重慶某化工廠污染土壤水泥窯共處置工程設(shè)計

蒲貴兵，尹洪軍，呂 波

（重慶市市政設(shè)計研究院，重慶 400020）

重慶作為一個老工業(yè)城市，因歷史上的粗放型生產(chǎn)，部分工業(yè)企業(yè)給土壤造成不同程度的污染。隨著本地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，環(huán)境保護(hù)意識的不斷加強(qiáng)，重慶市在進(jìn)行城市規(guī)劃和工業(yè)企業(yè)規(guī)劃中，一批污染嚴(yán)重、存在較大環(huán)境安全隱患的企業(yè)已關(guān)閉或遷離重慶主城區(qū)，但其遺留的部分場地達(dá)不到建設(shè)用地的環(huán)境質(zhì)量要求，因此需對這些不合格的遺留工業(yè)用地進(jìn)行污染修復(fù)。

土壤污染問題是目前環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、沉積地質(zhì)學(xué)、生態(tài)地球化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)等領(lǐng)域的重點(diǎn)研究問題之一，污染土壤的合理修復(fù)技術(shù)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1-9]。筆者以化工廠污染土壤為研究對象，把經(jīng)過預(yù)處理（衛(wèi)生填埋）的污染土作為水泥生產(chǎn)原料，從水泥廠干法窯煙室處喂入窯的煅燒系統(tǒng)中，經(jīng)過入窯高溫煅燒，污染土壤中原有的有害成分與水泥生產(chǎn)原料進(jìn)行充分的化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)廢物的有效處理和資源化利用。

1 工程設(shè)計

1.1 工程概述

重慶某化工廠位于重慶市江北區(qū)貓兒石地區(qū)，是國內(nèi)最大規(guī)模的氯堿生產(chǎn)廠之一。主要產(chǎn)品有燒堿、氯氣、鹽酸、氯苯系列、甲烷氯化物、氟里昂、山梨醇、味精、殺蟲劑等。2004年，化工廠發(fā)生爆炸事故，工廠就此停產(chǎn)。該地塊經(jīng)中國環(huán)科院三期評估，確定為需要進(jìn)行修復(fù)的土壤。污染土壤的總量約為30 000 m3（約5萬t）。

隨著環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，鑒于廢物處理需求的不斷增長、填埋和農(nóng)用受到的限制、專門的焚燒爐的高成本、市政垃圾焚燒爐有限的能力等原因，廢物處理尤其是污染土壤處理，由于需要較大的處理能力和現(xiàn)成的設(shè)施，從而轉(zhuǎn)向了其他替代方式。而水泥窯具有產(chǎn)能大，高溫度的熱氧化特點(diǎn)成為替代處理的方式之一。同時，水泥窯共處置的可靠性高，因而非常具有吸引力而快速發(fā)展[10-12]。

本項目采用填埋儲存+水泥窯焚燒的組合工藝對污染土壤進(jìn)行無害化及資源化處理，過程實質(zhì)為固體廢物的減量化處理[13]。

1.2 污染土壤

按照固體廢物取樣制樣原則，原料取自重慶某化工廠污染土壤，針對它們進(jìn)行分析，每份樣品進(jìn)行3次測驗，數(shù)據(jù)取其平均值。

重要氧化物：均化、分散和干燥（125°C）后，采用X射線熒光分析法對重要氧化物進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

堿類：通過火焰光度法對K2O和Na2O進(jìn)行堿類分析，結(jié)果見表1。

表1 主要氧化物和堿類成分

氯：產(chǎn)品在熱量計中進(jìn)行礦化處理，然后采用電位滴定法進(jìn)行測定。氯包括有機(jī)氯和礦物性氯，其中有機(jī)氯是揮發(fā)性物質(zhì)的一部分。樣品1～5氣味最為濃重，針對其有機(jī)氯和礦物性氯進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)果見表2。

重金屬：采用ICP（電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測試）方法，測定No.1～5的混合樣品的重金屬濃度，結(jié)果見表3。

水分：干燥分析法測定。然而，干燥時，將蒸餾出一種有機(jī)含氯化合物，因此無法通過普通分析法測定其水分含量。其離差相對較高，平均為17.5%。

表2 氯含量

表3 重金屬含量

1.3 污染土壤中的主要污染物

從表1～3可以看出，污染土壤里需要處理的主要污染物為有機(jī)化合物、重金屬及氯等。

1.4 工藝流程

首先將受污染土壤轉(zhuǎn)運(yùn)至一個半封閉的污染土壤儲庫，然后將受污染土壤運(yùn)至水泥廠預(yù)熱器塔架旁，利用水泥廠原有干法水泥工藝，將受污染土壤以一定比例喂入回轉(zhuǎn)窯分解爐下部煙室處，經(jīng)窯高溫焚燒處理受污染土壤，去除有毒污染物，最終成為成品水泥。其工藝流程見圖1。

在進(jìn)行土壤掘取、顆粒篩分及大顆粒土壤破碎時，應(yīng)充分考慮到泥土水分對后續(xù)工序的影響，盡量控制土壤水分，達(dá)到本項目中土壤堆存和投加對水分的要求。

