水泥窯處置污泥烘干廢氣的污染與防治

張靈輝，蘇達(dá)根

水泥窯處置污泥烘干廢氣的污染與防治

張靈輝1、2，蘇達(dá)根1

采用HAPSITE便攜式氣相色譜/質(zhì)譜儀、鹽酸萘乙二胺分光光度法等檢測廢氣成分，研究了水泥窯處置城市污水污泥烘干過程中廢氣的污染與防治。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含水量較高的城市污水污泥烘干時(shí)會產(chǎn)生惡臭氣味的尾氣，其成分包括NH3、H2S和芳香族化合物、鹵代烴等，直接排放會污染環(huán)境。以新鮮熱風(fēng)烘干污水污泥后的廢氣與煤粉在950℃燃燒，不僅可分解廢氣中多種有害組分，而且還可降低廢氣NOX濃度。利用窯尾廢氣直接烘干污泥的技術(shù)方案值得商榷，建議采用回收水泥回轉(zhuǎn)窯筒體冷卻熱風(fēng)或熟料冷卻機(jī)熱風(fēng)烘干污水污泥，其廢氣再進(jìn)入水泥窯燃燒的技術(shù)方案。

城市污水污泥；水泥窯；NOX；廢氣；防治

利用水泥窯處理城市污水污泥有很多優(yōu)勢，但也存在著一些問題。城市污水污泥經(jīng)過壓濾后還含有相當(dāng)?shù)乃?，一般需要烘干才能被進(jìn)一步利用，在此過程中排放的廢氣常帶有惡臭，不但污染周圍環(huán)境，影響附近居民的日常生產(chǎn)生活，還會給人體健康造成危害。為此，本文研究水泥窯處置城市污水污泥烘干過程中有害氣體的污染與防治。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

（1）煤粉：廣東某水泥廠生產(chǎn)用煙煤粉，熱值26.33kJ/g，氮含量0.89%，硫含量0.75%。

（2）污泥：廣州市某污水處理廠脫水污泥，熱值11.14kJ/g，氮含量4.08%，硫含量1.03%，含水率52.5%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備

煤粉及其混合物的煅燒實(shí)驗(yàn)在快速升溫管式電爐SJG-16中進(jìn)行，采用硅碳棒作為加熱元件。

廢氣成分的測定：

（1）用HAPSITE便攜式氣相色譜/質(zhì)譜儀測定鏈狀烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴、醇類、苯酚類、醛、脂肪酮、苯胺類、腈類、酯類和含氮雜環(huán)化合物等有機(jī)物；

（2）參照GB8969——88《空氣質(zhì)量氮氧化物的測定鹽酸萘乙二胺比色法》，采用鹽酸萘乙二胺分光光度法測定氮氧化物；

（3）參照 GB/T14668——93《空氣質(zhì)量氨的測定納氏試劑比色法》，采用納氏試劑分光光度法測定NH3；

（4）采用《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法（第四版）》中亞甲基藍(lán)分光光度法（國家環(huán)境保護(hù)總局《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》編委會，2003）測定硫化氫。

表1 污泥干燥尾氣成分分析

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥干燥尾氣的成分分析

將城市生活污水脫水污泥置于真空烘箱內(nèi)，加熱至90℃保溫1h，用采樣器將干燥尾氣收集后測定其成分。

分析兩種典型惡臭成分NH3和H2S，結(jié)果表明，以納氏試劑分光光度法測得氨濃度為4.9mg/m3；以亞甲基藍(lán)分光光度法測得硫化氫濃度為0.2mg/m3。

采用HAPSITE便攜式氣相色譜/質(zhì)譜儀，由儀器自帶標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫對比分析廢氣其他成分。結(jié)果見表1。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，90℃烘干污泥的尾氣中，氨的濃度為4.9mg/m3，遠(yuǎn)高于其他成分，另外含有硫化氫及多種有機(jī)成分組分：包括芳香族化合物，如苯、甲苯、乙苯等；鹵代烴，如二氯甲烷、二氯乙烷、5-氟溴苯、四氯甲烷等；含硫化合物，如乙硫醇、硫醚類等；含氧有機(jī)物，如醇、酯等；其他烴類，如烯烴、正己烷等。其中，烷烴、烯烴、芳香烴和鹵代烴所占的比重較大，且鏈狀烷烴占80%以上。

污泥干燥尾氣中的物質(zhì)主要來自于污水處理過程中大分子有機(jī)物的分解產(chǎn)物和溶解在水中的化合物，它們通過沉淀、吸附或被微生物吸收的方式轉(zhuǎn)移到污泥中。干燥時(shí)隨著溫度的升高，首先是隨水分蒸發(fā)釋放出沸點(diǎn)低、易揮發(fā)物質(zhì)，隨著溫度繼續(xù)增加，污泥中極不穩(wěn)定化合物分解，并釋放出揮發(fā)性物質(zhì)，另外由于污泥受熱不均勻，造成局部干燥過度而產(chǎn)生物質(zhì)，這部分物質(zhì)的成分十分復(fù)雜，與受熱條件有關(guān)[1]。

