我国典型城市污泥产生量处理处置现状及经济学趋势分析

刘鑫 惠秀娟* 唐凤德

（1.辽宁大学环境学院，辽宁沈阳 110036；2.辽宁大学商学院，辽宁沈阳 110036）

1 引言

在我国“重水轻泥”现象普遍，污水处理技术已接近成熟，然而对污泥处置利用方法的研究却进展缓慢，与处理污水的技术发展相比差距很大。为改善河流、湖泊、海洋的水质以及生态环境，对污水排放的监测力度加大，全国污水处理厂数量不断增多。据不完全统计，截至2017年我国城市污水处理厂数量达到2 209座，比2016年增加8.34%。随着污水处理厂数量的增加，作为治理污水副产物的污泥也在持续增多。2018年全国产生干泥量达到561万t，与2017年相比增加12.61%。污泥来源和成分较复杂，含有许多重金属、寄生虫卵和其他污染物，若未经处理直接排放到大自然，将会造成土壤、河流等的严重污染［1］，污泥的资源化处理势在必行。

第五次全国荒漠化和沙化监测数据显示，2014年年末，我国荒漠化面积2.6亿hm2，其中沙化面积1.7亿hm2。2009—2014年这5年间荒漠化土地面积净减少121.2万hm2，土地沙化的面积减少99万hm2［2］。虽然从2004年开始我国沙化土地面积的增加趋势得到一定的遏制，但总体上仍在增加，荒漠治理依然严峻。根据我国国情，与填埋、焚烧等对环境污染严重的处置方式相比，城市污泥制造肥料将会有更大的发展前景［3］。因此，将城市污泥堆肥后用于治理沙化土地是很好的策略。

2 污泥定义及处理处置方法

2.1 污泥的定义

污泥是指城市污水处理厂中初次沉淀池、二次沉淀池、生物滤池等截留下来的半固态或固态物质。由于城市污水处理厂处理的污水包括生活污水和成分复杂、性质多样的工业废水，故污泥不仅包含充足的水分、N、P、K等营养元素以及有机成分，还有各种对人类和环境危害比较大的病原体、寄生虫卵以及重金属等。其中的N，P，K等植物生长所必须的元素和有机化合物是污泥农业利用的价值所在；而重金属元素是污泥农业利用乃至整个资源利用途径最重要的制约因素。目前我国对污泥中重金属的处理办法仅局限于如何将其去除掉，而欧盟各发达国家已经把重金属视为一种可回收资源。例如，低浓度的Zn2+，Ni2+，Cr6+能显著推动植物的生长［4］。由于污泥中的许多重金属是不可再生资源，污泥中重金属的提取技术应该引起我国污泥处理处置行业的重视。综合欧盟各国家的发展状况及污泥处理处置方法可以看出，污泥的资源化利用（把有害物质转化为对人类有益的物质加以利用）是未来发展的方向。

