油菜的生長，且對沙質(zhì)土壤的改良效果顯著。因此污泥就地處理后農(nóng)用、污泥堆肥后還田以及對荒漠化治理（土地利用）是目前比較理想的對環(huán)境污染較小的污泥處置方式，且我國對污泥沙地利用越來越重視，“十三五”規(guī)劃和2016年5月發(fā)布的“土十條”中都明確指出污泥土地利用的重要性，強烈建議土地利用和防治荒漠化的發(fā)展方向。污泥農(nóng)業(yè)利用相關(guān)標準也正在趨于完整，GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標準》于2019年6月1日實行，污泥農(nóng)用將開啟新的篇章。

3 我國污泥產(chǎn)量現(xiàn)狀及趨勢預(yù)測

3.1 “環(huán)境高山”

“環(huán)境高山”是陸鐘武院士提出的資源消耗或廢物排出量與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系。準確地說，它描述了發(fā)達國家隨人均GDP變化的環(huán)境負荷曲線［10］。

資源消耗與經(jīng)濟發(fā)展狀況的關(guān)系見圖1。

“環(huán)境高山”的理論依據(jù)是由德國著名的Ehrlich教授等提出的IPAT方程［11］，即：

I=P×A×T式中，I為環(huán)境負荷；P為人口；A為人均GDP；T為單位GDP環(huán)境負荷。其中，環(huán)境負荷可以是消耗的資源或產(chǎn)生的廢物，本文以城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)生量為例，則IPAT方程可以表示為：

陸鐘武院士在IPAT方程的基礎(chǔ)上進行演變，提出了IGP方程，本文用污泥產(chǎn)生量和經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系表示，即：

污泥年產(chǎn)生量（I）=GDP×單位GDP的污泥年產(chǎn)生量（P）

基準年的污泥年產(chǎn)量I0為：

I0=G0×TO

式中，G0和T0代表了第一年的GDP和單位GDP的污泥年產(chǎn)生量。

第n年GDP和單位GDP的污泥產(chǎn)生量為：

Gn=G0×（1+g）nTn=T0×（1-t）n

式中，g是從基準年到n年GDP年均增長率；t是相同時期單位GDP污泥產(chǎn)量的年平均下降率［12］。則第n年污泥產(chǎn)生量為：

In=Gn×Tn=G0×T0×［（1＋g）×（1-t）］n

3.2 我國污泥產(chǎn)量現(xiàn)狀

我國人民生活質(zhì)量日漸改善，人均用水量顯著增加，城市污水處理廠數(shù)量也在顯著增多，1998—2017年，我國城鎮(zhèn)污水處理廠已經(jīng)從283座發(fā)展到了2 209座，增加了近8倍。有水必有泥，作為城鎮(zhèn)污水處理廠副產(chǎn)物的污泥成為對環(huán)境健康的另一個威脅。2018年我國產(chǎn)生的城市干污泥量已經(jīng)達到561萬t，若沒有適當?shù)奶幹梅绞?，污泥將會發(fā)展成為對人類危害極大的污染物。圖2給出了我國1998—2017年的城市污水處理廠數(shù)量、污水日處理能力以及污泥年產(chǎn)生量的趨勢，三者均在穩(wěn)步增長。

圖2 1998—2017年我國城市污水處理廠數(shù)量、污水日處理能力和污泥年產(chǎn)生量

圖2中共有3個指標，即城市污水處理廠數(shù)量、污水日處理能力和產(chǎn)生的干污泥量。城市污水處理廠數(shù)量呈指數(shù)增長，污水日處理能力和產(chǎn)生的干污泥量與均衡增長相似。我國日漸重視污水處理，隨著污水處理廠的增多，污水日處理能力卻沒有明顯改善，這表明產(chǎn)生的污水量正在增加，有必要增加污水處理廠的數(shù)量來處理產(chǎn)生的過量污水，污水處理技術(shù)已經(jīng)足夠成熟。為減少污泥量，必須減少產(chǎn)生的污水量，避免浪費水資源。

3.3 我國污泥產(chǎn)量預(yù)測

本文以人均GDP作為我國經(jīng)濟發(fā)展狀況的代表（即橫坐標），污泥產(chǎn)生量作為廢物排放量的代表（即縱坐標），二者關(guān)系預(yù)測見圖3。從圖3可以看出，我國污泥產(chǎn)量隨著我國人均GDP的持續(xù)增長而迅猛增加，也就是說，并沒有跨過“環(huán)境高山”，還處在上坡階段，并且沒有達到峰值的趨勢，在未來的一段時間里仍將繼續(xù)增加。

