汙水處理廠的汙泥處置費用問題
——以北京市為例
張義安，高 定，陳同斌*，鄭國砥，李艷霞
中國科學院地理科學與資源研究所環境修復中心，北京 100101
摘要：以北京市為例，估算不同電價及運輸距離下填埋、焚燒及堆肥等方式的城市汙泥處理處置成本，在此基礎上討論各種處理處置方案的前景，展望北京市汙泥處理處置出路。汙泥填埋在壹定時期內還將是主要處理處置方式，但所占比例將逐漸下降；堆肥是經濟上較為可行的處理處置方式，適合大力推廣；隨著經濟實力與技術水平提高，焚燒法可以適用於個別特殊地點。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；處理處置成本；填埋；焚燒；堆肥
中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2006）02-0234-05
城市汙泥是汙水處理的副產物，以含水率97%計算，體積占處理汙水的0.3%~0.5%[1]，深度處理產泥量還將增加50%~100%。目前我國每年排放的幹汙泥大約1.3×106 t，並以大約10%的速率在增加。
北京市全區域規劃汙水排放量為330×104 m3/d，其中2003年市區汙水排放量約為230×104 m3/d[2]。規劃建設14座汙水處理廠，2015年汙水處理能力預計將超過320×104 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1×104 m3/d提高到47.6×104 m3/d，屆時每年產生含水率 80% 城市汙泥超過80×104 m3。北京市最大的汙水處理廠——高碑店汙水處理廠汙泥外運運輸費用占到全廠運行費用的1/3[3]。
城市汙泥的大量產生，已引起日益嚴峻的二次汙染，並成為城市汙水處理行業瓶頸。汙泥處理處置率低，其中非常重要的壹個原因就是投資和運行成本方面的限制。但到目前為止，還未見關於不同汙泥處理處置方案的經濟分析，導致不同單位和設計人員在方案的選擇上存在較大的盲目性。本文以北京為例，對幾種典型的城市汙泥處理處置方式進行經濟分析，以便為城市汙泥處理處置技術的選擇提供參考依據。
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）為計算基準，綜合成本＝運行成本+設備折價成本。運行成本以目前較為成熟的處理處置方式進行估算。
北京市汙泥機械脫水效果通常在80%左右。各方案中的成本估算涉及或包括焚燒、運輸、填埋等3個流程；設備折價成本取15 a使用年限，年折舊7%，社會利率10%，即年折價17%，設備年工作時數以8000 h計。因此，設備折價＝設備價格×指數×0.17/8000。
1.2 估算細則
（1）單位成本
填埋：生活垃圾衛生填埋的成本約60~70 ￥/t，汙泥填埋時按照壓實生活垃圾∶土∶汙泥容重比為0.8∶1∶1，汙泥填埋成本為48~56 ￥/t，取52￥/t。
幹化：幹燥能耗與脫水量成正比。燃氣加熱效率85%、鍋爐熱效率70%、過程熱損失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￥[4]。
焚燒：目前多采用流化床技術，每h焚燒1 t幹化汙泥的設備成本為528×104￥，汙泥按幹質量減量60%。焚燒的運行費用24￥/t，煙氣處理消耗NaOH量約為37 kg/t，折價約128￥/t [5]。
電價：北京市工業電價高峰期、平段區、低谷期分別為0.278、0.488、0.725￥/(kW?h)。按不同補貼方案，將電價設定為0.30、0.60￥/(kW?h)。
運費：北京市運輸價格在0.45~0.65￥/(t?km)之間，汙泥為特殊固體廢物，需特殊箱式貨車運送，價格處於高端。另外，近年運輸價格有上漲趨勢。因此，運費取0.65 ￥/(t?km)。
