——以北京為例。
張、、陳*、鄭國地、
中國科學院地理科學與資源研究所環境修復中心，北京100101。
以北京市為例，估算了不同電價和運輸距離下城市汙泥填埋、焚燒和堆肥處理處置的成本。在此基礎上，探討了各種處理處置方案的前景，展望了北京汙泥處理處置的出路。汙泥填埋在壹定時期內仍將是主要的處理處置方式，但其比重將逐漸下降；堆肥是壹種經濟可行的處理處置方法，適合推廣。隨著經濟實力和技術水平的提高，焚燒法可以應用於個別特殊場所。同時，分析了政府補貼對汙泥處理處置效益的影響。
關鍵詞:城市汙泥；處置成本；填埋；焚燒；堆肥
中國圖書館分類號:X703文獻識別號:A文號:1672-2175(2006)02-0234-05
城市汙泥是汙水處理的副產品，按含水率97%計，占處理汙水的0.3%~0.5%[1]，深度處理的汙泥產量將增加50%~100%。目前我國幹汙泥年排放量約為1.3×106 t，並以約10%的速度遞增。
北京市規劃汙水排放總量為330×104 m3/d，其中2003年城市汙水排放量約為230×104 m3/d[2]。計劃建設14座汙水處理廠。2015年汙水處理能力預計超過320×104 m3/d，處理率超過90%。到2008年，北京將新建9座中國水處理廠，深度處理能力將從目前的1×104 m3/d提高到47.6×104 m3/d，每年將產生含水率為80%的城市汙泥。北京最大的汙水處理廠高碑店汙水處理廠的汙泥運輸費用占全廠運行費用的1/3。
城市汙泥的大量產生造成了日益嚴重的二次汙染，成為城市汙水處理行業的瓶頸。汙泥處理處置率低的壹個重要原因是投資和運行費用的限制。但到目前為止，還沒有對不同的汙泥處理處置方案進行經濟分析，導致不同單位和設計人員在方案選擇上有很大的盲目性。以北京市為例，對幾種典型的城市汙泥處理處置方法進行經濟分析，為城市汙泥處理處置技術的選擇提供參考。
1城市汙泥處理處置成本估算
1.1估算方法
以1 t幹汙泥(DS)計，綜合成本=運行成本+設備貼現成本。運行費用按目前成熟的處理處置方法估算。
北京的汙泥機械脫水效果通常在80%左右。每個方案中的成本估算涉及或包括三個過程:焚燒、運輸和填埋。設備的折現成本為15 a使用年限，年折舊率為7%，社會利率為10%，即年折現率為17%，設備年工作時間為8000 h..因此，裝備折扣=裝備價格×指數×0.17/8000。
1.2估算規則
(1)單位成本
填埋:生活垃圾衛生填埋費用約為60 ~ 70元/t，壓實生活垃圾:土壤:汙泥的容重比為0.8: 1: 1，汙泥填埋費用為48 ~ 56元/t，故取52元/t。
幹燥:幹燥能耗與脫水成正比。當燃氣熱效率為85%，鍋爐熱效率為70%，過程熱損失為5%時，水的蒸發能耗為150 (kW？H)/t，每小時去除1 t水的設備投資為180× 104元[4]。
焚燒:目前多采用流化床技術，每小時焚燒1 t幹汙泥的設備費用為528× 104元，汙泥按幹質量減量60%。焚燒運行費用為24￥元/t人民幣/t，煙氣處理NaOH消耗約為37 kg/t，折後約為128元/t [5]。
電價:北京市工業電價0.278、0.488、0.725元/(kW？h).根據不同的補貼方案，電價設定為0.30和0.60人民幣/(kW？h).
運費:北京運輸價格0.45 ~ 0.65人民幣/(t？Km)，汙泥是壹種特殊的固體廢棄物，需要專門的箱式貨車運輸，價格處於高端。此外，運輸價格近年來有上升趨勢。所以運費是0.65人民幣/(t？公裏).