圖3 我國經(jīng)濟發(fā)展與污泥產(chǎn)量關(guān)系預(yù)測

表1顯示了2013—2019年我國的污泥增長率。城市污泥正以平均每年6.46%的速率穩(wěn)步增長，在不采取任何污泥處置措施的情況下，預(yù)計到2025年城市污泥年產(chǎn)量將達到851.97萬t。

表1 我國污泥年增長率估算統(tǒng)計［13］

根據(jù)IGP方程以及1998—2017年我國城市污水污泥產(chǎn)生量，預(yù)測出未來幾年里污泥產(chǎn)生量隨經(jīng)濟發(fā)展的趨勢，見圖3。

若t＜tk，如不采取任何措施，隨著我國人均GDP的持續(xù)上升，城鎮(zhèn)污泥年產(chǎn)生量也將繼續(xù)增加，即趨勢1，這是我國目前的發(fā)展趨勢。

若t=tk，我國城鎮(zhèn)污泥的年產(chǎn)生量比較穩(wěn)定，即趨勢2。通過完善污泥處置方式等措施，隨著經(jīng)濟發(fā)展環(huán)境負荷得到了一定的遏制，達到了“環(huán)境高山”的山頂。

若t＞tk，實現(xiàn)了污泥年產(chǎn)生量與經(jīng)濟發(fā)展的“脫鉤”，即趨勢3。只有翻過這座“環(huán)境高山”，實現(xiàn)污泥年產(chǎn)生量逐年下降卻不影響人均GDP的增加，才能達到環(huán)境與經(jīng)濟的雙贏。

4 國內(nèi)外污泥處理和處置現(xiàn)狀

4.1 我國污泥處理處置現(xiàn)狀

目前，我國更注重污水處理，卻忽視了污泥的處理，出現(xiàn)了嚴重的“重水輕泥”現(xiàn)象。污水處理廠不僅沒有現(xiàn)場處理污泥的裝置，也沒有為污泥留出空地堆放，我國大多數(shù)污水處理廠對污泥的處理只停留在把污泥通過壓濾機等設(shè)施進行脫水后使其達到特定含水率，進而將其長距離運送到垃圾填埋場進行衛(wèi)生填埋或其他處理。有研究表明，我國污泥填埋處置占所有處置方式的65%，堆肥占比15%，自然干化和焚燒分別占比6%和3%［14］。可以看出，雖然填埋處理對大氣、地下水資源的危害最嚴重，但填埋仍是我國污泥的主要解決方法。與美國、日本等國家相比，我國污泥處理技術(shù)的研究相對落后，這與人們對污泥的處理和處置技術(shù)以及資源化利用意識薄弱、我國對污泥處理處置發(fā)展起步較晚、相關(guān)法律法規(guī)標準不完善、處理技術(shù)不成熟息息相關(guān)。若仍沒有更經(jīng)濟可行的方法，繼續(xù)任由污泥長時間堆放或大量填埋，必定會造成空間不足等或更嚴重的環(huán)境污染。我國將污泥變廢為寶的實際投產(chǎn)時間和污泥處理標準的制定均較遲，首個用污泥生產(chǎn)肥料的項目于2003年在河南許昌投入生產(chǎn)，隨后有關(guān)污泥的項目逐漸增多［2］。1984年，我國發(fā)布了第一個城市污泥標準——GB 4284—84《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》，2019年6月1日完善該標準，發(fā)布了GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標準》。

生態(tài)環(huán)境部公布的數(shù)據(jù)顯示，我國污泥產(chǎn)量較多的城市為杭州、上海和北京等發(fā)達地區(qū)。北京市主要的污泥處置方法為土地利用，且土地利用方式占到80%以上，填埋處置逐漸被土地利用所取代；上海市的污泥處置與我國總體發(fā)展水平保持一致，以填埋為主；杭州市近幾年主要的污泥處置方式為焚燒后對焚燒灰進行資源化利用；其他一些發(fā)展落后城市的主要污泥處置方式為填埋。

與其他污泥處置方法相比，污泥填埋是落后的。近幾年，有關(guān)部門規(guī)定處理污泥的裝置必須與污水處理廠同時建造，一些污水處理廠也已按此規(guī)范實施，但是由于投資費用大、裝置運行不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致實施效果并不明顯。

4.2 國外污泥處理處置現(xiàn)狀

污泥的填埋、焚燒、發(fā)酵堆肥、治理荒漠化等在我國廣泛應(yīng)用的處置方法在國外也處于主導(dǎo)地位，但國外與我國的不同之處在于發(fā)展方向不同。在我國，由于對污泥處置的關(guān)注度不夠和處理費用巨大等問題，絕大多數(shù)污泥經(jīng)過污水處理廠脫水之后便直接運輸?shù)教盥駡鲞M行填埋處理，而在德國、波蘭、日本等國家已經(jīng)將污泥處置的著重點更多地放到對環(huán)境影響較小的資源化利用上，所以國外污泥土地使用比例逐漸高于填埋處理。以歐盟為例，圖4是歐盟15國（EU-15）、歐盟12國（EU-12）以及歐盟整體（EU-27）的污泥處置方法占比情況［15］。