此外，幹化及焚燒均按設備成本添加30%物耗人工管理費及土建配套費。
（2）汙泥含水率
汙泥的有機質和水分含量較高，填埋存在壹系列問題，當前主要關心的是土力學性能，當含水率高於68% 時需按m(土)∶m(汙泥)＝0.4~0.6的比例混入土 [6-8]。含水率降低時汙泥性狀存在突變，因此填埋脫水目標設定為80%、30%。
含水率是汙泥焚燒處理中的壹個關鍵因素。有機質含量高、含水率低利於維持自燃，降低汙泥含水率對降低汙泥焚燒設備及處理費用至關重要。壹般將汙泥含水率降至與揮發物含量之比小於3.5時，可形成自燃[9]。北京市汙泥有機物含量在45% 以下，因此使汙泥維持自燃焚燒的水分含量應小於61.2%。朱南文總結了幾種國外汙泥熱幹燥技術，可以將汙泥幹燥至10%含水率[10]。汙泥焚燒綜合成本隨幹燥程度動態變化，幹化程度越高，幹化能耗升高，焚燒設備及運行費用隨之下降。簡化起見，本文以汙泥保持熱量平衡燃燒為估算前提，不再進行高水分下加入重油的成本估算。因此汙泥焚燒的幹化目標定為：60%和10%。
表1 北京市填埋場概況[11]及離汙水處理廠的最近距離
Table 1 Description of landfill sites and wastewater treatment plants
填埋場 填埋場位置 處理規模/(t?d-1) 預計關閉時間 最近的汙水處理廠 最近直線距離/km 1)
北神樹 通縣次渠鄉 980 2006 高碑店 20
安定 大興區安定鄉 700 2006 小紅門 36
六裏屯 海澱區永豐屯鄉 1500 2017 清河 15
高安屯 朝陽區樓梓莊鄉 1000 2018 高碑店 15
阿蘇衛 昌平區小湯山鄉 2000 2012 清河、北小河 40
焦家坡 門頭溝區永定鎮 600 2011 盧溝橋 15
1) 最近距離數據為作者實測
綜上所述，汙泥的處理處置方式計有：堆肥，分別幹燥至含水80%、30% 時填埋，幹燥至含水
60%、10%時焚燒。
1.3 填埋成本
填埋成本＝能耗成本+運輸成本+填埋場成本+設備折價成本
能耗成本＝[1/(1－η0)－1/(1－ηe)]×150×α×Pele
運輸成本＝0.65×L /(1-ηe)
填埋場成本＝βPf /(1-ηe)
設備折價＝[1/(1－η0)－1/(1－ηe)]×180×α× 0.17×104/8000
其中，η0、ηe分別為處理處置始、末的含水率；Pele為電價，￥/(kW?h)；L為運輸距離，km；α為土建及人工配套費指數，1.3；β為體積系數，含水率≥68%時在1.4~1.6之間，取1.5，含水率＜68%時取1；Pf為填埋場填埋價格，40~60￥/t，取52￥/t。
汙泥填埋運輸距離：北京市現有填埋場容量不足以滿足生活垃圾處置需求，即使規劃中的填埋場建成之後，富余填埋能力也很有限，汙泥填埋需另外覓地新建填埋場。隨著城市發展及填埋場地質條件要求，運輸距離也將越來越遠，參照表1，汙泥
填埋的運輸距離將在40 km以上，因此在估算今後的填埋成本時，分別取50、100 km作為近期及遠期填埋場運輸距離。
1.4 堆肥成本及收益
城市汙泥經過堆肥無害化處理之後進行土地利用，是國際上普遍采用的處理處置方式。強制通風靜態垛堆肥處理是泥堆肥主流技術，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之間距離以及設備原產地等因素相關。堆肥廠宜建在汙水處理廠周圍，運輸成本計為0，堆肥成本主要由鼓風、烘幹、篩分能耗，調理劑及設備折價成本組成。目前，堆肥產品的市場銷售價格為350~500￥/t，扣除15％含水率後取500￥/t DS。