在污水處理時(shí)，污水中大量含氮化合物被轉(zhuǎn)移到污泥中，經(jīng)過厭氧消化處理穩(wěn)定污泥后，其中的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮被還原為氮?dú)猓蟛糠挚山?jīng)生物降解的氮轉(zhuǎn)化為氨。同時(shí)隨著污泥降解過程的進(jìn)行，由碳水化合物分解生成的二氧化碳等酸性物質(zhì)將溶于水中的氨大量轉(zhuǎn)化為碳酸氫銨等不揮發(fā)的銨離子。但碳酸氫銨的熱穩(wěn)定性極差，35℃以上即可發(fā)生分解，所以在污泥干燥過程中碳酸氫銨幾乎全部被分解釋放出氨，這是尾氣中氨氣的重要來源[1，2]。另外，溶解在水中未反應(yīng)的氨會隨水分揮發(fā)而釋放出一部分氨。

硫化氫的產(chǎn)生過程與氨相似，污泥厭氧分解時(shí)，大部分有機(jī)硫或硫氧化物等含硫物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為硫化氫，但硫化氫在水中的溶解度很低，因此污泥中游離硫化氫很少，而是與金屬離子形成硫化物固定在污泥中。在干燥時(shí)污泥分解產(chǎn)生有機(jī)酸，使硫化物轉(zhuǎn)化為硫化氫，并釋放到尾氣中[3，4]。

有的水泥企業(yè)利用窯尾廢氣直接烘干城市污水污泥，其烘干尾氣含有氨、硫化氫、鏈狀烷烴、芳香烴、含氮雜環(huán)化合物等有害成分，會產(chǎn)生令人厭惡的臭雞蛋氣味，直接排放會污染環(huán)境，危害人體健康。如果對廢氣另作凈化處理，其運(yùn)行成本也相當(dāng)高。

2.2 新鮮熱風(fēng)烘干污泥廢氣與煤燃燒廢氣研究

以90℃新鮮熱風(fēng)烘干城市污水污泥，并將干燥尾氣與空氣混摻后作為煤粉燃燒的載氣輸送至管式電爐內(nèi)，煤粉在950℃燃燒，采集燃燒后的煙氣進(jìn)行成分分析。

檢測結(jié)果表明，950℃燃燒后的尾氣中硫化氫及有機(jī)成分的芳香族化合物、鹵代烴等均未能檢測出來，臭雞蛋味也已消失。廢氣中NOX濃度見表2。

從表2可見，無論摻入水泥生料與否，經(jīng)混入部分城市污水污泥烘干尾氣后，煤在950℃燃燒所排放煙氣中NOX濃度均降低，而且原烘干尾氣中NH3濃度也明顯降低。

煤在950℃燃燒所排放煙氣中NOX主要是燃料型NOX。在混入部分城市污水污泥烘干尾氣后，其NOX排放濃度降低是烘干尾氣中多種成分作用的結(jié)果。干燥尾氣中的氨類、含硫化合物和烯烴、烷烴等碳?xì)浠衔锒紩绊懙降趸锏纳?。原烘干廢氣中NH3濃度經(jīng)煤燃燒后已明顯降低，即大部分NH3已參與了NOX的還原反應(yīng)，盡管也會有少部分與O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成NO，但總體效果是使NOX降低。

新井紀(jì)男等的研究表明[5，6]，NH3不直接與NO發(fā)生還原反應(yīng)，需通過基元反應(yīng)生成NHi，再由NH2、NH與NO作用生成N2。還原反應(yīng)過程中NH2是重要的中間物質(zhì)，自由基·OH則起著重要作用。而自由基·OH的來源，最主要是通過NH2與NO反應(yīng)生成NNH的鏈循環(huán)反應(yīng)產(chǎn)生，同時(shí)，從自由基水平來看消耗一個(gè)NH2可獲得4個(gè)·OH自由基，從而有足夠的OH提供給NH3產(chǎn)生NH2進(jìn)行NH2+NO生成N2的鏈終止反應(yīng)和NH2+NO生成NNH的鏈循環(huán)反應(yīng)，并且反應(yīng)也使更多的NO消耗。

在燃燒過程中，尾氣中的硫化氫等含硫化合物被氧化，同時(shí)與煤競爭空氣自由基（O、H、OH），也會使所生成的氮氧化物濃度減少。此外，由烯烴、烷烴等碳?xì)浠衔锸軣崃ψ饔蒙傻拇罅啃》肿犹細(xì)浠衔顲H4、C2H2等，會造成氣氛中總的H/C值減少，燃燒時(shí)與含氮基團(tuán)競爭空氣中自由基，在局部燃燒區(qū)域形成貧氧區(qū)，限制含氮中間產(chǎn)物向NOX的轉(zhuǎn)化。