此外，對於幹燥和焚燒，根據設備成本增加30%的材料消耗、人工管理費和土建配套費。
(2)汙泥的含水量
汙泥有機質和水分含量高，填埋存在壹系列問題。目前，主要關註的是土壤的力學性質。當含水量高於68%時，應按照m(土壤):m(汙泥)= 0.4 ~ 0.6 [6-8]的比例與土壤混合。當含水量降低時，汙泥性質會發生突然變化，因此填埋脫水目標設定為80%和30%。
含水率是汙泥焚燒處理的關鍵因素。高有機質含量和低含水率有利於維持自燃，降低汙泥含水率對降低汙泥焚燒設備和處理成本非常重要。壹般汙泥含水率與揮發份含量之比小於3.5就可以形成自燃[9]。北京汙泥有機質含量在45%以下，所以維持自燃的汙泥含水率應小於61.2%。朱南文總結了國外幾種汙泥熱幹化技術，可以將汙泥幹化到10%含水率[10]。汙泥焚燒的綜合成本隨幹化程度動態變化。幹燥程度越高，幹燥能耗越高，焚燒設備和運行費用越低。為簡單起見，本文在維持汙泥熱平衡燃燒的前提下，不估算高含水率下添加重油的成本。因此，汙泥焚燒的幹燥目標為60%和10%。
表1北京市垃圾填埋場概況[11]與汙水處理廠最近距離。
表1填埋場和廢水處理廠描述
填埋場處置規模/(t？D-1)與預計關閉時間最近的汙水處理廠的最近直線距離/km 1)
北神樹通縣次渠鄉980 2006高碑店20
大興區安定鄉安定路700號2006小紅門36號
海澱區六裏屯永豐屯鄉1500 2017清河15
高安屯朝陽區樓子莊鎮1000 2018高碑店15
昌平區小湯山鄉阿蘇衛2000 2012清河和北小河40
門頭溝區永定鎮焦家坡600 2011盧溝橋15
1)最近距離數據是作者實測的。
綜上所述，汙泥的處理處置方法包括:堆肥，含水率分別為80%和30%時填埋，幹燥至含水率分別為80%和30%。
在60%和10%時焚化。
1.3填埋成本
填埋成本=能耗成本+運輸成本+填埋成本+設備折扣成本
能耗成本=[1/(1-η0)-1/(1-ηe)]×150×α×Pele。
運輸成本= 0.65× L/(1-η e)
填埋成本= β pf/(1-η e)
裝備折扣=[1/(1-η0)-1/(1-ηe)]×180×α×0.17×104/8000。
其中，η0和ηe分別為處理開始和結束時的含水量；Pele為電價，￥/(kW？h)；l為運輸距離，km；α指土建和人工的配套費用指數，1.3；β為體積系數，含水率≥68%時在1.4 ~ 1.6之間，含水率< 68%時為1.5；Pf為填埋價格，40 ~ 60元/噸，取52元/噸。
汙泥填埋場的運輸距離:北京現有填埋場的容量不足以滿足生活垃圾處理的需求。即使規劃的填埋場建成後，剩余的填埋容量也是有限的，需要另找地方新建填埋場進行汙泥填埋。隨著城市的發展和對填埋場地質條件的要求，運輸距離會越來越遠。參考表1，汙泥
填埋運輸距離將超過40公裏，因此在估算未來填埋成本時，短期和長期填埋運輸距離分別取50公裏和100公裏。
1.4堆肥成本和效益
城市汙泥無害化堆肥後用於土地是國際上普遍采用的處置方式。強制通風靜態堆積堆肥是汙泥堆肥的主流技術，其處理成本與汙泥初始含水率、處理規模、堆肥廠與汙水處理廠的距離以及設備來源有關。堆肥廠要建在汙水處理廠周圍，運輸成本為零。堆肥成本主要由鼓風、幹燥和篩分的能耗以及調質器和設備的貼現成本構成。目前堆肥產品市場售價350 ~ 500元/t，扣除水分15%後取500元/t ds。
CTB堆肥自動控制系統[12，13]在河南漯河強制通風靜態堆積堆肥中的應用表明，當汙泥含水率不高於80%時，鼓風能耗為40～60(kW？H)/t DS，取60 (kW？h)/t DS .CTB護發素價格300元/t，損耗率壹般5% [14]。經過10~14 d堆肥後，汙泥幹物質下降30%，含水率為45%。采用熱幹燥技術幹燥至含水量為15%，脫水負荷為0.45t/t DS；；護發素在幹燥前經過篩選後自然幹燥，需要能耗進行篩選；篩分負荷為9.3 t/t DS，篩分能力為1 t/h，功率為3 kW。總能耗為95 (kW？H)/t DS，考慮到未知能耗，取100 (kW？h)/t DS .
