污泥處置|基于GI理念的城鎮(zhèn)污泥土地利用解決方案

2020-07-10 返回列表

　1.GI的概念與特征

　　GI是綠色基礎(chǔ)設(shè)施（green infrastructure）的縮寫，最早由美國自然保護(hù)基金（Conservation Fund）和美國農(nóng)業(yè)部（USDA）森林服務(wù)部門提出的，旨在促使GI成為區(qū)域和城市規(guī)劃的組成部分，以有效保護(hù)當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)[1]。近些年，GI在發(fā)達(dá)國家被廣泛地應(yīng)用于生物多樣性保護(hù)、區(qū)域和城市規(guī)劃當(dāng)中，其涵義也因用途不同而異，例如加拿大的GI概念是指基礎(chǔ)設(shè)施工程的生態(tài)化，主要是以生態(tài)化手段來改造或代替道路工程、排水、能源、洪澇災(zāi)害治理以及廢物處理系統(tǒng)等問題。

圖1.1GI典型結(jié)構(gòu)示意圖

　　根據(jù)《加拿大城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施導(dǎo)則》，GI應(yīng)具備以下10個特征：

　　（1）分布式Distributed

　?。?）集群式Clustered

　?。?）相互關(guān)聯(lián)的Interconnected

　?。?）一體化的Integrated

　?。?）以服務(wù)為導(dǎo)向Service Orientation

　　（6）反應(yīng)靈敏Responsive

　?。?）可再生的、低負(fù)面影響的Renewable,Low-impact

　?。?）與使用要求相適應(yīng)的Appropriate(or Well-Matched)

　?。?）多用途的Multi-Purpose

　　（10）能改變的Adaptable

　　2.污泥土地利用技術(shù)路線與所面臨的風(fēng)險

　　城鎮(zhèn)發(fā)展對于土地需求加大，人為活動與生態(tài)保護(hù)矛盾日益突出。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，生態(tài)保護(hù)與城鎮(zhèn)發(fā)展兩者的協(xié)調(diào)成為其中關(guān)鍵，即如何合理地規(guī)劃城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張和有效地保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的安全。

　　中國目前所面臨的城鎮(zhèn)污水處理廠脫水污泥處理與處置問題，就直接并突出地反映了上述矛盾。截至2011年，全國城鎮(zhèn)污水處理廠投入運行已超過3000座，脫水污泥年產(chǎn)量也達(dá)到3000萬噸，“十二五”還將完成約3000城鎮(zhèn)污水處理廠的建設(shè)，屆時我們將面臨更加嚴(yán)峻的污泥問題。

　　根據(jù)發(fā)達(dá)國家發(fā)展經(jīng)驗，土地利用是解決污泥問題最為有效的途徑之一，但是在中國無法消除人們對生態(tài)環(huán)境和自身安全的擔(dān)心，其原因并非對于泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)本身的不信任，更多的是對于技術(shù)推廣使用后標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行程度的不信任。

　　能否在規(guī)劃設(shè)計中引入GI理念，通過辨識區(qū)域生態(tài)格局中重要的生態(tài)樞紐及其連接廊道，為解決上述問題提供精明保護(hù)（smart conservation）和增長（smart growth）策略，為城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展留下空間，成為一個現(xiàn)實而有意義課題。

　　2.1污泥土地利用技術(shù)路線

　　根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南（試行）》（住建部、國家發(fā)改委，2011年3月），符合土地利用處置形式要求的處理方法主要包括厭氧消化和好氧堆肥兩類技術(shù)共5條技術(shù)路線：

　　（1）厭氧消化→脫水→自然干化（或好氧發(fā)酵）→土地利用（用于改良土壤、園林綠化、限制性農(nóng)用）；

　?。?）脫水→厭氧消化→脫水→自然干化（或好氧發(fā)酵）→土地利用（用于改良土壤、園林綠化、限制性農(nóng)用）；

　?。?）厭氧消化（或脫水后厭氧消化）→罐車運輸→直接注入土壤（改良土壤、限制性農(nóng)用）。

　?。?）脫水→高溫好氧發(fā)酵→土地利用（用于土壤改良、園林綠化、限制性農(nóng)用）；

　　（5）脫水→高溫好氧發(fā)酵→園林綠化等分散施用。

　　土地利用是基于污泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)及氮磷等營養(yǎng)元素，對于長期施用化肥造成我國土壤有機(jī)質(zhì)匱乏的現(xiàn)狀，蘊藏巨大利用價值；但與此同時污泥土地利用所面臨的風(fēng)險也引起業(yè)內(nèi)的廣泛爭論。

　　2.2污泥土地利用面臨的風(fēng)險

　　污泥土地利用所面臨的技術(shù)風(fēng)險主要包括重金屬、持續(xù)性有機(jī)污染物（POPs）等問題，此外上游原料來源、下游銷納渠道也會為項目的運營帶來經(jīng)營風(fēng)險。

