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本期將推出哈爾濱工業大學魏亮亮副教授團隊的一篇最新綜述，內容翔實，主要是基於大數據和溫室氣體排放分析，闡述我國城鎮汙泥處理處置技術的發展、現狀以及展望未來發展趨勢，相關研究成果的獲得有助於深刻認識我國城鎮汙泥處理處置技術應用與發展的潛在規律，為未來我國城鎮汙泥處理處置技術優選提供技術支撐；此外，相關研究結果可為全球範圍相關發展中國家汙泥的可持續處置提供借鑑。
該研究得到國家自然科學基金（No. 51878213）、黑龍江省自然科學基金（YQ2020E022）和城市水資源與環境國家重點實驗室（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，發表在Environment International（SCI, IF=7.577, 1區top）
研究背景
隨著我國城鎮汙水收集系統日趨完善和汙水處理設施的不斷建設運行，市政汙泥產量急劇增加。在過去的幾十年裡，我國政府在汙水處理方面實施了嚴格有效的管理，並取得了較為顯著的成就；在汙水處理過程中，部分汙水中的汙染物轉化進入城鎮汙泥，由於我國城鎮汙泥產生量大、歷史欠帳多，城鎮汙泥的高效處理處置仍被認為是提高汙水處理效率的一個重要突破點。
當前，土地利用、焚燒、衛生填埋和建材利用是我國應用最廣泛的汙泥處理處置技術路線，但我國幅員遼闊，不同地區汙泥處理處置技術的應用差異較大，對不同地區汙泥處理處置技術的適用性及潛在規律進行研究，對優化我國汙泥處理處置意義重大，並可為不同類型的發展中國家汙泥處理處置提供經驗借鑑。此外，汙泥處理處置過程中會產生大量的溫室氣體（GHG），該過程嚴重受汙泥處理處置工藝選擇的影響，因此適當工藝技術的選擇在一定程度上可以實現汙泥處理處置過程中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年間我國汙泥處理處置的基礎數據，從我國不同地區汙泥處理處置技術的分布特徵入手，對不同區域不同歷史階段汙泥產量、技術選擇的差異等歷史數據展開分析，重點分析了好氧堆肥、厭氧汙泥消化、焚燒、深度脫水、乾燥和熱水解處理技術的時空分布；最後通過比較汙泥處理處置過程中溫室氣體排放的區域貢獻，並評估了汙泥處理處置方式的改變對GHG排放潛在的影響。相關研究成果的獲得有助於深刻認識我國城鎮汙泥處理處置技術應用與發展的潛在規律，為未來我國城鎮汙泥處理處置技術優選提供技術支撐；此外，相關研究結果可為全球範圍相關發展中國家汙泥的可持續處置提供借鑑。
本研究涉及到的數據部分來源於住房和城鄉建設部官方的統計數據，數據獲取連結如下：.cn/xytj/tjzljsxytjgb/jstjnj。關於汙泥處理設施分布及處理能力的統計主要來自相關數據的統計及整理。
中文摘要
本研究基於我國汙泥處理處置的歷史數據，從汙泥來源、處理處置技術路線選擇、不同技術的時空分布特徵等方面對1978年以來我國汙泥處理處置的潛在規律進行了系統研究。截至2019年底，全國共建成運行城鎮汙水處理廠5476座，年汙泥產量達3904萬t（含水率按80%計，以下同）。上述汙泥中的29.3%通過土地利用得以最終處置，其次為焚燒（26.7%）和衛生填埋（20.1%）。在汙泥處理技術方面，汙泥焚燒、好氧堆肥、熱水解和厭氧消化是我國當前汙泥處理的主流技術，2019年上述工藝對應的汙泥處理能力分別為27122、11250、8342和6944t/d。在地域分布上，汙泥焚燒和幹化是華東地區應用最為廣泛的汙泥處理技術；東北地區、華東地區和華中地區則為汙泥好氧堆肥技術；此外，厭氧消化設施在華東、華北和華中地區亦廣泛建設。在過去的30年間，汙泥處理能力得到大幅提升，與此同時由於汙泥處置帶來的溫室氣體排放總量也急劇攀升，在2019年達到108.18×108kg（二氧化碳排放當量），各處理技術的貢獻率呈以下趨勢：汙泥焚燒（45.11%）＞衛生填埋（23.04%）＞土地利用（17.64%）＞製造建築材料（14.21%）。在此基礎上，針對當前我國汙泥處置過程中CO2排放當量高、處理技術區域發展不平衡、穩定性差和汙泥土地利用處置水平低等實際問題，對我國汙泥處置面臨的挑戰進行了剖析，對未來汙泥處置進行了展望。最後，結合我國不同區域汙泥處理處置歷史經驗，以及歐美各國汙泥處理處置特徵，對發展中國家的汙泥處理處置提出了建議。
圖文導讀
統計數據顯示1987年我國城鎮汙泥產生量為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年間我國城鎮汙泥產生量呈爆發式增長，年均增長率為44.9%（2010年—2019年期間則為7.3%）。在2019年，山東省城鎮汙泥產生量最高，達到3.86×106t（佔全國汙泥總量9.86%），浙江次之（佔9.19%），再次為廣東（9.08%）、江蘇（8.43%）、河南（6.11%）和河北（5.22%）。相應的，北京、四川、遼寧、陝西、上海、湖北、安徽、湖南、山西、重慶等10個省市合計佔比為32.78%，其餘15個省市僅佔19.33%。
