城市污泥不同處理處置方式的成本和效益分析-一欄.doc

5城市污泥不同處理處置方式的成本和效益分析城市污泥是污水處理的副產(chǎn)物，以含水率97%計(jì)算，體積占處理污水的0.3%0.5%1，深度處理產(chǎn)泥量還將增加50%100%。目前我國每年排放的干污泥大約1.3106 t，并以大約10%的速率在增加。北京市全區(qū)域規(guī)劃污水排放量為330104 m3/d，其中2003年市區(qū)污水排放量約為230104 m3/d2。規(guī)劃建設(shè)14座污水處理廠，2015年污水處理能力預(yù)計(jì)將超過320104 m3/d，處理率將超過90%。到2008年，北京市將新增9座中水處理廠，深度處理能力將由目前的1104 m3/d提高到47.6104 m3/d，屆時(shí)每年產(chǎn)生含水率 80% 城市污泥超過80104 m3。北京市最大的污水處理廠高碑店污水處理廠污泥外運(yùn)運(yùn)輸費(fèi)用占到全廠運(yùn)行費(fèi)用的1/33。城市污泥的大量產(chǎn)生，已引起日益嚴(yán)峻的二次污染，并成為城市污水處理行業(yè)瓶頸。污泥處理處置率低，其中非常重要的一個(gè)原因就是投資和運(yùn)行成本方面的限制。但到目前為止，還未見關(guān)于不同污泥處理處置方案的經(jīng)濟(jì)分析，導(dǎo)致不同單位和設(shè)計(jì)人員在方案的選擇上存在較大的盲目性。本文以北京為例，對(duì)幾種典型的城市污泥處理處置方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，以便為城市污泥處理處置技術(shù)的選擇提供參考依據(jù)。1 城市污泥處理處置成本估算1.1 估算方法以1 t干污泥（DS）為計(jì)算基準(zhǔn)，綜合成本運(yùn)行成本+設(shè)備折價(jià)成本。運(yùn)行成本以目前較為成熟的處理處置方式進(jìn)行估算。北京市污泥機(jī)械脫水效果通常在80%左右。各方案中的成本估算涉及或包括焚燒、運(yùn)輸、填埋等3個(gè)流程；設(shè)備折價(jià)成本取15 a使用年限，年折舊7%，社會(huì)利率10%，即年折價(jià)17%，設(shè)備年工作時(shí)數(shù)以8000 h計(jì)。因此，設(shè)備折價(jià)設(shè)備價(jià)格指數(shù)0.17/8000。1.2 估算細(xì)則（1）單位成本填埋：生活垃圾衛(wèi)生填埋的成本約6070 ￥/t，污泥填埋時(shí)按照壓實(shí)生活垃圾土污泥容重比為0.811，污泥填埋成本為4856 ￥/t，取52￥/t。干化：干燥能耗與脫水量成正比。燃?xì)饧訜嵝?5%、鍋爐熱效率70%、過程熱損失5%時(shí)，水的蒸發(fā)能耗為150 (kWh)/t，每小時(shí)去除1 t水的設(shè)備投資為180104￥4。焚燒：目前多采用流化床技術(shù)，每h焚燒1 t干化污泥的設(shè)備成本為528104￥，污泥按干質(zhì)量減量60%。焚燒的運(yùn)行費(fèi)用24￥/t，煙氣處理消耗NaOH量約為37 kg/t，折價(jià)約128￥/t 5。電價(jià)：北京市工業(yè)電價(jià)高峰期、平段區(qū)、低谷期分別為0.278、0.488、0.725￥/(kWh)。按不同補(bǔ)貼方案，將電價(jià)設(shè)定為0.30、0.60￥/(kWh)。運(yùn)費(fèi)：北京市運(yùn)輸價(jià)格在0.450.65￥/(tkm)之間，污泥為特殊固體廢物，需特殊箱式貨車運(yùn)送，價(jià)格處于高端。另外，近年運(yùn)輸價(jià)格有上漲趨勢(shì)。因此，運(yùn)費(fèi)取0.65 ￥/(tkm)。此外，干化及焚燒均按設(shè)備成本添加30%物耗人工管理費(fèi)及土建配套費(fèi)。（2）污泥含水率污泥的有機(jī)質(zhì)和水分含量較高，填埋存在一系列問題，當(dāng)前主要關(guān)心的是土力學(xué)性能，當(dāng)含水率高于68% 時(shí)需按m(土)m(污泥)0.40.6的比例混入土 6-8。含水率降低時(shí)污泥性狀存在突變，因此填埋脫水目標(biāo)設(shè)定為80%、30%。含水率是污泥焚燒處理中的一個(gè)關(guān)鍵因素。有機(jī)質(zhì)含量高、含水率低利于維持自燃，降低污泥含水率對(duì)降低污泥焚燒設(shè)備及處理費(fèi)用至關(guān)重要。