　?。?）重金屬

　　重金屬規(guī)范分布在空氣、泥土，甚至飲用水中，甚至一些些護(hù)膚品的原料也包含重金屬物質(zhì)。目前我國制定的泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中重金屬指標(biāo)較發(fā)達(dá)國家更為嚴(yán)格，以GB/T23486-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》與美國EPA40CFRPart503重金屬濃度指標(biāo)對比為例，詳見下表。

　　表2.1 美國和中國泥質(zhì)重金屬濃度標(biāo)準(zhǔn)對比

　　因此，符合標(biāo)準(zhǔn)的污泥按照一定方法施用到土壤中應(yīng)該講是安全的。

　?。?）持續(xù)性有機(jī)污染物（POPs）

　　一些生產(chǎn)部門排放的污水中含有一定的有機(jī)污染物，如聚氯二酚、多環(huán)芳烴以及農(nóng)藥的殘留物。這些物質(zhì)在污水和污泥的處理過程中會得到一定程度的降解，但一般難以完全去除，在污泥的使用時還需考慮其可能產(chǎn)生的危害。我國1984年頒布的《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB4284-84）增加了礦物油、苯并(a)芘、可吸附有機(jī)鹵化物AOX的限值，《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中增加了石油類、對多氯代二苯并二惡英/多氯代二苯并呋喃、可吸附性有機(jī)鹵素(AOX)、多氯聯(lián)苯(PCB)等的濃度限值。土地利用的污泥應(yīng)符合上述標(biāo)準(zhǔn)限制。

　　（3）經(jīng)營風(fēng)險

　　污泥土地利用前穩(wěn)定化處理一般采用高溫好氧發(fā)酵方法，但城鎮(zhèn)污泥含水率高、粘度大、C/N較低，需要添加高C/N、高含固率的物料作為原料，一般采用農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈、稻殼等。但這類物質(zhì)季節(jié)性特征明顯，收集儲運環(huán)節(jié)都存在價格風(fēng)險，影響運行成本的穩(wěn)定。

　　此外發(fā)酵成品出路除上述兩點影響外，還存在使用上的“經(jīng)濟(jì)半徑”，作為有機(jī)肥使用，一般超過50km將不具備競爭力，作為營養(yǎng)土或土壤改良劑使用則“經(jīng)濟(jì)半徑”更小。如果超出范圍使用發(fā)酵成品，則必需予以補貼，否則經(jīng)濟(jì)上不可行。

　　3.污泥土地利用解決方案

　　3.1區(qū)域的規(guī)劃

　　基于GI基礎(chǔ)上的污泥處理系統(tǒng)應(yīng)分為四部分：

　?。?）污泥處理廠

　　污泥處理廠是污泥處理系統(tǒng)的樞紐，承擔(dān)著對污泥進(jìn)行無害化、穩(wěn)定化處理的與污水處理廠的對應(yīng)關(guān)系可以是一對一（分散處理），也可以是一對多（集中處理），好氧發(fā)酵所需的原料來源于土地利用管理區(qū)，發(fā)酵產(chǎn)物根據(jù)檢測指標(biāo)去往土地利用管理區(qū)、土地利用監(jiān)測區(qū)、穩(wěn)定化填埋場。

（2）土地利用管理區(qū)

　　土地利用管理區(qū)是污泥處理系統(tǒng)重要基礎(chǔ)，區(qū)域范圍可以涵蓋污泥處理廠和穩(wěn)定化填埋場，可以選擇城鎮(zhèn)周邊鹽漬化土地、沙荒地、貧瘠土地，面積與污泥處理廠發(fā)酵產(chǎn)物消納相匹配。管理區(qū)與污泥處理廠統(tǒng)一管理，采用農(nóng)場化經(jīng)營；種植作物種類應(yīng)充分考慮好氧發(fā)酵原料用量；管理區(qū)與污泥處理廠異地時，應(yīng)充分考慮運距。

　　土地利用管理區(qū)種植區(qū)域均應(yīng)預(yù)留比對區(qū)域，并建立植物與土壤動態(tài)監(jiān)測管理制度，定期對環(huán)境影響進(jìn)行專業(yè)評估。

　　（3）穩(wěn)定化填埋場

　　穩(wěn)定化填埋場是污泥處理系統(tǒng)的必要應(yīng)急設(shè)施，主要接納超標(biāo)污泥法發(fā)酵產(chǎn)物，可以是土地利用管理區(qū)的一部分，與傳統(tǒng)垃圾填埋場不同，填埋過程同時進(jìn)行持續(xù)性植物修復(fù)，不產(chǎn)生沼氣和滲瀝液。

　?。?）土地利用監(jiān)測區(qū)

