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一、城镇化进程与环境挑战
联合国数据显示,2014年全球有54%的人口居住在城市中,而到2050年这一数字将增长至66%.城镇化发展带来的资源约束和环境矛盾已经成为全球性课题.到2030年,全球对水资源的需求将比2016年增长40%,大部分用水需求的增长来自于城市.
不断提速的城市供水和污水处理设施建设是污水排放量的主要原因之一,也带来其副产物污泥产量的激增.以中国为例,到2016年底,中国4600多座城镇生活污水处理厂污泥产量已超过3000万吨（含水率80%）.到2020年,污泥产量可能进一步增加至6000-9000万吨（ 含水率80%）.除了对水资源的消耗,早期的城镇化发展多为线性发展路径,较为粗放,40%-90%的生产要素以废弃物的形式遗留在环境中,全球城市到2025年将制造22亿吨生活垃圾,比2012年增加9亿吨.
污染物的激增给城市带来严峻的环境挑战,特别是发展中国家,往往面临污染治理基础设施建设落后于污染物产生速度的困境,2012年全球平均城市污水处理率仅有8%.以印度为例,印度498个一类城市（人口超过10万的城市）生活污水处理率平均为32%,410个二类城市（人口在5万-10万的城市）生活污水处理率仅为8%,给公众健康带来直接危害.污水、污泥以及其他有机废物（如餐厨垃圾）中的有机质发生厌氧反应,逸散的沼气主要成分为甲烷（CH4）,其所具有的显著温室气体效应增加了全球气候变化的风险,也将影响2℃温控目标的实现.
值得注意的是,污水和污泥更是放置错误的资源.城镇生活污水处理厂中的污泥含有大量有机质,经厌氧消化处理产生的甲烷可以作为城市发展的清洁能源.污泥中含有丰富的营养物质,每吨干污泥养分含量相当于100kg硫酸氨、100kg过磷酸钙和16kg硫酸钾,可以进行资源化利用.循环经济模式为污泥的资源化和能源化利用提供了实现路径,在帮助污水、污泥变废为宝的同时,也将助力城市绿色、低碳、循环发展.
二、循环经济模式管理与污水、污泥管理
循环经济以“减量化、再利用、资源化”为原则,将清洁生产、资源综合利用、生态设计和可持续消费相结合,达到经济和自然生态系统的物质和谐循环.基于全球面临的资源和环境掣肘,循环经济理念由于在促进资源可持续利用、防治污染、保护环境方面的优势,近年来受到越来越多的重视.世界经济论坛将循环经济作为“未来环境与资源安全”的解决策略之一,并指出循环经济领域的投资机会高达数万亿元.
中国全面启动循环经济工作始于2005年国务院发布的《国务院关于加快发展循环经济的若干意见》（国发[2005]22号）,并开展了循环经济试点工作.2008年,中国颁布《中华人民共和国循环经济促进法》,从法律上确保循环经济工作的开展.近年来,随着资源节约和环境保护成为中国基本国策,循环经济的作用愈发凸显.十九大报告进一步强调要求,推进绿色发展、资源全面节约和循环利用,降低能耗、物耗,实现生产系统和生活系统循环链接.通过对城镇生活污水处理厂污水、污泥资源化、能源化利用的研究发现,当采用循环经济模式对城镇生活污水处理厂污水和污泥进行综合管理时,可以帮助城市实现多重效益.除了解决污水和污泥对水、土、气造成的环境压力,减少和避免公众健康威胁,还将加快城市实现2030可持续发展议程,以及减少温室气体排放的承诺.例如,采用高级厌氧消化从污泥中恢复的沼气,其有机质中碳的来源为生物来源,属于生物质能源.对沼气加以利用,将加速城市能源结构绿色转型；沼气的捕获避免了甲烷这一强效温室气体直接排放进入大气,沼气的利用实现了对化石能源的替代效应,起到显著的温室气体减排效用；处置后的污泥具有良好的无害化和稳定化特性,且含有较为丰富的营养物质（如氮和磷）,可以作为基质用于荒地造林、苗木抚育、园林绿化等.也就是说,循环经济模式在形成城镇生活污水厂污水和污泥的处理处置完整产业链的同时,也促使城市形成水、碳、能源的闭合循环.相关领域中,发达国家已积累了丰富的经验,可供中国和其他发展中国家学习和参考.