利用CTB堆肥自動控制系統[12,13]進行強制通風靜態垛堆肥在河南省漯河市城市汙泥堆肥廠的應用結果表明，當汙泥含水率不高於80%時，鼓風能耗在40~60 (kW?h)/t DS之間，取60 (kW?h)/t DS。CTB調理劑價格為300 ￥/t，損耗率壹般為5% [14]。經過10~14 d堆肥，汙泥幹物質減量30%，含水45%。采用熱幹燥技術烘幹至含水15%，脫水負荷0.45 t/t DS；調理劑在烘幹前篩分後自然晾幹，需篩分能耗；篩分負荷***9.3 t/t DS，篩分能力1 t/h，功率3 kW。全程能耗95 (kW?h)/t DS，考慮到未知能耗，取100 (kW?h)/t DS。
設備折價：處理幹汙泥能力為 0.3×104 t/a的汙泥堆肥廠設備投資約700萬￥，設備折價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30 km以上焚燒為佳，取30 km；焚燒按幹物質減量60%，燒余物需運至填埋場填埋，運輸距離取50 km。參考表3可知，幹燥至10%焚燒成本較幹燥至60%低。幹燥程度越高，焚燒廠占地面積也越小，因此焚燒前以幹化至10%為宜。
1.6 幹化農用成本
未經穩定化處理汙泥存在施用安全危險，考慮到幹化的穩定效果較差，安全性有限，不再估算。
2 討論與分析
2.1 處理成本和經濟效益
表2 處理處置1 t城市汙泥(幹質量)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
幹化 運輸 填埋 綜合成本/￥
目標 能耗/￥ 設備折價/￥ 距離/km 運費/￥ 填土比例 費用/￥
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)
焚燒
幹化 焚 燒 燒余物 綜合成本/￥
目標 能耗/￥ 設備折價/￥ 運行/￥ 設備折價/￥ NaOH/￥ 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
能耗/￥ 設備折價/￥ 調理劑損耗/￥ 總成本/￥ 銷售/￥ 總效益/￥
391)，782) 200 75 3141)，3532) 410 961)，572)
1) 電價取0.30 ￥/(kW?h)；2) 電價取0.60 ￥/(kW?h)
各種處理方式處理成本估算過程及結果如表2所示。由表2可知，汙泥處理處置以堆肥方式成本
最低，約300~350￥/t DS；填埋方式約500~760￥/t DS。焚燒方式成本最高，約800~1000￥/t DS。堆肥成本低於填埋方式，顯著低於焚燒方式，隨運輸距離增加填埋成本顯著高於堆肥成本。此外，汙泥焚燒處理壹次性投資大，運行維護費用最高。
各種處理方式中，汙泥填埋沒有資源回收，效益為零；考慮到汙泥熱值水平，回收焚燒熱能可能性較低，對凈效益影響不大；汙泥幹化可以起到脫水的效果，但穩定化的效果有限，加之幹化過程中容易產生爆炸和肥效緩慢等問題，不宜提倡；在產品銷售良好情況下，按電價不同，堆肥處理可以盈利50~100￥/t DS。
2.2 各種處理處置技術的優缺點
現有的大部分填埋場設計建造標準低、缺乏汙染控制措施，存在穩定性差等問題，導致散發氣體和臭味，汙染地下水，不能保證填埋垃圾的安全，只是延緩汙染但沒有最終消除汙染。壹些國家為了把上述問題降低到最小程度，制定了待處理汙泥物理特性的最低標準，使汙泥填埋的處理成本大大增加。例如德國要求填埋汙泥幹基含量不低於35%。為避免汙泥中有機物分解造成的地下水汙染，1992年德國發布了《城市廢棄物控制和處置技術綱要》，要求從2005年起，任何被填埋處理的物質其有機物含量不超過5% [15]，這意味著汙泥即便是經過幹燥也不滿足填埋的要求。汙泥填埋面臨填埋場地、公眾及法規等多重壓力，填埋成本將逐步升高，近年來國外汙泥填埋處理方式比例越來越小[6]。
