污泥處置|基于GI理念的城鎮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是綠色基礎設施（green infrastructure）的縮寫，最早由美國自然保護基金（Conservation Fund）和美國農業部（USDA）森林服務部門提出的，旨在促使GI成為區域和城市規劃的組成部分，以有效保護當地的自然生態系統[1]。近些年，GI在發達國家被廣泛地應用于生物多樣性保護、區域和城市規劃當中，其涵義也因用途不同而異，例如加拿大的GI概念是指基礎設施工程的生態化，主要是以生態化手段來改造或代替道路工程、排水、能源、洪澇災害治理以及廢物處理系統等問題。

圖1.1GI典型結構示意圖

　　根據《加拿大城市綠色基礎設施導則》，GI應具備以下10個特征：

　　（1）分布式Distributed

　　（2）集群式Clustered

　　（3）相互關聯的Interconnected

　　（4）一體化的Integrated

　　（5）以服務為導向Service Orientation

　　（6）反應靈敏Responsive

　　（7）可再生的、低負面影響的Renewable,Low-impact

　　（8）與使用要求相適應的Appropriate(or Well-Matched)

　　（9）多用途的Multi-Purpose

　　（10）能改變的Adaptable

　　2.污泥土地利用技術路線與所面臨的風險

　　城鎮發展對于土地需求加大，人為活動與生態保護矛盾日益突出。從可持續發展的角度來看，生態保護與城鎮發展兩者的協調成為其中關鍵，即如何合理地規劃城鎮用地的擴張和有效地保護生態系統的安全。

　　中國目前所面臨的城鎮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，全國城鎮污水處理廠投入運行已超過3000座，脫水污泥年產量也達到3000萬噸，“十二五”還將完成約3000城鎮污水處理廠的建設，屆時我們將面臨更加嚴峻的污泥問題。

　　根據發達國家發展經驗，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環境和自身安全的擔心，其原因并非對于泥質標準本身的不信任，更多的是對于技術推廣使用后標準執行程度的不信任。

　　能否在規劃設計中引入GI理念，通過辨識區域生態格局中重要的生態樞紐及其連接廊道，為解決上述問題提供精明保護（smart conservation）和增長（smart growth）策略，為城鎮可持續發展留下空間，成為一個現實而有意義課題。

　　2.1污泥土地利用技術路線

　　根據《城鎮污水處理廠污泥處理處置技術指南（試行）》（住建部、國家發改委，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共5條技術路線：

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

　　（2）脫水→厭氧消化→脫水→自然干化（或好氧發酵）→土地利用（用于改良土壤、園林綠化、限制性農用）；

　　（3）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、限制性農用）。

　　（4）脫水→高溫好氧發酵→土地利用（用于土壤改良、園林綠化、限制性農用）；

　　（5）脫水→高溫好氧發酵→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質及氮磷等營養元素，對于長期施用化肥造成我國土壤有機質匱乏的現狀，蘊藏巨大利用價值；但與此同時污泥土地利用所面臨的風險也引起業內的廣泛爭論。

　　2.2污泥土地利用面臨的風險

　　污泥土地利用所面臨的技術風險主要包括重金屬、持續性有機污染物（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營風險。

　　（1）重金屬

　　重金屬規范分布在空氣、泥土，甚至飲用水中，甚至一些些護膚品的原料也包含重金屬物質。目前我國制定的泥質標準中重金屬指標較發達國家更為嚴格，以GB/T23486-2009《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》與美國EPA40CFRPart503重金屬濃度指標對比為例，詳見下表。

　　表2.1 美國和中國泥質重金屬濃度標準對比

　　因此，符合標準的污泥按照一定方法施用到土壤中應該講是安全的。

　　（2）持續性有機污染物（POPs）

　　一些生產部門排放的污水中含有一定的有機污染物，如聚氯二酚、多環芳烴以及農藥的殘留物。這些物質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生的危害。我國1984年頒布的《農用污泥中污染物控制標準》（GB4284-84）增加了礦物油、苯并(a)芘、可吸附有機鹵化物AOX的限值，《城鎮污水廠污染物排放標準》(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、可吸附性有機鹵素(AOX)、多氯聯苯(PCB)等的濃度限值。土地利用的污泥應符合上述標準限制。

　　（3）經營風險

　　污泥土地利用前穩定化處理一般采用高溫好氧發酵方法，但城鎮污泥含水率高、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，一般采用農業廢棄物如秸稈、稻殼等。但這類物質季節性特征明顯，收集儲運環節都存在價格風險，影響運行成本的穩定。