三、发达国家在城镇生活污水处理厂污泥处理处置方面的循环经济实践
为了实现更好的污泥处理处置效果同时降低成本,世界各国在不断探寻更经济、更具有环境资源效益的处理方式.欧美国家的污泥处理处置经历了从填埋到土地利用、焚烧、再到“厌氧消化+土地利用”的过程.由于厌氧消化具有减量化、稳定化、无害化、资源化的特点,是循环经济的有益尝试.目前,越来越多欧美国家选择厌氧消化对污泥进行稳定化和无害化处理,并从政策上予以鼓励和支持,形成了产业链及运作模式.表1列举了近年来一些欧美国家厌氧消化装置的建设运行情况.这些国家主要将沼气用作发电或者供热,美国、荷兰、丹麦在发展沼气提纯用作车用天然气方面也形成了新兴的市场.
以下基于WRI对美国和英国在污水和污泥资源
化、能源化方面的研究进行介绍和分析：
（一）美国在城镇生活污水处理厂污泥和有机废物资源化、能源化方面的经验及实践
美国环保局（EPA）、能源部（DOE）和农业部（USDA）于2014年发布《沼气发展路线图》（BiogasOpportunities Roadmap,下称《路线图》）,鼓励采用厌氧消化技术从有机废物（包括污水处理厂污泥、餐厨垃圾、畜禽粪便等）中恢复能源和资源.《路线图》指出,该技术具有优越的环境、经济和能源效益.从环境效益上看,可以杀灭废物中病原菌、减少处理过程中的臭气,避免对水环境形成二次污染等多重环境效益；从经济效益上看,将一部分沼气用于满足项目自身能源需求,减少了项目的运行成本；销售能源（以供气、发电或者车用天然气的形式）和其他产品（如营养土）、征收处理费用、碳补偿等途径,可以实现项目收益多样化,并为城市创造就业机会和经济增长点；从能源效益上看,沼气属于绿色清洁能源,以将沼气提纯后为车辆提供能源的用途为例,其全生命周期,也就是从“油井到车轮”（well-to-wheel）过程中的温室气体排放为负.鉴于污泥资源化、能源化利用优越性,《路线图》要求,有机废物处理设施应将产生能源和高附加值产品的理念作为设计的主要考量因素之一,而不应仅仅将其作为废物管理的一个附加因素.据估算,美国每年污水和污泥产生沼气的潜力在32亿立方米,年发电量可达56亿千瓦时,相当于54万家庭一年的用电量.
地的项目最具代表性.其中（1） 奥兰多HarvestEnergy Garden项目采用两相厌氧消化技术对餐厨垃圾和污水处理厂污泥协同消化处理,处理能力达到400吨/日,日产沼气15000立方米；沼气用于热电联产,其中产生的热能主要用于沼渣干化；发电则主要供项目自身运行使用.（2）华盛顿Blue Plains污水处理厂为世界上最大的深度污水处理厂,由华盛顿水务（DC Water）运营.该厂采用“热水解+厌氧消化”技术对其每天产生的420吨污泥（含水率80%）进行处理,该项目计划采用热电联产方式对沼气进行应用,同时消化污泥制成的生物碳土由于符合EPA污泥利用最高标准-Class A标准,可资源化利用.DCWater的目标是通过销售能源和碳土将每年700万美元的污泥处置成本转变为300万美元的收益.
（二）英国在城镇生活污水处理厂污泥和有机废物资源化、能源化方面的经验及实践
英国在污泥稳定化、无害化、资源化、减量化处理的政策管理、技术研发以及工程建设,特别是采用厌氧消化对污泥进行低碳可持续处理方面具有丰富以及成熟的经验.