一般將污泥含水率降至與揮發(fā)物含量之比小于3.5時(shí)，可形成自燃9。北京市污泥有機(jī)物含量在45% 以下，因此使污泥維持自燃焚燒的水分含量應(yīng)小于61.2%。朱南文總結(jié)了幾種國外污泥熱干燥技術(shù)，可以將污泥干燥至10%含水率10。污泥焚燒綜合成本隨干燥程度動(dòng)態(tài)變化，干化程度越高，干化能耗升高，焚燒設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用隨之下降。簡(jiǎn)化起見，本文以污泥保持熱量平衡燃燒為估算前提，不再進(jìn)行高水分下加入重油的成本估算。因此污泥焚燒的干化目標(biāo)定為：60%和10%。表1 北京市填埋場(chǎng)概況11及離污水處理廠的最近距離Table 1 Description of landfill sites and wastewater treatment plants填埋場(chǎng)填埋場(chǎng)位置處理規(guī)模/(td-1)預(yù)計(jì)關(guān)閉時(shí)間最近的污水處理廠最近直線距離/km 1)北神樹通縣次渠鄉(xiāng)9802006高碑店20安定大興區(qū)安定鄉(xiāng)7002006小紅門36六里屯海淀區(qū)永豐屯鄉(xiāng)15002017清河15高安屯朝陽區(qū)樓梓莊鄉(xiāng)10002018高碑店15阿蘇衛(wèi)昌平區(qū)小湯山鄉(xiāng)20002012清河、北小河40焦家坡門頭溝區(qū)永定鎮(zhèn)6002011盧溝橋151) 最近距離數(shù)據(jù)為作者實(shí)測(cè)綜上所述，污泥的處理處置方式計(jì)有：堆肥，分別干燥至含水80%、30% 時(shí)填埋，干燥至含水60%、10%時(shí)焚燒。1.3 填埋成本填埋成本能耗成本+運(yùn)輸成本+填埋場(chǎng)成本+設(shè)備折價(jià)成本能耗成本1/(10)1/(1e)150Pele運(yùn)輸成本0.65L /(1-e)填埋場(chǎng)成本Pf /(1-e)設(shè)備折價(jià)1/(10)1/(1e)180 0.17104/8000其中，0、e分別為處理處置始、末的含水率；Pele為電價(jià)，￥/(kWh)；L為運(yùn)輸距離，km；為土建及人工配套費(fèi)指數(shù)，1.3；為體積系數(shù)，含水率68%時(shí)在1.41.6之間，取1.5，含水率68%時(shí)取1；Pf為填埋場(chǎng)填埋價(jià)格，4060￥/t，取52￥/t。污泥填埋運(yùn)輸距離：北京市現(xiàn)有填埋場(chǎng)容量不足以滿足生活垃圾處置需求，即使規(guī)劃中的填埋場(chǎng)建成之后，富余填埋能力也很有限，污泥填埋需另外覓地新建填埋場(chǎng)。隨著城市發(fā)展及填埋場(chǎng)地質(zhì)條件要求，運(yùn)輸距離也將越來越遠(yuǎn)，參照表1，污泥填埋的運(yùn)輸距離將在40 km以上，因此在估算今后的填埋成本時(shí)，分別取50、100 km作為近期及遠(yuǎn)期填埋場(chǎng)運(yùn)輸距離。1.4 堆肥成本及收益城市污泥經(jīng)過堆肥無害化處理之后進(jìn)行土地利用，是國際上普遍采用的處理處置方式。強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥處理是泥堆肥主流技術(shù)，其處理成本與污泥初始含水率、處理規(guī)模、堆肥廠與污水處理廠之間距離以及設(shè)備原產(chǎn)地等因素相關(guān)。堆肥廠宜建在污水處理廠周圍，運(yùn)輸成本計(jì)為0，堆肥成本主要由鼓風(fēng)、烘干、篩分能耗，調(diào)理劑及設(shè)備折價(jià)成本組成。目前，堆肥產(chǎn)品的市場(chǎng)銷售價(jià)格為350500￥/t，扣除15含水率后取500￥/t DS。利用CTB堆肥自動(dòng)控制系統(tǒng)12,13進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥在河南省漯河市城市污泥堆肥廠的應(yīng)用結(jié)果表明，當(dāng)污泥含水率不高于80%時(shí)，鼓風(fēng)能耗在4060 (kWh)/t DS之間，取60 (kWh)/t DS。CTB調(diào)理劑價(jià)格為300 ￥/t，損耗率一般為5% 14。經(jīng)過1014 d堆肥，污泥干物質(zhì)減量30%，含水45%。