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

　　3.污泥土地利用解決方案

　　3.1區域的規劃

　　基于GI基礎上的污泥處理系統應分為四部分：

　　（1）污泥處理廠

　　污泥處理廠是污泥處理系統的樞紐，承擔著對污泥進行無害化、穩定化處理的與污水處理廠的對應關系可以是一對一（分散處理），也可以是一對多（集中處理），好氧發酵所需的原料來源于土地利用管理區，發酵產物根據檢測指標去往土地利用管理區、土地利用監測區、穩定化填埋場。

（2）土地利用管理區

　　土地利用管理區是污泥處理系統重要基礎，區域范圍可以涵蓋污泥處理廠和穩定化填埋場，可以選擇城鎮周邊鹽漬化土地、沙荒地、貧瘠土地，面積與污泥處理廠發酵產物消納相匹配。管理區與污泥處理廠統一管理，采用農場化經營；種植作物種類應充分考慮好氧發酵原料用量；管理區與污泥處理廠異地時，應充分考慮運距。

　　土地利用管理區種植區域均應預留比對區域，并建立植物與土壤動態監測管理制度，定期對環境影響進行專業評估。

　　（3）穩定化填埋場

　　穩定化填埋場是污泥處理系統的必要應急設施，主要接納超標污泥法發酵產物，可以是土地利用管理區的一部分，與傳統垃圾填埋場不同，填埋過程同時進行持續性植物修復，不產生沼氣和滲瀝液。

　　（4）土地利用監測區

　　土地利用監測區是土地利用管理區的延伸，但不屬于統一管轄范圍，對于優于土地利用標準并且符合相關肥料標準的污泥發酵產物，可以在土地利用監測區施用，監測管理方法可參考土地利用管理區。

圖3.1典型污泥集中處理處置GI結構示意圖

圖3.2典型污泥分散處理集中處置GI結構示意圖

　　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可以根據實際情況靈活復制；每一個污泥處理處置系統又是由承擔各自功能的組成部分組成的一個有機的整體，因此是分布式的、集群式的，也是相互連接的。

　　3.2.2GI與外部及自然的關系

　　好氧發酵過程原料來源與產物資源化消納問題徹底解決，環境影響被有效穩定控制在土地利用管理區范圍內，可以認為這是一個一體化的、可再生的過程。

　　3.2.3GI服務功能特性方面

　　與傳統污泥處理廠相比，土地利用管理區和穩定化填埋場的設置充分體現了以服務為導向的、與使用要求相適應的GI特征。

　　3.2.4GI本身靈活性方面

　　污泥處理處置系統可以根據實際情況通過原料配比調節產能和能耗水平，并且可以接納園林綠化廢棄物、畜禽糞便、餐廚垃圾、分選后的有機垃圾，對于高有機質含量、低含砂量的有機廢棄物，還可以考慮前端設置厭氧消化系統，體現了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，為解決城區唯一的污水處理廠脫水污泥問題，擬建設200t/d集中污泥處理處置系統，采用好氧發酵工藝與土地利用相結合處理處置方式。

　　4.1重金屬銷納容量對應土地利用管理區測算

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

　　表4.1

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

　　4.2土地利用管理區原料產量測算

　　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。

　　對應種植作物/植物面積計算如下表。

　　表4.2

　　與4.1計算結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，滿足原料需求。

　　最終設置土地利用管理區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，管理區內定期輪種Hg、Zn超富積植物進行持續性植物修復。

　　5.結語

　　上述土地利用模式具有如下優勢：

　　（1）形成完整的產業鏈，打通制約污泥土地利用原料和成品出路問題瓶頸。

　　（2）采用全封閉機械化堆肥系統，有效控制處理過程中對周圍環境的污染。

　　（3）通過土地利用管理區類農場化經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：

　　（1）土地利用標準應完善，分級進一步細化，在充分考慮風險防范的基礎上，通過建立污泥處理設施一體的管理區提高可控制性和可操作性。

　　（2）土地利用管理區作物產品納入政府采購。

　　（3）在管理區運行正常的前提下，逐步延伸擴大土地利用監測區范圍。

　　（4）建立污泥土壤修復基金。

　　（5）發展土壤重金屬污染植物修復技術。

　　參考文獻

　　[1]吳偉付,喜娥綠.綠色基礎設施概念及其研究進展綜述[J].國際城市規劃,2009, 24 (5 ):67~71.

　　[2]汪自書,呂春英,林瑾,李王鋒,季海波.基于綠色基礎設施(GI)的生態安全格局構建方法與實例[A].城市規劃和科學發展——2009中國城市規劃年會論文集[C],2009年.

　　[3]沈清基.《加拿大城市綠色基礎設施導則》評介及討論[J].城市規劃學刊,2005, 159 (5):98~103.

　　[4]王濤,簡映.中國污泥堆肥產業發展模式的探討[J].中國環保產業.2008(11):37~40

　　[5]王濤.城市污泥堆肥施用及重金屬問題探討[J].上海環境科學;2009(1):47~50

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