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中国污泥产生、管理、处理与处置现状概述
摘要
在中国大量污泥的产生已经是个严重的问题并引起了极大的关注。这篇文章概述了中国污泥产生、管理、处理与处置现状。从2007年到2013年，平均每年中国的污泥总产量增长13%，2013年中国产生了625万吨干污泥。虽然在中国人均污泥产量低于发达国家，但是中国在污泥管理方面很欠缺。污泥的管理部门互相之间没有联系，污泥管理的法律法规不健全而且有时是不现实的。至于污泥的处理与处置，在中国许多工艺流程已经得到了应用，如：污泥的浓缩、调理、脱水是三个最常用的污泥处置方法。但污泥的稳定化利用率与干燥程度很低。在中国超过80%的污泥通过不合理的丢弃被处置。被认为是合适的污泥的处置方式中，在卫生填埋是最常见的，其余还有土地利用、焚烧与制造建筑材料。从中国整体的情况来看，“污泥浓缩——厌氧处理——脱水——土地利用”是污泥处理与处置的首要技术路线。好的变化是，这些技术路线当前的挑战和未来的发展都在中国被仔细的分析与讨论。
简介
污泥是污水处理过程中的副产物。随着中国工业的发展和城市化，大量的污水被生产出来。除此之外，水处理的比例越来越高，因此产生了大量污泥。污泥中含有大量的有毒的物质，如病原体、重金属及一些有机污染物，它们会导致严重的环境污染。当今中国，污泥问题是个巨大的挑战，合理地管理、处理、处置污泥是非常必要的。
当下，污泥的管理系统多种多样，包括行政管理部门，法律与法规监管。污泥的处理过程通常包括运用多种多样的物理、化学、生物技术进行污泥浓缩、污泥调理、污泥脱水、污泥稳定和污泥干燥。许多污泥处置方法如污泥填埋、污泥焚烧、污泥土地处理和制造建筑材料也有许多应用。
尽管上述污泥处理与处置方法在中国已得到应用，但与污泥处理相比，中国向来更重视污水处理。最近一些关于污泥污染的事件被报道出来，两个中国的大城市北京与天津中的部分污水处理厂将污泥倾倒在郊区，引起群众极大的不满。因此，中国的污泥生产、管理、处理与处置需要得到瞩目去解决这些问题。然而，关于污泥处理、处置及管理的观点在中国是很缺乏的，相关的研究也很陈旧、零碎甚至前后矛盾。
这些研究的主要目标是在当前可行的数据的基础上全面地审查中国污泥生产、管理、处理与处置现状。根据中国当前的整体情况，关于未来污泥处理与处置的方法正在被讨论。好的变化是，这些技术路线当前的挑战和未来的发展也在被分析。为达到这个目的，我们从数据库、文献、政府报告、官方网站、专业组织及行业报告中收集大量数据。
污泥产生
概述
如图1（a）中所示，中国每日的污水处理能力与数量从2007年到2013年在快速增长，这意味产生了越来越多的污泥需要被处理。在图1（b）中，我们可以看到中国的污泥产量增长迅速，平均每年增长13%。在2013年，全中国共生产了625万吨干污泥，人均干污泥产量约为4.6kg，这远低于发达国家的污泥产量。导致这种现象的原因可能是因为污水处理的方法不同，在发达国家经济更发达，污染更少。
地域分布
中国大陆共有31个省可被分为华中、华东、华北、东北、西北、华南与西南七个行政区。这些地方2013年的总污泥产量、人均污泥产量、人均GDP均在图2中体现。每个省的污泥产量在表1中被详细展示，需要说明的是在这份研究中直辖市与自治区也被当作一个省份。
在中国一般而言，华东比西部产生的污泥更多。由于华东地区的人口密度、工业化与城市化程度比西部高，这导致了更大的污水产量。除此之外，华东地区的污水处理率比西部更高。在中国污水处理的方法在不同的地区并没有多少不同，因此污泥总量一般随着污水处理总量与污水处理率的增长而增长。同理，南方的污泥总量高于北方。至于行政区中，最大的污泥产量在华东地区，最低的污泥产量在中国的西北。在中国的省份中，广东是污泥产量最高的，青海是污泥产量最低的。
至于人均污泥产量快，由于更发达的经济，华东的人均污泥产量高于西部，这与人均GDP有直接的关系。对不同的行政区，人均污泥产量最高的是华东地区，最低的是中国西北。特别的是，中国西北与中国中部有相同的人均GDP，但人均污泥产量却有很大的不同，这是由于工业的结构不同导致的。中国西北的工业化程度很低，经济发展主要依靠高的能源与资源消耗。在中国的省份中，上海是人均污泥产量最高的而甘肃是最低的。
中国的污泥管理
行政部门
在中国有五个污泥管理的行政部门，图3列出了这些部门和它们的职能。其中住房与城乡建设部是最重要的，这是中国污泥处理与处置的主管部门。这五个部门是同等级的，它们的功能相互重叠。这样的安排是有局限的，因为每个部门从自己的利益出发管理污泥，这就导致了一些污泥处理与处置的可行性想法在中国无法很好的实现。