采用熱干燥技術(shù)烘干至含水15%，脫水負(fù)荷0.45 t/t DS；調(diào)理劑在烘干前篩分后自然晾干，需篩分能耗；篩分負(fù)荷共9.3 t/t DS，篩分能力1 t/h，功率3 kW。全程能耗95 (kWh)/t DS，考慮到未知能耗，取100 (kWh)/t DS。設(shè)備折價(jià)：處理干污泥能力為 0.3104 t/a的污泥堆肥廠設(shè)備投資約700萬￥，設(shè)備折價(jià)182 ￥/t DS（含占地成本），取200￥/t DS。1.5 焚燒成本考慮到焚燒廢氣排放等問題，外運(yùn)30 km以上焚燒為佳，取30 km；焚燒按干物質(zhì)減量60%，燒余物需運(yùn)至填埋場(chǎng)填埋，運(yùn)輸距離取50 km。參考表3可知，干燥至10%焚燒成本較干燥至60%低。干燥程度越高，焚燒廠占地面積也越小，因此焚燒前以干化至10%為宜。1.6 干化農(nóng)用成本未經(jīng)穩(wěn)定化處理污泥存在施用安全危險(xiǎn)，考慮到干化的穩(wěn)定效果較差，安全性有限，不再估算。2 討論與分析2.1 處理成本和經(jīng)濟(jì)效益表2 處理處置1 t城市污泥(干質(zhì)量)所需的成本及其效益Table 2 Comparison of the estimated cost and benefit of sewage sludge treated and/or disposed by different ways填 埋干化運(yùn)輸填埋綜合成本/￥目標(biāo)能耗/￥設(shè)備折價(jià)/￥距離/km運(yùn)費(fèi)/￥填土比例費(fèi)用/￥80%005016350%390 5531)，5532)30%2091)，4182)1785046074 5071)，7162)80%0010032550%390 7151)，7152)30%2091)，41825541)，7632)焚燒干化焚 燒燒余物綜合成本/￥目標(biāo)能耗/￥設(shè)備折價(jià)/￥運(yùn)行/￥設(shè)備折價(jià)/￥NaOH/￥運(yùn)費(fèi)/￥填埋/￥60%1461)，2932) 124 60365 128 13208561)，10022) 10%2281)，4552)1932716212813207711)，9982)堆 肥能耗/￥設(shè)備折價(jià)/￥調(diào)理劑損耗/￥總成本/￥銷售/￥總效益/￥391)，782)200753141)，3532)410961)，572)1) 電價(jià)取0.30 ￥/(kWh)；2) 電價(jià)取0.60 ￥/(kWh)各種處理方式處理成本估算過程及結(jié)果如表2所示。由表2可知，污泥處理處置以堆肥方式成本最低，約300350￥/t DS；填埋方式約500760￥/t DS。焚燒方式成本最高，約8001000￥/t DS。堆肥成本低于填埋方式，顯著低于焚燒方式，隨運(yùn)輸距離增加填埋成本顯著高于堆肥成本。此外，污泥焚燒處理一次性投資大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用最高。各種處理方式中，污泥填埋沒有資源回收，效益為零；考慮到污泥熱值水平，回收焚燒熱能可能性較低，對(duì)凈效益影響不大；污泥干化可以起到脫水的效果，但穩(wěn)定化的效果有限，加之干化過程中容易產(chǎn)生爆炸和肥效緩慢等問題，不宜提倡；在產(chǎn)品銷售良好情況下，按電價(jià)不同，堆肥處理可以盈利50100￥/t DS。2.2 各種處理處置技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)現(xiàn)有的大部分填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)低、缺乏污染控制措施，存在穩(wěn)定性差等問題，導(dǎo)致散發(fā)氣體和臭味，污染地下水，不能保證填埋垃圾的安全，只是延緩污染但沒有最終消除污染。一些國家為了把上述問題降低到最小程度，制定了待處理污泥物理特性的最低標(biāo)準(zhǔn)，使污泥填埋的處理成本大大增加。例如德國要求填埋污泥干基含量不低于35%。為避免污泥中有機(jī)物分解造成的地下水污染，1992年德國發(fā)布了城市廢棄物控制和處置技術(shù)綱要，要求從2005年起，任何被填埋處理的物質(zhì)其有機(jī)物含量不超過5% 15，這意味著污泥即便是經(jīng)過干燥也不滿足填埋的要求。污泥填埋面臨填埋場(chǎng)地、公眾及法規(guī)等多重壓力，填埋成本將逐步升高，近年來國外污泥填埋處理方式比例越來越小6。