污泥单独焚烧工艺在上海的演变发展
从上海三大片区部分污泥处理工程工艺演变情况来看，在填埋受限、土地利用及建材利用工艺路线不畅的情况下，污泥的焚烧工艺成为必选方案。介绍了上海三大片区部分污泥工程概况，从国内外环保标准、碳排放、资源回收等角度分析了污泥单独焚烧工艺路线是我国污水处理厂污泥处理必选方案之一，最后对污泥焚烧工艺的发展趋势进行了展望。
01 政策背景
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》阐明了国家战略意图，明确了政府工作重点，是全国各族人民共同的行动纲领。在其“第三十八章”之“第二节 全面提升环境基础设施水平”中明确“推广污泥集中焚烧无害化处理，城市污泥无害化处置率达到90%”。
国家发展改革委、住房和城乡建设部于2020年7月28日联合印发的《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》（发改环资〔2020〕1234号）中明确“限制未经脱水处理达标的污泥在垃圾填埋场填埋，东部地区地级及以上城市、中西部地区大中型城市加快压减污泥填埋规模。在土地资源紧缺的大中型城市鼓励采用‘生物质利用+焚烧’处置模式”。
02 上海市污水污泥处理处置规划发展
2010年5月，上海市水务局“关于印发《上海市城镇排水污泥处理处置规划》的通知”中指出：“我局依据上海市城市总体规划和污水处理系统专业规划，结合本市经济社会发展实际，借鉴了国内外部分大城市的相关经验，组织编制了《上海市城镇排水污泥处理处置规划》。规划经过了专家评审，征询了相关部门意见，进行了环境影响评价，于2009年9月报送市政府并取得同意”。规划明确了上海石洞口、竹园、白龙港三大污水处理中心片区规划建设污泥单独焚烧厂。
2018年12月，上海市水务局、上海市规划和自然资源局编制的《上海市污水处理系统及污泥处理处置规划（2017-2035）》中明确：石洞口、竹园、白龙港三大污水处理中心片区的污水处理厂以污泥单独焚烧为主（见图１），协同焚烧为辅；郊区污水处理厂以污泥干化焚烧为主，好氧发酵+土地利用为辅。
03 上海三大片区部分污泥工程工艺演变发展
3.1 石洞口片区污泥工程
本工程是亚行贷款项目。1999年7月12日，上海市环境保护局批复了石洞口城市污水处理厂工程环境影响报告书（沪环保管〔1999〕253），其中明确“污泥采用浓缩、中温消化、脱水及干化处理的技术路线是可行的，但对于干化污泥是采用填埋、焚烧或兼作农肥，要进一步调研后确定”。同年7月形成的工程初步设计文件，对污泥消化+干化方案、污泥干化+焚烧方案等方案进行了设计与比较分析，工程最终建成了国内城镇污水处理厂首座污泥单独干化焚烧厂。
3.2 竹园片区污泥工程
本工程是世行贷款项目。2005年5月9日，上海市环境保护局批复了竹园污泥处理工程环境影响报告书（沪环保许管〔2005〕614），其中明确“污泥实施消化、脱水和干化处理工艺，并将干化污泥进行土地综合利用”。但2008年12月24日，上海市环境保护局批复了竹园污泥处理工程调整的环境影响报告书（沪环保许管〔2008〕1342），其中明确“项目拟采用干化焚烧工艺。项目建设符合上海城市发展规划总体目标的要求，符合污水规划确定的污泥处理要求，有利于实现节能减排的目标，对于促进上海市走可持续发展的道路具有积极意义”。
3.3 白龙港片区污泥工程