　　土地利用監(jiān)測區(qū)是土地利用管理區(qū)的延伸，但不屬于統(tǒng)一管轄范圍，對于優(yōu)于土地利用標(biāo)準(zhǔn)并且符合相關(guān)肥料標(biāo)準(zhǔn)的污泥發(fā)酵產(chǎn)物，可以在土地利用監(jiān)測區(qū)施用，監(jiān)測管理方法可參考土地利用管理區(qū)。

圖3.1典型污泥集中處理處置GI結(jié)構(gòu)示意圖

圖3.2典型污泥分散處理集中處置GI結(jié)構(gòu)示意圖

　　3.2GI特征分析

　　3.2.1GI布局及布置方面

　　上述污泥處理處置系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況靈活復(fù)制；每一個污泥處理處置系統(tǒng)又是由承擔(dān)各自功能的組成部分組成的一個有機(jī)的整體，因此是分布式的、集群式的，也是相互連接的。

　　3.2.2GI與外部及自然的關(guān)系

　　好氧發(fā)酵過程原料來源與產(chǎn)物資源化消納問題徹底解決，環(huán)境影響被有效穩(wěn)定控制在土地利用管理區(qū)范圍內(nèi)，可以認(rèn)為這是一個一體化的、可再生的過程。

　　3.2.3GI服務(wù)功能特性方面

　　與傳統(tǒng)污泥處理廠相比，土地利用管理區(qū)和穩(wěn)定化填埋場的設(shè)置充分體現(xiàn)了以服務(wù)為導(dǎo)向的、與使用要求相適應(yīng)的GI特征。

　　3.2.4GI本身靈活性方面

　　污泥處理處置系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況通過原料配比調(diào)節(jié)產(chǎn)能和能耗水平，并且可以接納園林綠化廢棄物、畜禽糞便、餐廚垃圾、分選后的有機(jī)垃圾，對于高有機(jī)質(zhì)含量、低含砂量的有機(jī)廢棄物，還可以考慮前端設(shè)置厭氧消化系統(tǒng)，體現(xiàn)了GI靈敏的、多用途的、能改變的特征。

　　4.案例

　　某市為北方城市，土壤類型屬于堿性土壤，為解決城區(qū)唯一的污水處理廠脫水污泥問題，擬建設(shè)200t/d集中污泥處理處置系統(tǒng)，采用好氧發(fā)酵工藝與土地利用相結(jié)合處理處置方式。

　　4.1重金屬銷納容量對應(yīng)土地利用管理區(qū)測算

　　計算表如下，其中第（3）欄參考EPA 40CFR Part503.13表4。

　　表4.1

　　根據(jù)第（4）欄計算結(jié)果對應(yīng)污泥銷納量最小值為149t/ha/y，按照365d/y，200t/d污泥產(chǎn)量計算，需要銷納土地面積490ha，銷納重點監(jiān)測元素確定為Hg和Zn。

　　4.2土地利用管理區(qū)原料產(chǎn)量測算

　　200t/d污泥處理廠，按照5%的添加比例計算，日原料用量約為10t，年原料用量約為3500t。

　　對應(yīng)種植作物/植物面積計算如下表。

　　表4.2

　　與4.1計算結(jié)果比照可以看出小麥、棉花、玉米、桉樹均可在種植選擇范圍內(nèi)，滿足原料需求。

　　最終設(shè)置土地利用管理區(qū)1處，占地面積500公頃，種植棉花、玉米等作物，污泥處理廠及填埋場周圍種植桉樹等，管理區(qū)內(nèi)定期輪種Hg、Zn超富積植物進(jìn)行持續(xù)性植物修復(fù)。

　　5.結(jié)語

　　上述土地利用模式具有如下優(yōu)勢：

　?。?）形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，打通制約污泥土地利用原料和成品出路問題瓶頸。

　?。?）采用全封閉機(jī)械化堆肥系統(tǒng)，有效控制處理過程中對周圍環(huán)境的污染。

　?。?）通過土地利用管理區(qū)類農(nóng)場化經(jīng)營和種植作物的選配（如種植桉樹、棉花、玉米等，搭配超富積性植物），有效控制重金屬等殘留污染物影響，實現(xiàn)污泥的安全化資源綜合利用。

　　此外，在上述模式推廣同時提出如下建議：

　?。?）土地利用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)完善，分級進(jìn)一步細(xì)化，在充分考慮風(fēng)險防范的基礎(chǔ)上，通過建立污泥處理設(shè)施一體的管理區(qū)提高可控制性和可操作性。

　　（2）土地利用管理區(qū)作物產(chǎn)品納入政府采購。

　?。?）在管理區(qū)運行正常的前提下，逐步延伸擴(kuò)大土地利用監(jiān)測區(qū)范圍。

　?。?）建立污泥土壤修復(fù)基金。

　?。?）發(fā)展土壤重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)。

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