俞 剛，凌夢丹，張 俊，張后虎，趙澤華，焦少俊

（1.中國中材國際工程股份有限公司（北京），北京 100102；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042）

0 引言

近年來，隨著城市人口的增加及生活污水的增多，為了改善水環(huán)境的污染狀況，越來越多的污水處理廠被建立，且隨著污水處理率要求的提高，市政污泥的產(chǎn)出量也隨之不斷增加。市政污泥主要來源于初沉污泥，剩余活性污泥，腐殖污泥，消化污泥和化學污泥，是由低級的有機物如氨基酸、腐植酸、細菌及其代謝產(chǎn)物、多環(huán)芳烴、雜環(huán)類化合物、有機硫化物、揮發(fā)性異臭物、有機氟化物等組成，污水中重金屬離子約有50%以上轉(zhuǎn)移到污泥中。由于污泥所具有的這些物化性質(zhì)，若處置不當，容易對地下水、土壤等造成二次污染，成為環(huán)境安全和公眾健康的重要威脅[1-2]。

為了做好污泥的處理處置，住房和城鄉(xiāng)建設部聯(lián)合有關(guān)部門先后制定了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策（試行）》和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南（試行）》，指出了我國采用的污泥處置方式主要為土地利用、焚燒、填埋和建材利用[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國目前的污泥處置方式中，焚燒及建材利用約占15%，無害化、穩(wěn)定化土地利用約占10%，其余污泥未經(jīng)任何無害化、穩(wěn)定化處理直接排入環(huán)境[4]。為了防止造成環(huán)境污染，給市政污泥尋求解決出路，對污泥進行減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化處置顯得十分迫切。

由于污泥中含有具有潛在利用價值的有機物，可用作水泥（熟料）生產(chǎn)替代原料。其中水泥窯協(xié)同處置是一種利用水泥窯高溫煅燒及水泥熟料礦物化高溫燒結(jié)過程中實現(xiàn)毒害特性分解、消除、惰性化、穩(wěn)定化等目的的處理方式[5]。水泥窯協(xié)同處置市政污泥作為全過程清潔的廢棄物處置方式，使市政污泥處置與城市建設步伐、經(jīng)濟發(fā)展速度相匹配，具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟等優(yōu)勢，是目前國際上污泥處置的一種有效手段，同時也將成為水泥產(chǎn)業(yè)橫向發(fā)展的方向之一。

1 水泥窯協(xié)同處置的發(fā)展情況

水泥窯協(xié)同處置技術(shù)由于其經(jīng)濟環(huán)境效益顯著，在發(fā)達國家如德國、瑞士、法國、英國、意大利、挪威、美國、加拿大、日本等得到了廣泛的認可和應用，已經(jīng)有30多年的歷史[6-7]。如德國水泥行業(yè)替代燃料中有8%～10%來自干化后的污泥[8]；美國加利福尼亞某水泥企業(yè)采用干化污泥替代燃料比例達到12%～15%，全美有近200座污水處理廠采用焚燒方式處理污泥，占全美污泥處理總量的20%，其中6%的污泥采樣協(xié)同焚燒方式處置[9]；日本大約有60%的污泥直接送入水泥窯內(nèi)焚燒處置[10]。

我國的水泥窯協(xié)同處置技術(shù)起步較晚。從政策上，2014年國家發(fā)展改革委等7部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于促進生產(chǎn)過程協(xié)同資源化處理城市垃圾及產(chǎn)業(yè)廢棄物工作的意見》，明確提出要重點推進利用現(xiàn)有水泥窯協(xié)同處理危險廢物的理念。從技術(shù)標準上，2010年，由住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布了GB 50634—2010《水泥窯協(xié)同處置工業(yè)廢物設計規(guī)范》；2013年，由環(huán)境保護部、質(zhì)檢總局、國家標準委等部委相繼發(fā)布了GB 30485—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》、GB 50954—2014《水泥窯協(xié)同處置垃圾工程設計規(guī)范》等系列標準，上述標準和規(guī)范的實施將為水泥窯協(xié)同處置行業(yè)的標準化、規(guī)范化發(fā)展奠定基礎[11-12]。