統計結果顯示，我國人均汙泥產量和萬噸汙水產生量區域差異明顯，如2019年我國人均汙泥產生量為28.05kg/a，其中北京、天津和浙江人均數據最高，汙泥產生量分別為81.9、70.4和62.5 kg/a。總體而言，中國北方15個省份的平均人均汙泥產量（30.65kg/a）比南方省份（25.84kg/a）高18.6%。與之類似的是，2019年中國每萬噸汙水處理汙泥產量為5.94t，其中北方地區15個省的平均汙泥產量(7.36t)遠遠高於南方16個省份（5.07t）。
Pearson相關性的分析結果顯示，我國不同區域人均國內生產總值（GDP）與人均汙泥產量具有明顯的相關性，說明經濟發展和汙水設施投資對我國汙泥產量的影響更為顯著。對於城鎮化水平而言，北方14省（不含北京）隨著城鎮化率增加，萬噸汙水汙泥產率呈下降趨勢；南方15省則呈相反趨勢。
目前，汙泥處置的主要技術路線有衛生填埋、焚燒、建材生產、土地利用等，在2019年，我國市政汙泥中約29.3%通過土地利用進行處置，其次是焚燒（26.7%）和衛生填埋（20.1%），而建築材料利用（15.9%）和其他方式（8.0%）貢獻較小。圖2顯示，土地利用是我國汙泥處置的主要技術路線，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，衛生填埋僅佔汙泥處置總量的3.71%，2019年這一數字上升到了20.1%。從這些結果我們可以清楚看出，近些年來中國汙泥的處置策略發生了較大的變化，逐漸從無序堆放向土地利用、焚燒逐漸轉變，並趨於多元化，這表明中國政府在汙泥的安全和標準化處置方面取得了巨大的進步。
土地利用（直接利用或堆肥後）和焚燒是歐洲汙泥處置的兩種主要工藝。德國、英國、西班牙、法國和波蘭是歐洲汙泥產量最多的5個國家，其產生的汙泥量乾重分別為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，中國的汙泥產生量明顯高於歐洲國家，2017年中國的汙泥產生量為3250萬t，分別比同期的德國和法國高出2.63倍和4.57倍。
通過對國內200餘個汙泥處理項目建設及運行資料的統計分析，發現2009年—2019年在中國7個行政區內6種典型汙泥處理技術（厭氧消化、好氧堆肥、焚燒、乾燥、深度脫水、熱水解）的汙泥處理能力呈現快速增長。其中，汙泥好氧堆肥工程在2011年—2015年期間建設效果最為突出，汙泥厭氧消化工程在2014年—2019年期間處理能力提升最為迅速，汙泥焚燒處理工程在2017年—2019年間提升迅速，相對應的汙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。由數據分析可以看出，焚燒和好氧汙泥堆肥是我國應用最廣泛的汙泥處理技術，至2019年綜合處理能力分別達到27122t/d和11250t/d（含水率80%）。
圖4 六種典型汙泥處理技術在中國不同區域的地理分布及處理能力概況
對於汙泥厭氧消化，2000年在中國建成設施的總處理能力為386t/d，到2019年增長至6944t/d。具體來說，我國厭氧汙泥消化設備分布較為廣泛，其中華東和華北地區消化處理能力分別佔全國的27.1%和18.7%。
汙泥堆肥作為最廣泛的汙泥處理技術路線之一，在過去10年呈現出爆炸式增長。2009年建成的汙泥堆肥廠處理能力約為300t/d，到2019年已提高至11250t/d。目前，汙泥堆肥工藝在我國東北地區廣泛建設運行（2019年汙泥處理能力達5202 t/d），佔全國堆肥汙泥總量的46.5%；其次是華東地區（2510t/d）、華中地區（1430t/d）和華北地區（862 t/d），與此同時，西北、華南和西南地區的處理能力較低。
至2019年底，汙泥焚燒技術在我國的綜合處理能力達到27122t/d，在六種典型汙泥處理技術中處理能力最高。其中華東地區的焚燒汙泥總量佔全國總量的70.3%，其次是華北地區（7.5%）、西南地區（6.8%）和華南地區（5.9%），而東北、西北和中部地區汙泥進行焚燒處理的比例較低。汙泥乾燥廠的地理分布與焚燒廠相似，2012年汙泥乾燥處理能力為350t/d，2019年升至4615t/d，年均增長44.5%。該項技術的區域處理能力呈以下趨勢：華東地區（45.9%）＞華南地區（23.5%）＞華中地區（13.0%）＞華北（9.5%）＞西北地區（8.0%）。