設備折扣:幹汙泥處理能力為0.3×104 t/a的汙泥堆肥廠設備投資約700萬元，設備折扣為182元/t ds(含占地費用)，即200元/t ds。
1.5焚燒費用
考慮焚燒廢氣排放等問題，最好在境外30公裏以上焚燒，取30公裏；焚燒按幹物質減少60%，焚燒後的殘渣需要運到填埋場，運距50公裏。根據表3，幹燥至10%的焚燒成本低於幹燥至60%的焚燒成本。幹燥度越高，焚燒廠面積越小，焚燒前幹燥至10%為宜。
1.6烘幹農業成本
未穩定化的汙泥存在應用安全風險，由於穩定化效果差，幹燥安全性有限，故不做估算。
2討論和分析
2.1處理成本和經濟效益
表2處理和處置1 t城市汙泥的成本和效益(幹重)
表2不同方式處理和/或處置汙水汙泥的成本和效益比較
填充和掩埋
幹運輸和填埋的綜合費用/元
目標能耗/設備折扣/距離/公裏運費/填土比例成本//
80% 0 0 50 163 50% 390 5531),5532)
30% 2091),4182) 178 50 46 0 74 5071),7162)
80% 0 0 100 325 50% 390 7151),7152)
30% 2091),4182) 178 100 93 0 74 5541),7632)
被點燃
烘幹、焚燒和焚燒殘渣綜合成本/元
目標能耗/設備折扣/運行/設備折扣/氫氧化鈉/運費/填埋/。
60% 1461),2932) 124 60 365 128 13 20 8561),10022)
10% 2281),4552) 193 27 162 128 13 20 7711),9982)
堆肥肥料
能耗/設備折扣/空調損耗/總成本/銷售額/總收益/。
391),782) 200 75 3141),3532) 410 961),572)
1)電價0.30元/(kW？h)；2)電價0.60人民幣/(kW？h)
各種處理方法的成本估算過程和結果見表2。從表2可以看出，汙泥處理和處置的成本是堆肥。
最低，約300 ~ 350人民幣/t ds；填埋法約500 ~ 760元/t ds。焚燒費用最高，約800 ~ 1000元/t ds。堆肥的成本低於填埋和焚燒，隨著運輸距離的增加，填埋的成本顯著高於堆肥。此外，汙泥焚燒壹次性投資大，運行維護費用最高。
在各種處理方法中，汙泥填埋沒有資源回收，效益為零；考慮到汙泥的熱值水平，回收焚燒熱能的可能性較低，對凈效益影響不大；汙泥幹化可以起到脫水的效果，但是穩定化的效果有限。另外幹燥過程容易爆炸，肥效慢，不提倡。在產品銷售良好的情況下，根據電價不同，堆肥可獲利50 ~ 100元/t ds。
2.2各種處理和處置技術的優缺點
現有的大多數垃圾填埋場設計和建設標準低，缺乏汙染控制措施，穩定性差，導致氣體和氣味的排放，地下水的汙染，無法確保填埋場垃圾的安全，只能延緩汙染而不能最終消除汙染。為了盡量減少上述問題，壹些國家制定了待處理汙泥物理性質的最低標準，大大增加了汙泥填埋的處理成本。例如，德國要求填埋淤泥的幹基含量不低於35%。為了避免汙泥中有機物分解造成地下水汙染，德國在1992頒布了《城市垃圾控制與處置技術大綱》，從2005年開始要求任何待填埋物質的有機物含量不得超過5% [15]，這意味著汙泥即使經過幹燥也不能滿足填埋的要求。汙泥填埋面臨來自填埋場、公眾和法規的多重壓力，填埋的成本會逐漸增加。近年來，國外汙泥填埋處理方法的比重越來越小[6]。