我國針對市政污泥水泥窯協(xié)同處置的技術(shù)可行性也進行了探索，如安徽皖維集團水泥分公司開展了利用水泥窯處理污泥的研究工作，將壓濾脫水后的污泥作為一種原料，與其他原料一起配料，生產(chǎn)中以每臺水泥窯5～6 t/h的使用量來處理污泥，實踐結(jié)果表明，對生產(chǎn)工藝稍做調(diào)整后，在生料配料中摻入一定量的污泥，仍能保持生產(chǎn)穩(wěn)定，熟料質(zhì)量良好[13]。廣州市越堡水泥有限公司在6 000 t/d生產(chǎn)線上新建一座日處理污泥600 t（含水率80%）的干化處置中心，將污泥干燥后作為燃料進行焚燒，焚燒殘渣替代黏土做為硅質(zhì)、鋁質(zhì)原料，使廢棄物變?yōu)槟茉矗瑴p少在水泥生產(chǎn)中對黏土的使用量，符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和建設節(jié)約型社會的要求，且處置污泥后沒有影響水泥熟料質(zhì)量[14]。

2 水泥窯協(xié)同處置的優(yōu)勢

我國是水泥生產(chǎn)大國，2016年的水泥產(chǎn)量約占全世界產(chǎn)量的60%，具備水泥窯協(xié)同處置市政污泥的天然優(yōu)勢，反映出水泥窯協(xié)同處置市政污泥將會有較好的發(fā)展?jié)摿涂臻g。從另一方面，利用水泥窯協(xié)同處置市政污泥對于緩解環(huán)境壓力，提高市政污泥資源再生水平等也有著重要意義[15-16]。

市政污泥水泥窯協(xié)同處置是利用水泥窯高溫處置污泥的一種方式。水泥的生產(chǎn)需要大量的原料、燃料和電力，而市政污泥恰好可以充當二次原料和二次燃料的角色。與傳統(tǒng)的焚燒、填埋等處置方式相比，水泥窯處置有十分明顯的優(yōu)勢。

（1）有機物徹底分解

水泥生產(chǎn)過程中，窯內(nèi)物料溫度一般高于1 450℃，氣體溫度則高于1 750℃，最高的地方甚至可以達到2 200℃。當污泥與水泥原料一起進入窯爐后，污泥作為燃料利用，實現(xiàn)了有機物的徹底分解。另外燃燒氣體溫度在高于1 100℃時在窯內(nèi)的停留時間大于4 s，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料呈高度湍流化狀態(tài)，污泥中有害有機物能得到充分燃燒去除[17-18]。

（2）重金屬固化

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的耐火磚、原料、窯皮及熟料均為堿性，可吸收SO2，從而抑制其排放。在水泥燒成過程中，污泥灰渣中的重金屬能夠固化在水泥熟料的晶格中，達到穩(wěn)定固化效果[19]。

（3）抑制二噁英形成

水泥窯系統(tǒng)的熱容大、溫度穩(wěn)定，此外窯尾的增濕塔能迅速降溫，使得水泥窯在高溫運行過程中產(chǎn)生的二噁英排放濃度遠低于國家對廢氣排放要求的限值標準[20-21]。

（4）不產(chǎn)生飛灰

焚燒污泥后的廢氣粉塵需經(jīng)窯尾布袋收塵器收集后作為水泥原料再次進入水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒，不產(chǎn)生飛灰[22]。

（5）資源化效率高

污泥中的有機成分和無機成分都能得到充分利用，資源化效率高。如污泥中無機成分CaO，SiO可作為生產(chǎn)原料直接在水泥制備過程中加以利用。脫水后的有機成分在燃燒過程中將產(chǎn)生一定的熱量，可抵消部分污泥中水分蒸發(fā)所需的熱能，實現(xiàn)了污泥中熱值的有效利用[23]。