2014年1月26日，上海市发展和改革委员会核准批复上海建筑材料（集团）总公司和上海联合水泥有限公司合资建设上海建材资源综合利用示范基地项目（沪发改产〔2014〕4号），其中明确“建设×2×4 000 t/d协同处理城市污泥及废弃物的新型干法水泥生产工艺线；年协同处置城市污泥53万t；项目节能评估已获国家发展改革委批复（发改办环资〔2013〕2745号）；项目环评已获国家环保部批复（环审〔2012〕17号）；项目建设用地预审已获国家国土资源部批复（国土资预审字〔2013〕280号）；项目码头工程总平面图相关技术要求已获交通运输部长江口航道管理局批复（交长管航〔2012〕124号）”。但在2017年1月24日，上海市发展和改革委员会批复同意建设白龙港污泥处理二期工程（沪发改环资〔2017〕7号），原则同意污泥处理采用污泥脱水至含水率80%，通过外加热源进一步干化至含水率30%~40%后焚烧的处理工艺。
3.4 上海三大片区上述污泥工程工艺演变
上海三大片区上述污泥工程工艺演变汇总见表1。
在上海，污泥稳定化后进行土地利用的工艺路线及污泥协同焚烧进行建材利用的工艺路线并不顺畅。按《城镇污水处理厂污泥处置分类》（GB/T 23484-2009），污泥处置分为土地利用、建材利用、填埋及焚烧四类。在填埋受限、土地利用及建材利用工艺路线不畅的情况下，污泥的焚烧工艺成为必选方案。
3.5 工艺演变原因分析
影响工艺演变的因素众多，其中包括污泥本身性质、污泥处置出路稳定性、相关产业发展前景、相关行业管理部门协同需求等。以下仅从演变内因即污泥本身特性之重金属含量方面进行相关分析。
2006至2013年间，有研究团队曾对全国57个城市88座城市污水处理厂污泥重金属含量进行分析。按研究分析结果，污泥中的部分重金属含量及其相对于《城镇污水处理厂污泥泥质标准》（GB 24188）的超标率见表2。
目前，废水与污水同网、源头废水污染物浓度超标纳网等问题客观存在，污水处理产生的污泥的泥质存在诸多不确定性，这可从上述城镇污水处理厂污泥的重金属浓度超标中得以印证。污泥作为污水处理的产物，源头上具有“污染物”的特性。在此情形下，加上受到污泥处置出路稳定性、相关产业发展前景、相关行业管理部门协同需求等问题的影响，污泥稳定化后进行土地利用的工艺路线及污泥协同焚烧进行建材利用的工艺路线受阻也就不足为奇了。
相反地，污泥单独焚烧工艺相对其他污泥处理工艺而言可适应于不确定的污泥特性，同时具有减量效果最大化、末端处置需求最小化、不受制于相关产业发展前景及相关行业管理部门协同需求的综合优势。因此，污泥单独焚烧至少在近阶段是我国污水处理厂污泥处理的必选方案之一。
04 上海三大片区部分污泥工程概况
4.1 石洞口片区
4.1.1 污泥焚烧一期工程
石洞口污泥焚烧一期工程处理规模为64tDS/d（折合213t/d脱水污泥）,处理工艺采用流化床干化+流化床焚烧+烟气处理，处理对象为上海市石洞口污水处理厂产生的污泥。烟气处理执行《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GWKB 3-2000）和《大气污染物综合排放标准》（GB 16297-1996)；臭气控制执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）和《恶臭污染物排放标准》（GB 14554-93）。
4.1.2 污泥焚烧改扩建工程
石洞口污泥焚烧改扩建工程处理规模：72tDS/d（360t/d脱水污泥）,处理工艺采用桨叶式干化+流化床单独焚烧+烟气处理，处理对象为石洞口、吴淞、桃浦污水处理厂产生的污泥。烟气处理执行上海市地标《生活垃圾焚烧污泥控制标准》（DB 31/768-2013）；臭气控制执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）和《恶臭污染物排放标准》（GB 14554-93）。
4.1.3 污泥焚烧二期工程
石洞口污泥焚烧二期工程处理规模为128tDS/d （640t/d脱水污泥），处理工艺采用污泥常规脱水处理+部分桨叶式干化/部分外接半干污泥+流化床单独焚烧处理，处理对象为石洞口污水处理厂、泰和污水处理厂等产生的污泥。烟气处理执行上海市地标《生活垃圾焚烧污泥控制标准》（DB 31/768-2013）；臭气控制执行上海市地标《城镇污水处理厂大气污染物排放标准》（DB 31/982-2016）。