英国在2009年就设定了厌氧消化发展目标；2011年英国环境食品和农村事务部（DEFRA）和英国能源气候变化部（DECC）联合制定“厌氧消化战略及行动计划”,提出了英国厌氧消化发展的明确目标和行动方案,并指出厌氧消化是污泥处置的“最佳环境选择”.同时,英国政府也承诺不断提高厌氧消化产能,帮助政府实现可再生能源和温室气体减排目标,应对气候变化.对于厌氧消化项目或者沼气利用,英国政府主要提供：上网电价计划（Feedin-Tariff Scheme, FiTs）、可再生供热激励计划（Renewable Heat Incentive,RHI）、可再生能源义务法案（Renewables Obligation,RO）等补贴形式.截至2014年底,英国厌氧消化设备的数量是2011年的4倍.2017年10月英国政府公布清洁增长战略（TheClean Growth Strategy）,提出通过近50项措施来落实国内第五个碳预算目标（2028-2032年）,即到2032年比1990年水平减排57%.该战略指出政府将加大对创新领域的投资,其中就包括以减少甲烷排放为主要目的,发展高效厌氧消化以及氮磷提取技术.
在技术实践方面,英国最大的水务公司——泰晤士水务（Thames Water）建设、运营30座污泥处理设施[日处理能力为5000吨污泥（含水率80%）].公司于2010-2015年建设的6座污泥处理项目全部采用“热水解+厌氧消化”技术.在泰晤士水务运营设施所需要的能源中,15.7%是可再生能源,可再生能源中80%由污泥处理产生的沼气提供.Thames Water表示,由于热水解技术使得污泥产气速率和产气量都得到了提升,每吨绝干污泥的产能水平提高了33%,达到1兆瓦时/吨绝干污泥.
四、中国城市在循环经济理念处理污水和污泥方面的实践
中国自“十二五”开始明确鼓励城市尽可能回收和利用污泥中的能源和资源.《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》鼓励采用能源化、资源化技术手段,尽可能回收利用污泥中的能源和资源,并将经过稳定化、无害化处理的污泥制成符合相关标准的有机碳土,用于荒地造林、苗木抚育、园林绿化等.中国也有越来越多的城市开始了相关尝试.
以湖北省襄阳市污泥和餐厨垃圾项目为例.该项目设计处理能力300吨/日,其中日处理污泥180-200吨（含水率80%,有机质含量40%-60%）,餐厨垃圾80-120吨（有机质含量80%-90%）.项目采用“高温热水解（170℃）+中温厌氧消化（40℃）”工艺进行处理.每日所产沼气中50%供自身运行所用,其余50%经提纯后为6000立方米车用天然气为本市出租车供气.襄阳项目将沼渣进一步脱水至含水率40%用于苗木种植,同时将苗木用于当地垃圾填埋场的生态修复.襄阳项目与填埋和焚烧相比,可以减少95%以上的温室气体排放,苗木种植的同时带来潜在的碳汇效益.
北京、镇江等地也已采用类似的路径开展污水和污泥的资源化能源化处理处置.北京自2013年规划建设5座“热水解+厌氧消化+污泥深度脱水+土地利用”污泥处理中心,处理中心城区城镇污水处理厂产生的污泥,设计日处理能力超过6000吨污泥（含水率80%）,所产沼气用于拖动沼气鼓风机.镇江采用“热水解+厌氧消化”技术对中心城区产生的餐厨垃圾和城镇污水处理厂污泥进行协同处置.项目日处理能力260吨,沼气提纯后接入城市燃气管网,沼渣脱水进行苗木种植.其他城市,如青岛、重庆、合肥、宁海等也都类似的循环经济模式对城镇生活污水处理厂污泥、城市有机废物进行管理.中国城市的实践证明对污泥进行资源化、能源化利用可以实现“污泥全消纳、能量全平衡、资源全回收、过程全绿色”的多效目标,提供了有益有效的污水和污泥资源化途径.
综上所述,作为世界上最大的发展中国家,中国已做出绿色发展和应对气候变化的承诺.在污水和污泥治理上,中国在不断提出更高目标的同时也积累了宝贵经验,走在发展中国家前列.输出中国经验将帮助发展中国家更有效地应对或者提前预防可能发生的污水和污泥挑战.例如,印度近年来城镇化进程不断加快,而污水、污泥处理设施建设远远落后于城镇化和经济发展,污水和污泥管理在循环经济方面的尝试几近空白,相关政策也处于缺位的状态,城市面临越发严峻的环境污染挑战.中国在污泥资源化、能源化方面的实践经验,将帮助印度等发展中国家推动城市污水和污泥的绿色低碳可持续管理.
作者单位：湖北十堰市新兴化工材料工程公司
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