是否推廣堆肥處理城市汙泥，首先應切實評估施用汙泥堆肥的潛在環境風險。杜兵等[16]研究表明，同國外相比北京市某典型汙水處理廠酚類、酞酸酯類、多環芳烴類均處於汙染程度較低的水平。堆肥處理的持續高溫可以確保殺滅病菌，保證汙泥的農用安全。陳同斌等[17]對中國城市汙泥的重金屬含量及其變化趨勢的研究結果表明，我國城市汙泥中平均含量普遍較低，金屬含量基本未超過農用標準[18]，且呈現逐漸下降的趨勢。近年相關研究也證明：科學合理地進行城市汙泥農用不會造成土壤和農產品的重金屬汙染問題[19]。我國城市汙泥的土地利用重金屬環境風險並不像人們想象的那樣嚴重。
焚燒減量最為顯著，含水80%的汙泥焚燒後減容率超過90%。然而，汙泥含有多種有機物，焚燒時會產生大量有害物質，如二惡英、二氧化硫、鹽酸等，受國內焚燒技術的限制，二惡英汙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汙染。此外，焚燒浪費了汙泥中的營養物質。對比三種處理處置方式，汙泥焚燒占地面積最小，但綜合成本最高，設備維護要求高，環保風險較大，這些不利之處都限制了汙泥焚燒技術的廣泛應用。
綜上所述，堆肥處理實現汙泥的資源化利用，科學合理施用下可以保證衛生安全及重金屬安全，同時較為經濟可行，是汙泥處理處置技術的主要發展方向。但是，從市場銷售的角度來看，汙泥堆肥產品的銷售渠道有待改善。各種處理方式優缺點概括於表3（下頁）。
2.3 電價影響及政府補貼
電價影響到汙泥處理處置成本。電價從0.60￥/(kW?h)降低到0.30 ￥/(kW?h)，各種處理方式的綜合成本分別降低40~230 ￥/t DS。如電價取至用電低谷期電價或者更低，成本可以進壹步降低。
表3 各種處理處置技術優缺點對比
Table 3 Comparison of landfill, composting and incineration for sewage sludge
處理處置方式 收支平衡/(￥?t-1) 1) 技術難度 場地要求 能否資源化 無害化程度
填埋 -507~ -763 簡單 大 不能 延緩汙染, 沒有最終消除汙染風險
堆肥 57~96 較簡單 較小 能 重金屬低於農用標準時可以達到無害化要求
焚燒 -771~ -1000 技術設備要求高 小 不能 尾氣可能帶來二次汙染
1) 運輸距離100 km、電價0.60 ￥/(kw?h)時, 以80%含水率填埋成本略低於30%含水率填埋, 但其占地為後者5.25倍, 綜合考慮采取30%填埋
汙泥含水80%及60%下填埋占地分別為30%下填埋的5.25倍、1.75倍。政府通過補貼如降低電價等調控手段，將汙水處理投入合理分配到其中的汙泥處理單元，可以降低汙泥處理單元的焚燒成本、填埋占地，降低堆肥成本。政府補貼可以發揮經濟杠桿作用，調控汙泥處理行業投入產出狀況，有利於汙泥處理處置行業的健康發展。總之，汙泥處理處置應該有適宜的政府補貼。
3 結論
（1）汙泥堆肥成本隨電價變化約300~350 ￥/t DS，堆肥銷售可以補償部分處理成本，使汙泥堆肥達到微利水平。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重要方向。
（2）汙泥填埋操作簡單，但其成本約500~760 ￥/t DS，高於堆肥處理。考慮到土地資源日益稀缺及二次汙染問題，且從發達國家的經驗來看汙泥填埋將逐步受到限制，因此其應用比例應逐漸減少。
（3）汙泥焚燒減量效果最明顯，但其初始投資及運行費用最高，綜合成本約771~1000 ￥/t DS。其設備維護復雜，如果對尾氣處理不當會造成二次汙染。
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