4.2 竹园片区污泥焚烧工程
竹园片区污泥焚烧工程处理规模为150 tDS/d（折合750t/d 脱水污泥），处理工艺采用桨叶式干化+流化床单独焚烧+烟气处理，处理对象为竹园第一污水处理厂、竹园第二污水处理厂等污水处理厂产生的污泥。烟气处理执行《大气污染物综合排放标准》（GB 16297-1996)，二噁英达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485-2001)；臭气控制执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）和《恶臭污染物排放标准》（GB 14554-93）。
4.3 白龙港片区
4.3.1 污泥消化干化工程
白龙港污泥消化干化工程处理规模204tDS/d（折合1 020t 脱水污泥）,处理工艺采用二级浓缩+厌氧消化+脱水+流化床干化工艺，处理对象为上海市白龙港污水处理厂产生的污泥。
4.3.2 污泥焚烧工程
白龙港污泥焚烧工程处理规模486 tDS/d （折合2 430t/d脱水污泥）,处理工艺采用污泥离心脱水+流化床干化+流化床单独焚烧处理，处理对象为白龙港污水处理厂、虹桥污水处理厂等产生的污泥。烟气处理执行上海市地标《生活垃圾焚烧污泥控制标准》（DB 31/768-2013）；臭气控制执行上海市地标《城镇污水处理厂大气污染物排放标准》（DB 31/982-2016）。
05 污泥焚烧工艺发展趋势
5.1 污泥处理处置技术标准趋于合理
系统科学的污泥处理处置标准是引导污泥妥善处理处置、选取合理技术路线的重要前提。我国前些年陆续出台了污泥处理处置相关的技术标准，为我国污泥处理处置技术的发展和提高、促进我国污泥处理处置行业的健康发展发挥了积极的作用，但不容回避的是其中个别技术标准的内容尚待商榷。以下两项技术标准分别废止与澄清在一定程度上反映了我国污泥处理处置技术标准总体上趋于科学合理化。
（1）《关于废止、修改部分生态环境规章和规范性文件的决定》于2020年12月25日由生态环境部审议通过，并于2021年1月4日发布施行，其中包括废止发布于2010年11月26日的《关于加强城镇污水处理厂污泥污染防治工作的通知》（环办〔2010〕157号）。在该通知中要求“污水处理厂以贮存(即不处理处置)为目的将污泥运出厂界的 ,必须将污泥脱水至含水率50%以下”。
（2）2019年6月11日，生态环境部于《关于市政污泥单独焚烧飞灰可否卫生填埋的回复》中明确：按照《国家危险废物名录（2016）》第八条“对不明确是否具有危险特性的固体废物，应当按照国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法予以认定”的规定，需要对生活污水处理设施产生的污泥、一般工业固体废物的专用焚烧炉产生的飞灰进行危险特性鉴别。经鉴别具有危险特性的，属于危险废物，应当根据其主要成分和危险特性确定所属废物类别，并按代码“900-000-xx”(xx为危险废物类别代码)进行归类管理。经鉴别不具有危险特性的，不属于危险废物。
5.2 污泥燃煤电厂掺烧有待严格规范
5.2.1 现行大气污染物排放标准
表3列出了与燃煤电厂及污泥焚烧厂相关的国家、上海地方大气污染物排放标准。
如上所述，《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）不适用于污泥于燃煤电厂的协同焚烧。因此，仅从燃煤电厂及污泥焚烧厂相关的国家、上海地方大气污染物排放标准来看，鉴于电厂掺烧污泥存在的 “烟气污染物稀释排放”问题，污泥于燃煤电厂的掺烧有待在国家规范标准层面加以严格规范。