2.2 污泥处理处置方法

污泥处理处置方式包含填埋、焚烧、土地利用、建筑材料利用以及一些新技术（提取蛋白质、低温热解制油等）。

填埋是对环境污染最严重的处置方法，不符合无害化的处理原则。2007年10月1日，建设部实行的CJ/T 249—2007《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质》指出含水率小于60%的污泥才可以填埋，而通过脱水后污泥的含水率均大于70%，不满足填埋条件。焚烧法也是对环境危害较大的一种处置方式，要求污泥的含水率非常低以达到燃点，但此种方式产生的“二英”对空气质量影响非常大［5］。提取蛋白质等新技术由于巨大的投资费用和技术的不成熟在短期内无法实现大面积推广。Lesław Swierczek等［6］在分析城镇污水污泥在建筑工业的潜力中，介绍了目前城镇污泥用于制造建筑材料的现状以及用无灰污泥生产建筑材料的新方法，然而用城镇污水污泥制造的水泥和混凝土耐久性差且目前还没有解决此问题的最好办法，所以污泥应用于建筑行业的技术还有待研究，离广泛推广还有很长的路要走。蔡家璇等［7］在城市污泥蛋白质资源化的研究进展中分析了提取城市污泥中蛋白质并用于动物饲料添加剂或肥料的技术，其中虽然污泥水解技术已经基本发展成熟，但蛋白质的提取效率却是阻碍该项技术的一个重大因素，因此该技术仍需更深入的研究。王磊等［8］对城市污泥治理我国北部沙地的可行性进行了分析，污泥的沙地利用无论是在理论上还是经济和技术上都是可行的。李焱等［9］利用北京市某污水处理厂的污泥，按照城市污泥在沙土中0，3%，5%，10%和20%的比例种植油菜，实验数据证明，将3%的城市污泥添加在沙质土壤中不仅有助于油菜的生长，且对沙质土壤的改良效果显著。因此污泥就地处理后农用、污泥堆肥后还田以及对荒漠化治理（土地利用）是目前比较理想的对环境污染较小的污泥处置方式，且我国对污泥沙地利用越来越重视，“十三五”规划和2016年5月发布的“土十条”中都明确指出污泥土地利用的重要性，强烈建议土地利用和防治荒漠化的发展方向。污泥农业利用相关标准也正在趋于完整，GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》于2019年6月1日实行，污泥农用将开启新的篇章。

3 我国污泥产量现状及趋势预测

3.1 “环境高山”

“环境高山”是陆钟武院士提出的资源消耗或废物排出量与经济发展的关系。准确地说，它描述了发达国家随人均GDP变化的环境负荷曲线［10］。

资源消耗与经济发展状况的关系见图1。

“环境高山”的理论依据是由德国著名的Ehrlich教授等提出的IPAT方程［11］，即：

I=P×A×T式中，I为环境负荷；P为人口；A为人均GDP；T为单位GDP环境负荷。其中，环境负荷可以是消耗的资源或产生的废物，本文以城镇污泥产生量为例，则IPAT方程可以表示为：

陆钟武院士在IPAT方程的基础上进行演变，提出了IGP方程，本文用污泥产生量和经济发展之间的关系表示，即：

污泥年产生量（I）=GDP×单位GDP的污泥年产生量（P）

基准年的污泥年产量I0为：

I0=G0×TO

式中，G0和T0代表了第一年的GDP和单位GDP的污泥年产生量。

第n年GDP和单位GDP的污泥产生量为：

Gn=G0×（1+g）nTn=T0×（1-t）n

式中，g是从基准年到n年GDP年均增长率；t是相同时期单位GDP污泥产量的年平均下降率［12］。则第n年污泥产生量为：

In=Gn×Tn=G0×T0×［（1＋g）×（1-t）］n

3.2 我国污泥产量现状

我国人民生活质量日渐改善，人均用水量显著增加，城市污水处理厂数量也在显著增多，1998—2017年，我国城镇污水处理厂已经从283座发展到了2 209座，增加了近8倍。有水必有泥，作为城镇污水处理厂副产物的污泥成为对环境健康的另一个威胁。2018年我国产生的城市干污泥量已经达到561万t，若没有适当的处置方式，污泥将会发展成为对人类危害极大的污染物。图2给出了我国1998—2017年的城市污水处理厂数量、污水日处理能力以及污泥年产生量的趋势，三者均在稳步增长。

图2 1998—2017年我国城市污水处理厂数量、污水日处理能力和污泥年产生量

图2中共有3个指标，即城市污水处理厂数量、污水日处理能力和产生的干污泥量。城市污水处理厂数量呈指数增长，污水日处理能力和产生的干污泥量与均衡增长相似。我国日渐重视污水处理，随着污水处理厂的增多，污水日处理能力却没有明显改善，这表明产生的污水量正在增加，有必要增加污水处理厂的数量来处理产生的过量污水，污水处理技术已经足够成熟。为减少污泥量，必须减少产生的污水量，避免浪费水资源。