是否推廣堆肥處理城市汙泥，首先要評估汙泥堆肥的潛在環境風險。杜冰等[16]研究表明，與國外相比，北京市典型汙水處理廠的酚類、鄰苯二甲酸酯類和多環芳烴處於較低的汙染水平。堆肥的持續高溫可以保證細菌的殺滅和汙泥的農用安全。陳等[17]研究了我國城市汙泥中重金屬含量及其變化趨勢。結果表明，我國城市汙泥中重金屬平均含量普遍較低，金屬含量基本沒有超過農標[18]，且呈下降趨勢。近年來相關研究也證明，科學合理地將城市汙泥用於農業，不會造成土壤和農產品的重金屬汙染[19]。我國城市汙泥土地利用中重金屬的環境風險並沒有人們想象的那麽嚴重。
焚燒減量最為顯著，含水率80%的汙泥焚燒後體積減量率超過90%。但汙泥中含有多種有機物，會產生大量有害物質，如二惡英、二氧化硫、鹽酸等。由於國內焚燒技術的限制，二惡英汙染問題壹直沒有得到很好的解決，重金屬煙氣和燃燒灰燼也可能造成二次汙染。此外，焚燒會浪費汙泥中的營養物質。三種處理處置方式相比，汙泥焚燒占地面積最小，但綜合成本最高，設備維護要求高，環保風險大。這些缺點限制了汙泥焚燒技術的廣泛應用。
綜上所述，堆肥化是汙泥處理處置技術的主要發展方向，在科學合理的應用下，可以實現汙泥的資源化利用，保證健康安全和重金屬安全，更加經濟可行。但從市場銷售來看，汙泥堆肥產品的銷售渠道有待完善。表3(下頁)總結了各種處理方法的優缺點。
2.3電價影響和政府補貼
電價影響汙泥處理處置成本。電價從0.60人民幣/(kW？h)降低到0.30人民幣/(kw？h)各種處理方法的綜合成本分別降低40 ~ 230元/t·ds。如果電價達到低用電時段電價或更低，成本還可以進壹步降低。
表3各種處理處置技術的優缺點比較
表3汙泥填埋、堆肥和焚燒的比較
處理處置方式收支/(人民幣？T-1) 1)技術難度場地要求是否可以回收。
填埋-507~ -763過於簡單的延緩汙染，並沒有最終消除汙染風險。
堆肥57~96比較簡單，當低能量的重金屬低於農業標準時，可以達到無害化的要求。
焚燒-771~ -1000技術設備要求有高有低，尾氣可能帶來二次汙染。
1)運輸距離100 km，電價0.60人民幣/(kW？h)，含水率80%的填埋費用略低於含水率30%的填埋費用，但其面積是後者的5.25倍，所以綜合考慮30%填埋。
當汙泥含水率為80%和60%時，填埋占用的土地分別是30%時的5.25倍和1.75倍。政府通過補貼降低電價等調控手段，將汙水處理投入合理分配給汙泥處理單元，可以降低汙泥處理單元的焚燒成本、填埋面積和堆肥成本。政府補貼可以發揮經濟杠桿的作用，調節汙泥處理產業的投入產出狀況，有利於汙泥處理處置產業的健康發展。簡而言之，政府應該對汙泥的處理和處置給予適當的補貼。
3結論
(1)汙泥堆肥成本隨電價變化約300 ~ 350元/t ds，堆肥銷售可補償部分處理成本，使汙泥堆肥達到低利潤水平。合理施用堆肥可以提供養分和有機質，是汙泥處理處置技術的壹個重要方向。
(2)汙泥填埋操作簡單，但其成本約為500 ~ 760元/t·ds，高於堆肥。考慮到土地資源的日益稀缺和二次汙染，以及發達國家的經驗，汙泥填埋將逐步受到限制，因此其應用比例應逐步降低。
(3)汙泥焚燒減量化效果最明顯，但其初投資和運行費用最高，其綜合成本約為771 ~ 1000元/t·ds。其設備維護復雜，尾氣處理不當會造成二次汙染。
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