是否推廣堆肥處理城市污泥，首先應(yīng)切實(shí)評(píng)估施用污泥堆肥的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。杜兵等16研究表明，同國外相比北京市某典型污水處理廠酚類、酞酸酯類、多環(huán)芳烴類均處于污染程度較低的水平。堆肥處理的持續(xù)高溫可以確保殺滅病菌，保證污泥的農(nóng)用安全。陳同斌等17對(duì)中國城市污泥的重金屬含量及其變化趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，我國城市污泥中平均含量普遍較低，金屬含量基本未超過農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)18，且呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。近年相關(guān)研究也證明：科學(xué)合理地進(jìn)行城市污泥農(nóng)用不會(huì)造成土壤和農(nóng)產(chǎn)品的重金屬污染問題19。我國城市污泥的土地利用重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)并不像人們想象的那樣嚴(yán)重。焚燒減量最為顯著，含水80%的污泥焚燒后減容率超過90%。然而，污泥含有多種有機(jī)物，焚燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有害物質(zhì)，如二噁英、二氧化硫、鹽酸等，受國內(nèi)焚燒技術(shù)的限制，二噁英污染問題尚未很好解決，重金屬煙霧與燃燒灰燼也可能造成二次污染。此外，焚燒浪費(fèi)了污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)。對(duì)比三種處理處置方式，污泥焚燒占地面積最小，但綜合成本最高，設(shè)備維護(hù)要求高，環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)較大，這些不利之處都限制了污泥焚燒技術(shù)的廣泛應(yīng)用。綜上所述，堆肥處理實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用，科學(xué)合理施用下可以保證衛(wèi)生安全及重金屬安全，同時(shí)較為經(jīng)濟(jì)可行，是污泥處理處置技術(shù)的主要發(fā)展方向。但是，從市場(chǎng)銷售的角度來看，污泥堆肥產(chǎn)品的銷售渠道有待改善。各種處理方式優(yōu)缺點(diǎn)概括于表3（下頁）。2.3 電價(jià)影響及政府補(bǔ)貼電價(jià)影響到污泥處理處置成本。電價(jià)從0.60￥/(kWh)降低到0.30 ￥/(kWh)，各種處理方式的綜合成本分別降低40230 ￥/t DS。如電價(jià)取至用電低谷期電價(jià)或者更低，成本可以進(jìn)一步降低。表3 各種處理處置技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 3 Comparison of landfill, composting and incineration for sewage sludge處理處置方式收支平衡/(￥t-1) 1)技術(shù)難度場(chǎng)地要求能否資源化無害化程度填埋-507 -763簡(jiǎn)單大不能延緩污染, 沒有最終消除污染風(fēng)險(xiǎn)堆肥5796較簡(jiǎn)單較小能重金屬低于農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可以達(dá)到無害化要求焚燒-771 -1000技術(shù)設(shè)備要求高小不能尾氣可能帶來二次污染1) 運(yùn)輸距離100 km、電價(jià)0.60 ￥/(kwh)時(shí), 以80%含水率填埋成本略低于30%含水率填埋, 但其占地為后者5.25倍, 綜合考慮采取30%填埋污泥含水80%及60%下填埋占地分別為30%下填埋的5.25倍、1.75倍。政府通過補(bǔ)貼如降低電價(jià)等調(diào)控手段，將污水處理投入合理分配到其中的污泥處理單元，可以降低污泥處理單元的焚燒成本、填埋占地，降低堆肥成本。政府補(bǔ)貼可以發(fā)揮經(jīng)濟(jì)杠桿作用，調(diào)控污泥處理行業(yè)投入產(chǎn)出狀況，有利于污泥處理處