（6）處理量大

水泥生產(chǎn)量大，需要的污泥量多。且水泥窯熱容量大、工作狀態(tài)穩(wěn)定，處理污泥方便。

綜上，市政污泥水泥窯協(xié)同處置技術(shù)，能充分利用市政污泥替代水泥生產(chǎn)原燃料、有效節(jié)約自然資源、能源；減少礦山開采和生產(chǎn)排放，節(jié)約污泥占用空間，保護生態(tài)環(huán)境，為環(huán)境安全和人民生活健康提供了重要保障；促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，推動水泥行業(yè)科技進步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級調(diào)整，為國家可持續(xù)發(fā)展做出重大貢獻。

3 市政污泥水泥窯協(xié)同處置的工藝流程與設計

目前，市政污泥水泥窯協(xié)同處置主要有2種方式：一種是水泥窯直接處置污泥，另一種是廢氣熱干化污泥水泥窯協(xié)同焚燒。第1種方式是指將污泥直接運輸?shù)剿鄰S，然后泵送入窯進行焚燒；第2種方式主要包括直接接觸干燥和間接換熱干燥工藝2種，其中直接接觸干燥工藝是指完全利用生產(chǎn)廢氣干化污泥，干污泥入窯替代燃料利用；間接換熱干燥工藝是指利用生產(chǎn)過程煙氣加熱，依靠換熱鍋爐加熱導熱油作為熱源，采用渦流薄層干燥工藝干化污泥，干污泥入窯替代燃料利用。

針對水泥窯系統(tǒng)的生產(chǎn)特性，本文依托江蘇某水泥窯協(xié)同處置企業(yè)，研究市政污泥在水泥窯處置技術(shù)中的可行性，為水泥窯協(xié)同處置市政污泥技術(shù)的優(yōu)化與推廣，提供一定的參考和借鑒。其中，該企業(yè)采用的是水泥窯直接處置技術(shù)，將市政污泥以5 t/h的投加量通過污泥投加車間的柱塞泵輸送至分解爐，噴入高溫煙氣，在分解爐內(nèi)被焚燒，焚燒后的灰渣與生料質(zhì)量比以1∶40～1∶50的比例進入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)焚燒處置。在連續(xù)投加4 h后開始每隔1 min對窯尾煙室壓力、尾氣中的NOx進行監(jiān)測，同時對尾氣中的其他一些有害物質(zhì)進行了檢測，另每隔5 min取樣對熟料中的f-CaO，28 d抗壓強度進行檢測。

4 結(jié)果與討論

4.1 市政污泥組分

檢測結(jié)果表明，每次投加時的市政污泥由于在自然狀態(tài)下有水的蒸發(fā)，故僅在含水率上有較大波動，一般投加時含水率范圍在80%～90%；對擬投加的市政污泥進行XRF分析，干燥基成分，稍有波動，結(jié)果見表1。

表1 市政污泥干燥基成分%

4.2 對窯尾煙室壓力的影響

在投加市政污泥與未投加市政污泥的2種情況下，對窯尾煙室壓力進行監(jiān)測，結(jié)果見圖1。

圖1 窯尾煙室壓力監(jiān)測結(jié)果

由圖1可以看出，投加污泥時的窯尾煙室壓力范圍在-93～-287 Pa，未投加污泥時的窯尾煙室壓力范圍在-101～-245 Pa。相同時間時，呈現(xiàn)出未投加污泥時的窯尾煙室壓力大于投加污泥時的窯尾煙室壓力的特定，但2種狀態(tài)下窯尾煙室的壓力均在正常控制范圍-50～-500 Pa內(nèi)。統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，投加污泥時窯尾煙室壓力明顯低于未投加污泥時的壓力（p=0.03，n=25），這也表明可能由于市政污泥的組分與水泥原料的組分的差異，明顯降低了窯尾煙室壓力。

4.3 對尾氣中NOx的影響

在投加市政污泥與未投加市政污泥的2種情況下，對尾氣中的NOx進行監(jiān)測，結(jié)果見圖2。

圖2 尾氣中NOx監(jiān)測結(jié)果

由圖2可以看出，投加污泥時的NOx質(zhì)量濃度范圍在197～205 mg/m3，未投加污泥時的NOx質(zhì)量濃度范圍在190～200 mg/m3。相同時間時，大體上是投加污泥時的NOx含量大于未投加污泥時的NOx含量。