3.3 我国污泥产量预测

本文以人均GDP作为我国经济发展状况的代表（即横坐标），污泥产生量作为废物排放量的代表（即纵坐标），二者关系预测见图3。从图3可以看出，我国污泥产量随着我国人均GDP的持续增长而迅猛增加，也就是说，并没有跨过“环境高山”，还处在上坡阶段，并且没有达到峰值的趋势，在未来的一段时间里仍将继续增加。

图3 我国经济发展与污泥产量关系预测

表1显示了2013—2019年我国的污泥增长率。城市污泥正以平均每年6.46%的速率稳步增长，在不采取任何污泥处置措施的情况下，预计到2025年城市污泥年产量将达到851.97万t。

表1 我国污泥年增长率估算统计［13］

根据IGP方程以及1998—2017年我国城市污水污泥产生量，预测出未来几年里污泥产生量随经济发展的趋势，见图3。

若t＜tk，如不采取任何措施，随着我国人均GDP的持续上升，城镇污泥年产生量也将继续增加，即趋势1，这是我国目前的发展趋势。

若t=tk，我国城镇污泥的年产生量比较稳定，即趋势2。通过完善污泥处置方式等措施，随着经济发展环境负荷得到了一定的遏制，达到了“环境高山”的山顶。

若t＞tk，实现了污泥年产生量与经济发展的“脱钩”，即趋势3。只有翻过这座“环境高山”，实现污泥年产生量逐年下降却不影响人均GDP的增加，才能达到环境与经济的双赢。

4 国内外污泥处理和处置现状

4.1 我国污泥处理处置现状

目前，我国更注重污水处理，却忽视了污泥的处理，出现了严重的“重水轻泥”现象。污水处理厂不仅没有现场处理污泥的装置，也没有为污泥留出空地堆放，我国大多数污水处理厂对污泥的处理只停留在把污泥通过压滤机等设施进行脱水后使其达到特定含水率，进而将其长距离运送到垃圾填埋场进行卫生填埋或其他处理。有研究表明，我国污泥填埋处置占所有处置方式的65%，堆肥占比15%，自然干化和焚烧分别占比6%和3%［14］。可以看出，虽然填埋处理对大气、地下水资源的危害最严重，但填埋仍是我国污泥的主要解决方法。与美国、日本等国家相比，我国污泥处理技术的研究相对落后，这与人们对污泥的处理和处置技术以及资源化利用意识薄弱、我国对污泥处理处置发展起步较晚、相关法律法规标准不完善、处理技术不成熟息息相关。若仍没有更经济可行的方法，继续任由污泥长时间堆放或大量填埋，必定会造成空间不足等或更严重的环境污染。我国将污泥变废为宝的实际投产时间和污泥处理标准的制定均较迟，首个用污泥生产肥料的项目于2003年在河南许昌投入生产，随后有关污泥的项目逐渐增多［2］。1984年，我国发布了第一个城市污泥标准——GB 4284—84《农用污泥中污染物控制标准》，2019年6月1日完善该标准，发布了GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》。

生态环境部公布的数据显示，我国污泥产量较多的城市为杭州、上海和北京等发达地区。北京市主要的污泥处置方法为土地利用，且土地利用方式占到80%以上，填埋处置逐渐被土地利用所取代；上海市的污泥处置与我国总体发展水平保持一致，以填埋为主；杭州市近几年主要的污泥处置方式为焚烧后对焚烧灰进行资源化利用；其他一些发展落后城市的主要污泥处置方式为填埋。

与其他污泥处置方法相比，污泥填埋是落后的。近几年，有关部门规定处理污泥的装置必须与污水处理厂同时建造，一些污水处理厂也已按此规范实施，但是由于投资费用大、装置运行不稳定等因素导致实施效果并不明显。

4.2 国外污泥处理处置现状

污泥的填埋、焚烧、发酵堆肥、治理荒漠化等在我国广泛应用的处置方法在国外也处于主导地位，但国外与我国的不同之处在于发展方向不同。在我国，由于对污泥处置的关注度不够和处理费用巨大等问题，绝大多数污泥经过污水处理厂脱水之后便直接运输到填埋场进行填埋处理，而在德国、波兰、日本等国家已经将污泥处置的着重点更多地放到对环境影响较小的资源化利用上，所以国外污泥土地使用比例逐渐高于填埋处理。以欧盟为例，图4是欧盟15国（EU-15）、欧盟12国（EU-12）以及欧盟整体（EU-27）的污泥处置方法占比情况［15］。