5.2.2 上海电厂掺烧污泥实践
2019年10月，上海上电漕泾发电有限公司2×1 000MW超临界机组掺烧城镇污水处理厂污泥技改项目的环境影响报告表获批(沪环保许评〔2019〕47号)。本项目拟建设在上海金山区上电漕泾发电有限公司，计划年最大掺烧10万t的城镇污水处理厂污泥，机组年运行时间约230 d，掺烧比例不高于5%。项目掺烧的污泥为含水率60%的城镇污水处理厂污泥，用密闭专用车辆运输至电厂内煤场的地下应急煤斗，不存储，即到即烧。该项目环境影响报告表的审批意见明确了如下内容：
（1）燃煤锅炉污泥掺烧比不应高于 5%；严格落实污泥进厂要求及泥质保障措施，污泥泥质应满足《城镇污水处理厂污泥处置 单独焚烧用泥质》（GB/T 24602-2009）中的相关要求。严禁接收固废属性为危险废物的污泥进厂掺烧。
（2）污泥掺烧过程中产生的燃烧废气中颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、 汞及其化合物应达到《燃煤电厂大气污染物排放标准》（DB 31/963-2016）的要求，氯化氢、二噁英及镉、铊及其化合物、锑、 砷、铅、铬、钴、铜、锰、镍及其化合物应达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》（DB 31/768-2013）的要求。
（3）应按《上海市大气污染防治条例》提出的要求，严格控制废气的无组织排放。加强污泥卸料及运输过程掺烧的异味废气的控制，卸料区域增设植物液雾化喷淋系统，输煤皮带加装防尘防臭罩，确保厂界氨、硫化氢及臭气浓度达到《恶臭（异味）污染物排放标准》（DB 31/1025-2016）限值要求。
（4）各类固体废物应分类收集，按《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》和本市有关规定要求分别妥善处理。危险废物贮存场所设置应符合《危险废物贮存污染控制标准》（GB 18597-2001）及2013年修改单的要求。应做好脱硫污泥的固体废物属性鉴别工作，并加强废物在厂区内运输过程的管理措施，防止存放、装运过程中产生的二次污染。危险废物应委托有资质单位处置。
（5）本项目技改后烟粉尘、二氧化硫、氮氧化物的总排放量不得超出排污许可证中规定的许可排放量。
在实际操作中，项目运行单位还要求接收处理的污泥收到基的低位热值不得低于350 kcal/kg，接收处理的污泥中不能掺加生石灰，且所添加物质中不能含氯离子、氟离子及其他对后续焚烧处理有较大损害的物质。上海电厂掺烧污泥的实践从实践层面证明污泥于燃煤电厂掺烧有待严格规范。
5.2.3 上海燃煤耦合污泥电厂大气污染物排放标准出台
上海于2021年6月1日起实施《燃煤耦合污泥电厂大气污染物排放标准》(DB 31/1291-2021)。按该标准，污泥掺烧比不应大于5%，且排放的氯化氢、汞及其化合物、镉/铊及其化合物、二噁英类等污染物的限值仅为《生活垃圾焚烧大气污染物排放标准》（DB 31/768-2013）规定排放限值的1/5。该地方性燃煤耦合污泥电厂大气污染物排放标准的出台，或将成为我国污泥于燃煤电厂掺烧工艺应用的重要转折点。
5.2.4 “双碳”研究
2021年3月18日，全球能源互联网发展合作组织举办中国碳达峰碳中和成果发布暨研讨会，发布了《中国2030年前碳达峰研究报告》、《中国2060年前碳中和研究报告》以及《中国2030年能源电力发展规划研究及2060年展望》，其中提出，中国的煤电总量控制在2025年达峰，峰值为11亿kW，到2030年下降至10.5亿kW，到2050年下降至3亿kW左右，2060年煤电装机全部退出。在“双碳”的大背景下，燃煤电厂的转型势在必行。在此背景下，盲目再行污泥的电厂掺烧必将证明是具有多重风险的。
5.2.5 污泥处理的德国实践