同樣地，汙泥深度脫水和熱水解技術近年來在中國也得到了快速的應用。2010年—2015年，大量汙泥深度脫水裝置被建成（處理能力由200t/d增加到4970t/d），年均增長率為70.8%。截至2019年底，我國汙泥深度脫水工程處理能力約為6410t/d，其中，華東地區對汙泥深度脫水的貢獻率達到36.8%，其次是華南地區（34.8%）和華中地區（20.3%）。
汙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。總體而言，華北地區是汙泥熱水解廠建設的重點地區（貢獻高達73.46%），其次是華東地區（13.6%）、華中地區（7.6%）和華南地區（5.4%）。
經計算，2009年我國汙泥焚燒、建築材料利用、衛生填埋和土地利用溫室氣體排放量（108kg，二氧化碳當量）分別為5.17、1.63、34.33和2.39。其中，衛生填埋和焚燒分別貢獻了78.88%和11.88%。到2019年我國因汙泥處理處置產生的溫室氣體排放總量增加了2.49倍，達到108.18×108kg（二氧化碳當量）。六種典型處置技術路線貢獻率呈以下趨勢：汙泥焚燒（45.11%）＞衛生填埋（23.04%＞汙泥土地利用（17.64%）＞建材利用（14.21%），其中汙泥焚燒和衛生填埋排放的GHG分別為48.80×108和24.93 ×108kg。在2009年—2019年間，華東地區始終為我國汙泥處置中溫室氣體排放最多的地區，2009年佔當時全國總排放量的41.35%（17.99×108kg，二氧化碳當量），2019年則貢獻了44.83%（48.50×108kg，二氧化碳當量）。總體來說，中國由汙泥處置引起的人均GHG排放量遠低於日本和大多數歐洲國家，例如，2017年華東地區GHG排放量為10.74kg/人，遠低於日本（24.89kg/人，二氧化碳當量）和荷蘭（44.12kg/人，二氧化碳當量）。然而由於人口密度高，中國的溫室氣體排放總量不可忽視。2017年，華東地區的CO2排放總當量為43.74×108kg，遠高於德國的31.76×108kg（歐洲最高）以及日本的31.53×108kg。
當前，我國7個行政區汙泥處理技術路線差異顯著，且不同技術分布極不均衡，主要特徵及影響因素可總結如下：
（1）地區經濟水平、城鎮化率、當地政府政策支持力度以及土地價格會影響汙泥處理處置技術路線的選擇。例如焚燒和乾燥技術雖然投資大且能耗高，但其工程佔地面積小，在我國東部和華北地區的應用較為廣泛；而東北和華中地區則以好氧堆肥技術作為主要的汙泥處理工藝。
（2）我國汙泥設備的處理能力在2009年—2019年顯著提高，具體地，汙泥堆肥處理能力在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，相對應的汙泥深度脫水和熱水解在2013年—2016年間飛速發展。
（3）汙泥焚燒是我國城鎮汙泥處置過程中GHG排放的最主要貢獻者，佔到全國汙泥處置GHG總排放量的45.1%，該現象在華東地區尤甚。
（4）我國汙泥經厭氧消化/好氧堆肥處理後，進行土地利用的比例約為26.5%，這一數據仍低於歐盟的50.0%。
（5）華東、華北地區不同工藝路線及其預處理之間建立了緊密的聯繫，如熱水解與厭氧消化技術，汙泥幹化與汙泥焚燒技術。
當前，我國汙泥處理處置面臨的主要挑戰如下：
（1）應高度重視中國汙泥處理處置的區域不平衡，需要重點關注我國西北和西南地區的汙泥處理處置。
（2）應重點關注汙泥中高值物質的回用和資源化，建議對汙泥能源轉化率/資源化率應提出強制性標準；並提出汙泥處理處置過程中溫室氣體排放應對措施。
（3）汙泥的土地利用比率在中國仍處於較低水平。
（4）缺乏汙泥處置的強制性標準。
（5）汙泥廠的建設資金仍然較低，2011年—2015年我國汙泥處理投資僅佔處理投資的7.58%，遠低於發達國家的30%～50%。
基於我國汙泥處理處置經驗，對其他發展中國家的汙泥進行可持續管理的建議：
（1）首先需評估相關的汙泥處理處置技術在發展中國家的經濟適用性，並進行必要的溫室氣體排放情況核算。在工程建設過程中高度重視汙泥減量、土地需求和能源需求情況。
（2）對於經濟增長迅速、人口眾多、土地資源稀缺的地區，大力推薦我國華東地區汙泥處理處置模式。相反，對於經濟條件差、城市化率低的地區，應大力支持汙泥的資源化利用。
（3）發展中國家的汙泥處置可以學習中國過去40年間汙泥從無序堆棄到策略性處置轉變的成功經驗。另外，發展中國家在制定汙泥處理處置相關法律法規時不應忽視健康問題、經濟條件、土壤特性、技術能力等，以建立可持續的汙泥處理處置體系。
原標題:TOP006｜哈爾濱工業大學魏亮亮：中國城鎮汙泥處理處置技術的發展現狀與趨勢——基於大數據和溫室氣體排放的分析
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