圖4 歐盟15國、歐盟12國以及歐盟的污泥處置方法占比

污泥的農(nóng)業(yè)利用為整個歐盟污泥處置方法的41%，是其主要的污泥處置方法，而填埋處置僅占到17%，且據(jù)研究污泥的填埋率在持續(xù)下降，到2020年，歐盟中除一些較落后國家外，基本上可以將填埋這種對環(huán)境危害大的處置方法擯棄。由于EU-15為2004年前加入歐盟的元老國家，代表著歐盟的污泥處置趨勢，其中農(nóng)用占44%，填埋占15%，基本上與歐盟持平。EU-12中農(nóng)用占16%，填埋占28%，而35%的污泥雖沒有明確的處置方式，但其主要應(yīng)為填埋和堆放等其他處理，這與國家的發(fā)展程度有著很大的關(guān)系，EU-12為2004年歐洲聯(lián)盟的新成員國，其發(fā)展較落后。

根據(jù)陸鐘武院士提出的IGP方程可知，要想既增加GDP又要減少污泥年產(chǎn)生量，就必須想盡辦法降低單位GDP的污泥年產(chǎn)生量，而單位GDP污泥年產(chǎn)生量的降低依賴于使用對環(huán)境危害更小的污泥處理技術(shù)。因此，我國應(yīng)該更加重視污泥的資源化利用，歐盟國家污泥的農(nóng)業(yè)利用值得借鑒。

5 我國典型城市比較

本文選取我國典型的8個一級城市，根據(jù)各城市統(tǒng)計年鑒中公布的數(shù)據(jù)［16-23］，以上文介紹的環(huán)境經(jīng)濟學(xué)理論為基礎(chǔ)探討這些城市經(jīng)濟發(fā)展、污泥產(chǎn)生量以及發(fā)展趨勢之間的異同點。

5.1 污泥產(chǎn)量

2009—2018年8個城市污泥年產(chǎn)生量見圖5。

圖5 2009—2018年8個城市污泥年產(chǎn)生量

2016—2018年8個城市污泥年增長率見表2。

表2 2016—2018年8個城市污泥年增長率 %

由圖5和表2可知，污泥年產(chǎn)生量最多的是上海市，其次是北京市。其他城市的污泥年產(chǎn)生量基本上集中在5萬t到10萬t。上海市于2017年下降了1.59%，但2018年又呈現(xiàn)正增長。沈陽市2018年下降了5.75%，天津市從2016年開始以緩慢速度下降，但上海市、沈陽市和天津市是否到達了“環(huán)境高山”的頂峰還是暫時性下落尚有待探討。除上海市、沈陽市和天津市外的其他城市均在以一定比例逐年增加。

5.2 經(jīng)濟學(xué)分析

環(huán)境經(jīng)濟學(xué)家分析得出，當人均GDP達到1萬美元時是我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的一個新契機，環(huán)境負荷應(yīng)抵達頂峰并逐漸下降［24］。8個城市環(huán)境庫茲涅茨曲線見圖6［16-23］。

圖6 8個城市環(huán)境庫茲涅茨曲線

由圖6可看出，除重慶市外，人均GDP均已超出1萬美元（68 942元）甚至更多，但是大部分城市污泥年產(chǎn)生量卻仍然在急劇上升，只有上海市和天津市有所減少。從整體發(fā)展情況來看，杭州市在所研究的8個城市中處于前列，人均GDP在2017年已經(jīng)達到24 540.48美元，人民生活水準可以與工業(yè)化國家的城市比較，但是污泥年產(chǎn)生量卻是最低的，可見杭州市做到了經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的雙贏，是我國各城市發(fā)展的典范。雖然杭州市污泥年產(chǎn)生量最低，但是與其他城市的共性是都在以一定比例上升，無論是污泥的填埋、堆放還是焚燒對環(huán)境的危害都非常嚴重，需要采取嚴厲的措施以降低污泥產(chǎn)生量。

6 結(jié)語

城市污泥不再是某個城市或國家的環(huán)境問題，而是亟待解決的世界性問題。如何從環(huán)境經(jīng)濟學(xué)角度出發(fā)，尋找既不影響國家經(jīng)濟發(fā)展又能解決污泥產(chǎn)生量大、難處理問題的方案是重要研究課題。根據(jù)IGP方程，由于人口是不可控因素，減少污泥對環(huán)境影響的唯一措施是提高污泥處理處置技術(shù)。目前，將污泥用于沙地治理是對環(huán)境影響最小的處置方法，這種處置方法越來越受到各國的關(guān)注。