在德国，随着污泥法的施行，德国逐步转向单独焚烧处理，2029年基本废弃协同焚烧处理。仅已实现磷回收的污水污泥或者仅有低含磷量的污泥（如工业污泥）才继续适用于燃煤电厂、水泥窑、生活垃圾焚烧厂的协同处置。目前，虽然我国尚未出台对污泥中磷回收的强制性政策文件，但我国磷矿占有量同样较低，基于自然界中的磷平衡问题，出台类似的污泥中磷回收强制性政策文件及技术要求仅是时间问题。在此发展趋势下，污泥单独焚烧处理是我国污水处理厂污泥处理必选方案之一。
5.3 碳循环与污泥单独焚烧
按Water Environment Federation (WEF) 《Wastewater Solids Incineration Systems》，化石燃料燃烧产生的碳不是自然碳循环的一部分，可能会导致气候变化；相反地，污水污泥是自然界中碳循环的一部分，故污泥单独焚烧本身在理论上并不会增加大气中的碳含量。
以下结合工程实践，统一基于100 tDS/d的处理量，分别定量给出了常规脱水污泥(含水率按80%)在不同热值情况下的干化焚烧热平衡、不同含水率的脱水污泥在一定热值情况下的干化焚烧热平衡、常规脱水污泥(含水率按80%)在不同热值情况下的干化焚烧系统理论碳排放、不同含水率的脱水污泥在一定热值情况下的干化焚烧系统理论碳排放,见表4~表7。
从表4~表7可见，污泥热值及进污泥干化焚烧系统的含水率会显著影响系统热平衡。其中，进系统的污泥含水率对热平衡的影响更为显著，在较低污泥热值的条件下可通过降低进系统的污泥含水率实现系统的热平衡。随着污泥热值的逐步提高，污泥单独焚烧的碳排放会相应得到优化。
5.4 污泥焚烧烟气排放标准有待显著提高
5.4.1 国家、上海地方标准与欧美标准的对比
从表8可见，国家及上海地方关于污泥焚烧的烟气排放标准与欧美标准相比，众多标准的限值显著较高，其中部分标准限值存在几个数量级的差距。
06 结论与展望
（1）“十四五”规划和2035年远景目标纲要明确了“推广污泥集中焚烧无害化处理 ”。国家发展改革委与住房和城乡建设部《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》明确了“在土地资源紧缺的大中型城市鼓励采用生物质利用+焚烧模式”。《上海市污泥处理处置规划（2017-2035）》延续了“污泥单独焚烧为主”原则。
（2）国内众多城市污水处理厂污泥重金属及近年部分城市重金属含量情况，加之污泥处置出路稳定性、相关协同处理产业发展前景及其行业管理部门协同需求等多因素，污泥单独焚烧至少在近阶段是我国污水处理厂污泥处理必选方案之一。
（3）发展趋势方面：我国污泥处理处置技术标准渐趋合理，如澄清界定污水污泥焚烧飞灰是否危废从而有助于污泥焚烧飞灰的资源化利用。工程实践、规范标准、我国2060年前碳中和要求等表明，污泥于燃煤电厂掺烧有待在国家规范标准层面加以严格规范。污泥处理的德国实践表明，污泥单独焚烧而非协同焚烧处理是污泥处理主要发展方向。按Water Environment Federation WEF《Wastewater Solids Incineration Systems》，在碳循环方面，污泥单独焚烧属于自然碳循环而无碳排放增量，一定条件下可实现热能净零需求、甚至热能与电能的净零需求；相反，化石燃料的焚烧不属于自然碳循环而存在碳排放增量。污泥热值及进污泥干化焚烧系统的含水率会显著影响系统热平衡，进系统的污泥含水率对热平衡的影响更为显著，在较低污泥热值的条件下可通过降低进系统的污泥含水率实现系统的热平衡。随着污泥热值的逐步提高，污泥单独焚烧的碳排放会相应得到优化。与欧美标准对比结果、多工程实践表明，我国污泥焚烧烟气排放标准有待显著提高。
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