根據(jù)GB 4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》和GB 30485—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》，煙氣中NOx的排放濃度限值為320 mg/m3，從圖2看出，投加污泥和未投加污泥2種情況下的NOx含量均未超限值。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，投加污泥時尾氣中NOx的產(chǎn)生量明顯高于未投加污泥時的壓力（p＜0.01，n=25），這可能由于市政污泥中含氮的化合物組分高于水泥原料中的含氮化合物的含量，而導致了尾氣中NOx的增加。這也表明，若要控制市政污泥水泥窯協(xié)同處置過程中尾氣NOx的排放，需要對市政污泥做好入窯前的分析，并嚴格控制市政污泥的添加比例。

4.4 對尾氣中其他一些有害物質(zhì)的檢測

在市政污泥連續(xù)投加4 h后，另對尾氣中的其他一些有害物質(zhì)（如：鹵化物、臭氣、二噁英）進行了檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 尾氣中其他一些有害物質(zhì)檢測值

由表2可以看出，尾氣中其他一些有害物質(zhì)的檢測值均低于限值（GB 30485—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》、GB 14554—93《惡臭污染物排放標準》），故添加市政污泥后的排放尾氣不會對環(huán)境產(chǎn)生嚴重的影響。

4.5 對熟料中的f-CaO及28 d抗壓強度的影響

在投加市政污泥與未投加市政污泥的2種情況下，分別取樣6次，且對熟料中的f-CaO及28 d抗壓強度進行檢測，結(jié)果分別見表3。

表3 熟料的f-CaO及28 d抗壓強度

由表3可以看出，投加污泥和未投加污泥2種情況下產(chǎn)生的水泥熟料的f-CaO均滿足GB/T 21372—2008《硅酸鹽水泥熟料》中的限值（ω≤1.0），28 d抗壓強度也均滿足限值（≥52.5 MPa）。統(tǒng)計分析，投加污泥和未投加污泥2種情況下，熟料中f-CaO 的含量（p=0.77）和 28 d 抗壓強度（p=0.15）沒有明顯差異，表明在現(xiàn)有的添加比例情況下，投加市政污泥對水泥熟料的f-CaO及28 d抗壓強度等質(zhì)量指標沒有明顯的影響。

5 結(jié)論與建議

（1）市政污泥水泥窯協(xié)同處置過程中，市政污泥的添加可能會明顯影響窯尾煙室壓力，并提高尾氣中氮氧化物的排放量，因此需要對市政污泥做好入窯前的分析，并嚴格控制市政污泥的添加比例。

（2）市政污泥添加比例有效控制的情況下，投加市政污泥對水泥熟料的f-CaO及28 d抗壓強度等質(zhì)量指標沒有明顯的影響。

（3）根據(jù)GB 4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》、GB 30485—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》、GB/T 21372—2008《硅酸鹽水泥熟料》等標準規(guī)范，還需增加尾氣和熟料中的檢測因子，更加全面地分析水泥窯協(xié)同處置市政污泥的可行性。特別是由于污泥中大部分的重金屬元素在熟料燒成過程中參與了熟料礦物的形成反應，已經(jīng)被結(jié)合進熟料晶格中，還需使水泥熟料的重金屬浸出量符合國家標準GB 5085—85《重金屬工業(yè)固體廢物污染控制標準》，GB 5086—85《有色金屬工業(yè)固體廢物浸出毒性試驗方法標準》規(guī)定的要求。

（4）利用水泥窯協(xié)同處置市政污泥，在水泥熟料生產(chǎn)的同時實現(xiàn)對市政污泥的無害化處置，變污泥為資源，減少了環(huán)境負荷，在控制添加比例的條件下對水泥生產(chǎn)及水泥品質(zhì)不產(chǎn)生明顯的影響，因此利用水泥窯協(xié)同處置市政污泥技術(shù)值得發(fā)展和推廣。

（5）考慮到水泥窯協(xié)同處置市政污泥技術(shù)的經(jīng)濟可行性，未來還需進行經(jīng)濟效益分析的探討。