图4 欧盟15国、欧盟12国以及欧盟的污泥处置方法占比

污泥的农业利用为整个欧盟污泥处置方法的41%，是其主要的污泥处置方法，而填埋处置仅占到17%，且据研究污泥的填埋率在持续下降，到2020年，欧盟中除一些较落后国家外，基本上可以将填埋这种对环境危害大的处置方法摈弃。由于EU-15为2004年前加入欧盟的元老国家，代表着欧盟的污泥处置趋势，其中农用占44%，填埋占15%，基本上与欧盟持平。EU-12中农用占16%，填埋占28%，而35%的污泥虽没有明确的处置方式，但其主要应为填埋和堆放等其他处理，这与国家的发展程度有着很大的关系，EU-12为2004年欧洲联盟的新成员国，其发展较落后。

根据陆钟武院士提出的IGP方程可知，要想既增加GDP又要减少污泥年产生量，就必须想尽办法降低单位GDP的污泥年产生量，而单位GDP污泥年产生量的降低依赖于使用对环境危害更小的污泥处理技术。因此，我国应该更加重视污泥的资源化利用，欧盟国家污泥的农业利用值得借鉴。

5 我国典型城市比较

本文选取我国典型的8个一级城市，根据各城市统计年鉴中公布的数据［16-23］，以上文介绍的环境经济学理论为基础探讨这些城市经济发展、污泥产生量以及发展趋势之间的异同点。

5.1 污泥产量

2009—2018年8个城市污泥年产生量见图5。

图5 2009—2018年8个城市污泥年产生量

2016—2018年8个城市污泥年增长率见表2。

表2 2016—2018年8个城市污泥年增长率 %

由图5和表2可知，污泥年产生量最多的是上海市，其次是北京市。其他城市的污泥年产生量基本上集中在5万t到10万t。上海市于2017年下降了1.59%，但2018年又呈现正增长。沈阳市2018年下降了5.75%，天津市从2016年开始以缓慢速度下降，但上海市、沈阳市和天津市是否到达了“环境高山”的顶峰还是暂时性下落尚有待探讨。除上海市、沈阳市和天津市外的其他城市均在以一定比例逐年增加。

5.2 经济学分析

环境经济学家分析得出，当人均GDP达到1万美元时是我国经济转型的一个新契机，环境负荷应抵达顶峰并逐渐下降［24］。8个城市环境库兹涅茨曲线见图6［16-23］。

图6 8个城市环境库兹涅茨曲线

由图6可看出，除重庆市外，人均GDP均已超出1万美元（68 942元）甚至更多，但是大部分城市污泥年产生量却仍然在急剧上升，只有上海市和天津市有所减少。从整体发展情况来看，杭州市在所研究的8个城市中处于前列，人均GDP在2017年已经达到24 540.48美元，人民生活水准可以与工业化国家的城市比较，但是污泥年产生量却是最低的，可见杭州市做到了经济发展与环境保护的双赢，是我国各城市发展的典范。虽然杭州市污泥年产生量最低，但是与其他城市的共性是都在以一定比例上升，无论是污泥的填埋、堆放还是焚烧对环境的危害都非常严重，需要采取严厉的措施以降低污泥产生量。

6 结语

城市污泥不再是某个城市或国家的环境问题，而是亟待解决的世界性问题。如何从环境经济学角度出发，寻找既不影响国家经济发展又能解决污泥产生量大、难处理问题的方案是重要研究课题。根据IGP方程，由于人口是不可控因素，减少污泥对环境影响的唯一措施是提高污泥处理处置技术。目前，将污泥用于沙地治理是对环境影响最小的处置方法，这种处置方法越来越受到各国的关注。