水泥窯尾廢氣的氧氣濃度相當(dāng)?shù)?，將其烘干城市污水污泥后，再次進(jìn)入水泥窯作高溫處理，不僅能耗高，而且副作用也較大。如對廢氣另作凈化處理，需付出相當(dāng)?shù)倪\(yùn)行成本代價(jià)。所以采用此技術(shù)方案值得商榷。

可考慮利用水泥窯的其他熱源，以新鮮熱空氣烘干污泥再通入窯內(nèi)燃燒的技術(shù)方案。如利用水泥回轉(zhuǎn)窯筒體冷卻熱風(fēng)或部分熟料冷卻機(jī)熱風(fēng)等來烘干城市污水污泥，烘干后廢氣再進(jìn)入水泥窯燃燒的技術(shù)方案。此類氧氣濃度較高的烘干廢氣再進(jìn)入水泥窯燃燒，既有利于處理有害氣體，還能降低水泥窯氮氧化物濃度。

表2 焚燒后NOX和NH3濃度

3 結(jié)論

（1）城市污水污泥含水量較高需要烘干，烘干過程會產(chǎn)生有惡臭氣味的廢尾氣，其成分包括NH3、H2S等無機(jī)污染物質(zhì)和芳香族化合物、鹵代烴、正己烷等易揮發(fā)有機(jī)物。其中含較高濃度的NH3，且含H2S及烷烴、烯烴、芳香烴和鹵代烴等，直接排放會污染環(huán)境。

（2）以新鮮熱空氣烘干城市污水污泥，其排放的廢氣在950℃燃燒，不僅能夠分解芳香族化合物、鹵代烴等，消除廢氣中的臭雞蛋味，而且還能使煙氣中NOX排放濃度降低。

（3）利用水泥窯尾廢氣直接烘干污泥的技術(shù)方案值得商榷，其烘干產(chǎn)生的廢氣直接排放必然會污染環(huán)境，另作凈化處理其成本也相當(dāng)高。建議采用回收水泥回轉(zhuǎn)窯筒體冷卻熱風(fēng)或部分熟料冷卻機(jī)熱風(fēng)等烘干城市污水污泥，烘干后的廢氣再進(jìn)入水泥窯燃燒的技術(shù)方案。

[1]劉瓚.污泥干燥處理中典型惡臭的釋放特點(diǎn)[D].杭州:浙江大學(xué),2007.

[2]王興潤,金宜英,王志玉,等.污水污泥間壁熱干燥實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(2):12-15.

[3]翁煥新,高彩霞,劉瓚,等.污泥硫酸鹽還原菌(SRB)與硫化氫釋放[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009(10):2094-2102.

[4]P.GOSTELOWM,S.A.PARSONS,R.M.STU?ETZ.Odour Measurements for Sewage Treat?ment Works[J].Water Research,2001,Vol.35:579-597.

[5]新井紀(jì)男.燃燒生成物的發(fā)生與抑制技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2001,12:56-89.

[6]Tayyeb M,Javeda,Naseem Irfana,et al.Con?trol of combustion-generated nitrogen oxides by selective non-catalytic reduction[J].Journal of Environmental Management.2006,(3):l-39.

Contamination and Prevention of Drying Waste Gas during Processing Sludge in the Cement Kiln

ZHANG Ling-hui1,2,SU Da-gen1
(1 School of Materials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong; 2 Jiaying University,Meizhou 514015,Guangdong)

Contamination and prevention of drying waste gas during processing municipal sewage sludge in the cement kiln were investigated,utilizing HAPSITE portable gas chromatograph/mass spectrometer and N(1-naph?ty1)-ethylene diamine dihydrochloride spectrophotometric method to measure the waste gas composition.The re?sults show that,offensive odor off-gases are produced from the municipal sewage sludge with a high moisture content during the drying process,the composition of which includes ammonia,hydrogen sulfide,aromatic com?pounds,halohydrocarbon and so on and the direct emission of which contaminates the environment.The waste gas,from sewage sludge drying using the fresh hot air,can combust with pulverized coal at 950℃,which not only leads to the decomposition of several harmful components in the waste gas but also reduces the NOx concentra?tion.The approach to directly dry the sludge with kiln back-end waste gas is questionable.It is suggested that the hot gas from cement rotary kiln shell cooling or the clinker cooler is recovered and used to dry sewage sludge,following which the waste gas enters the kiln for combustion.

Municipal sewage sludge;Cement kiln;NOx;Waste gas;Prevention

TQ172.622.29

A

1001-6171（2011）06-0033-03

通訊地址：1廣東省廣州市天河區(qū)五臺路華南理工大學(xué)材料學(xué)院，廣東廣州 510640；2廣東省梅州市梅松路嘉應(yīng)學(xué)院，廣東梅州 514015；

2011-09-05；

呂 光

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（20877027）