法律法规
当前，如表2a、2b、2c、2d中显示的，在中国共有两条法律、两条行政法规和32项标准用于污泥管理。法律方面，中华人民共和国环境保护法对污泥污染提供了基本的保护。固体废物环境污染防治法包括固定废物污染防治（包括污泥），保护着人类健康，维护生态安全，促进经济社会可持续发展。行政法规方面，进口废物环境保护与管理暂行规定和补充规定禁止了废物（包括污泥）的非法运输到中国。至于标准可被划分为三类：国家标准、部门标准与技术法规与指南。这些污泥标准覆盖了很多方面，如污泥处理与处置的指标，污泥组分的检测方法及污泥处理与处置设备。需要说明的是在中国这些标准的本质不同，国家标准是强制性的，而部门标准与技术法规与指南是可作参考的。
然而，合理完整的污泥管理法律法规在中国还没有建立，除此之外，污泥管理标准的执行力很弱。有些污泥管理标准没有定时审查，因此他们不适合当前的实际情况。例如，农业用地污染物控制标准还是在1984年颁布的，而发达国家例如欧盟会定期审查污泥管理标准。而且中国很多污泥标准的制定没有足够的科学基础。污泥标准中有限的有价值的一般是依据国外的标准或专家的经验制定的。在一些发达国家，如美国，污水污泥的利用与处置部分503标准是在11年的调查和1500万美元投资的基础上制定的。
污泥的处理与处置
技术路线
在中国，主要的污泥处理与处置技术路线在图4中可见。在这些技术方案中，方案一、方案二、方案三、方案四是中国最常用的方案。对于污泥处理，中国有许多不同的处理技术，这些技术的选择与污水处理厂的规模及最终污泥处置的方法有关。主要的污泥处理过程包括污泥浓缩、调理、脱水、稳定和干燥。其中，浓缩、消化、脱水是三个应用最多的过程，中国的污泥稳定和干燥率很低。
对于污泥浓缩，中国主要应用的技术有重力浓缩、气浮浓缩和机械浓缩，其中重力浓缩是最常见的。在中国污泥经浓缩之后含水率一般为95%。因此，污泥需要进一步处理。
然而，污泥直接脱水是非常困难的。为了改善污泥的脱水性能，一些污泥预处理是非常必要的。在中国，化学调理法是应用最广的方法，这种方法是运用无机混凝剂和有机聚和物电解质，其中包括聚丙烯酰胺、铝盐、铁盐和石灰。超过80%的污水处理厂运用的是聚丙烯酰胺，其中阳离子型聚丙烯酰胺是最常用的类型。石灰调理法具有灭菌和稳定的作用也经常被使用。
污泥脱水的方法主要有带式脱水、离心脱水。板框脱水。现在大部分大中型污水处理厂使用的是带式压滤机脱水。但随着脱水污泥中的固体含量要求越来越严格，越来越多的污水处理厂开始使用板框脱水。
在中国主要应用的污泥稳定方法有污泥的好氧消化与厌氧消化。厌氧消化常用于大型污水厂，好氧消化常用于小型污水厂，其中厌氧消化常用的是中温消化。在中国污水处理厂运用厌氧消化的比例还是很低。
污泥处置
在此文中，污泥处置是污泥经过处理后的最终去向。中国运用的污泥处置方法主要有卫生填埋、土地处理、污泥焚烧和制造建筑材料。如图5所示，中国污泥处置现状不容乐观。80%以上的污泥被不合理的丢弃，造成了严重的二次污染。而合适的污泥处置方法，最常用的是卫生填满，其次是土地利用、污泥焚烧和制造建筑材料。在中国卫生填埋、土地利用、污泥焚烧和制造建筑材料的费用分别为72~96，240~360，240~360，240~280美元每吨干污泥，而不合适的污泥处置方法仅需16~24美元每吨干污泥。（这些费用主要是运费和被发现时的罚款）为了降低成本，污水处理厂与相关的公司一般采用便宜的处置方法，如丢弃与卫生填埋。现在中国卫生填埋的标准比以前严格了许多，例如现在卫生填埋要求污泥含水率为60%，而2007年前没有这样的要求。因此，大量卫生填埋的污泥无法满足新要求，为了达标这些污泥被不合理的处置。需要说明的是，显然中国不同的地区显示的费用不同，以上所提到的价格仅作参考。
示范工程
从2010年到2012年，中国住房与城乡建设部推荐了12个污泥处理与处置的示范工程，展现了这些项目中影响关键过程、选址、处理容量、投资与运行成本的主要因素。表3展示了这些工程中污泥处理与处置的关键过程包括：厌氧消化 土地利用，好氧消化 土地利用，干燥 污泥焚烧脱水 卫生填埋。在这些示范工程中，污泥处置方法中污泥的土地利用占了超过60%，这意味着中国住房与城乡建设部鼓励污泥土地处理的发展。至于区域分配，大部分工程位于华东地区，特别是东部沿海（如图6）。如2.2节所述，相比于西边中国更多的污泥生产于东边。因此华东地区的污水处理厂与相关公司更注重污泥的处理与处置。考虑到经济水平与建设时间不同，这些投资与处理成本仅作参考。
讨论
5.1 未来中国污泥处理与处置方法
图4中最常用的污泥处理与处置方法，方案一、方案二、方案三、方案四各有其优点与缺点。方案一可实现污泥稳定化，污泥体积减小，营养物质循环利用并能生产能源物质，而较长的停留时间和低效是其主要的缺点。方案二的成本是最低的，但是这种方案存在很多局限，如占地面积大、无营养物质循环、易产生二次污染等。方案三能实现污泥减量化、稳定化和循环利用，但这个耗能大。方案四有能达到污泥减量化与稳定化的优点，但其主要缺点是会产生有毒气体，无营养物质循环及成本高。
结合中国现状，方案一很有可能会成为污泥处理与处置的主要方案。如果在中国使用这种方案，一年可产生超过25亿立方米沼气，这些沼气可生产40亿千瓦时的电力。除此之外，营养物质的循环可增至10%，这将会给社会带来巨大的经济与环保效益。
在中国土地资源是非常少的，人均土地不到世界平均水平的一半，因此长期使用卫生填埋是不现实的。此外，中国正面临着能源短缺的问题，中国经济的发展主要依靠持续消耗不可再生资源。中国化肥的消耗约占世界的35%，化肥的过度使用会导致土壤性质恶化、非点源污染及农产品退化。与其他方案相比，方案一中的产生的沼气和残渣可作为不可再生能源和化肥的替代品。
污泥处理与处置的方案选择也取决于污水处理厂的规模。中国污水厂可分为四种规模，包括超大型污水厂（处理能力大于30万m3/d），大型污水厂（处理能力为10万m3/d ~30万m3/d），中型污水厂（处理能力为1万m3/d ~10万m3/d），小型污水厂（处理能力小于10万m3/d）。在最开始的三种分类中，方案一是污泥处理与处置的首选，它能带来巨大的环境与经济效益。一些小型污水处理厂是集中分布的，因此它们的污泥可以收集起来用方案一集中处理。对于其他的小型污水处理厂，方案三更经济合理是推荐的首选方案。由于中国小型污水厂的比例只占9%，因此总的来说，方案一可作为当前中国污泥处理与处置的主要技术路线。
5.2 方案一在中国应用面临的挑战
虽然方案一是非常环保与经济的，但是这种方案在中国运用的现状是不容乐观的。厌氧消化和土地利用是方案一总的关键过程，然而中国不到一半的污水处理厂有厌氧消化处理过程。从图5中可以看出在中国污泥的土地利用的比例还是很低。上述依据也显示了当前中国应用方案一所面临的挑战。
首先，中国污泥的有机物含量非常低。由于不完善的污水收集系统 导致了污水处理厂进水中COD含量低。COD指的是化学需氧量，是一种表示有机污染物浓度的综合指标。由于合流制污水系统的使用，导致了进水中COD含量低。除此之外，中国排水管网泄漏的问题也很严重，这导致了污水中混合了地表水与地下水，导致进水的COD更低，化粪池的广泛使用也导致了进水低COD。在中国进水的COD浓度一般在200~400mg/L，中国南部的COD浓度甚至低于200mg/L。此外，由于沉砂池普遍存在效率低的问题导致污泥中有很高的含沙量。这些导致中国产生的污泥的VS/TS（可挥发固体与总固体浓度之比）比率一般在0.2~0.5之间比发达国家（0.7~0.8）低很多。
第二，初沉污泥的产量非常低。初沉污泥比厌氧消化后的剩余污泥具有更高的可生化性。在发达国家厌氧消化过程中初沉污泥与剩余活性污泥的比率一般为3：2。而在中国这个比例反过来了或者甚至更低。大部分中国的污水处理厂很少关注初沉池或者直接取消了初沉池，这就导致了有机物在化粪池中就被去除，而氮和磷却没有。这直接导致了进水C/N比值很低。为了保证脱氮除磷过程有足够的碳源，初沉池一般被简化或者直接超越了。
第三，厌氧消化中沼气产量与甲烷浓度很低，这是由于污泥中有机物含量很低，污水处理过程中硫的去除率很低，这些硫全部都进入到了污泥中。因此，在厌氧消化过程中会生成硫化氢，硫化氢对人有毒而且会产生臭气，同时也会腐蚀设备。
第四，在污泥厌氧消化之后沼气的利用是很低效的。因为中国污泥厌氧消化过程中沼气的产量和甲烷浓度一般很低。大量的沼气被当作火种简单的填埋，这不仅导致了能量的浪费，也导致了火灾安全隐患。
第五，用于污泥处理与处置的经费非常不足。从2011~2015年，中国污泥处理与处置的投资比率只有8%远远低于发达国家的50%。由于经费的不足，许多污水处理厂不能建设和运行污泥厌氧消化。同时由于没有足够的经费污泥厌氧消化与土地利用的市场也不能扩大。
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