由于在喂料系統(tǒng)未考慮污染土的破碎，所以要求在進(jìn)行污染土堆存前應(yīng)進(jìn)行土壤顆粒篩分，保證其細(xì)度小于50 mm。

圖1 污染土壤處理工藝流程

1.5 工藝特點(diǎn)

在水泥生產(chǎn)過程中，生料需要達(dá)到1 450°C才能燒成熟料。這時空氣溫度可以達(dá)到2 000°C以上。另外窯的長度和窯內(nèi)氣體的溫度決定了物料可以保持4 s以上大于1 200°C的高溫，這可以充分保證最穩(wěn)定的有機(jī)化合物也能被破壞。揮發(fā)性化合物將在提升機(jī)管道和分解爐高達(dá)1 000°C并且停留時間大于3 s的環(huán)境下被破壞。煅燒過程中和煅燒后，窯內(nèi)物料劇烈攪動，氧氣充足，所有碳、氫物質(zhì)可以被完全氧化成為二氧化碳和水。水泥生產(chǎn)中，窯內(nèi)最主要的反應(yīng)是CaCO3分解成CO2和CaO，產(chǎn)生的自由鈣有強(qiáng)堿性，這其實是一個巨大的清潔器。燃料、原料和廢物中的硫、鹵素在大量鈣的作用下被充分中和。氯與原料中的堿結(jié)合后，無酸性氣體產(chǎn)生。大多數(shù)時候，原料、礦物燃料和廢物中的礦物元素會和二氧化硅或其他氧化物化合而固化在熟料的穩(wěn)定晶格里。土壤中的礦物成分轉(zhuǎn)變成熟料，這是一個資源充分回收利用的過程，在生產(chǎn)過程中不再產(chǎn)生任何殘渣。用水泥廠共處置廢物是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一種方式，既減少了礦物燃料和礦物資源的消耗，又全面減少溫室氣體排放。廢物共處置不僅替代了部分礦物燃料，消化了需要焚燒的物料，還最大化地減少了二氧化碳和氮氧化物排放。所以，從環(huán)保和技術(shù)上，水泥窯共處置工藝是可行的。

因此，從某種意義上說，水泥窯共處置工藝其實也是一個氣體清潔系統(tǒng)。有機(jī)廢物或燃料中的礦物質(zhì)成分在熟料中結(jié)合成穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，成為產(chǎn)品化學(xué)結(jié)構(gòu)的一部分。

1.6 主要設(shè)計

1.6.1 水泥窯共處置溫度和持續(xù)時間

圖2為水泥生產(chǎn)過程中氣體和物質(zhì)在旋風(fēng)預(yù)熱器/預(yù)分解爐系統(tǒng)中化合過程曲線。污染土壤在氣體溫度達(dá)1 000°C的提升機(jī)管道入窯，然后通過分解爐，此處的溫度和停留時間保證了所有有機(jī)物被徹底破壞。

圖2 氣體和物質(zhì)在旋風(fēng)預(yù)熱器/預(yù)分解爐系統(tǒng)中化合過程曲線

1.6.2 填埋平面設(shè)計

污染土壤儲庫場地為東西高的南北走向小溝渠地形。根據(jù)地形，下部作為貯存場地填埋受污染土壤，上部為輕鋼結(jié)構(gòu)廠房封閉貯存場區(qū)。

貯存場設(shè)計為梯臺形，見圖3。上底平面為東西寬50 m，南北長95 m的矩形，設(shè)計標(biāo)高為327 m（即貯存最終標(biāo)高）；下底平面為東西寬18 m，南北長59 m的矩形混凝土底座，設(shè)計底標(biāo)高為315 m，頂標(biāo)高316 m；底座到頂部四周內(nèi)壁均為1∶1.5的放坡；設(shè)計庫容量約為50 000 m3。貯存方式為由南向北，由下向上逐漸貯存。

圖3 污染土壤儲庫平面布置

1）倉庫主體采用鋼架結(jié)構(gòu)，頂部用彩鋼瓦遮蓋，周邊用彩鋼瓦封密，僅留與頂部交接處少許敞開，其余全部封閉。

2）倉庫周邊修建雨水溝，用于雨季收集、排放雨水，確保不讓雨水流入堆棚內(nèi)造成污染。

3）倉堆棚地面采用澆灌500 mm厚的防滲混凝土防止污染土壤內(nèi)液體的滲出污染堆棚地面及周邊土壤。地面中部建滲瀝液收集溝，溝內(nèi)鋪設(shè)d150 mm高密度聚乙烯管，管底開孔，溝內(nèi)以卵石填充，滲瀝液經(jīng)收集溝排入堆棚外的滲瀝液收集池內(nèi)。

4）倉堆棚內(nèi)壁底部在挖掘成型后進(jìn)行夯實處理，表面由下到上分別布高密度聚乙烯（HDPE）土工膜、土工布及土工布上層再堆砂袋。

5）倉堆棚正前方右側(cè)修建3 m×4 m×3.15 m容積為37.8 m3的滲瀝液收集池，收集的液體定期用泵抽入專用運(yùn)輸車中送至窯頭噴入窯內(nèi)煅燒處理。

6）倉堆棚正南面低于堆棚底部1 m建有滲瀝液觀測井用于檢測污染土中液體是否有滲漏情況。

1.6.3 污染土壤儲庫設(shè)計

污染土壤儲庫見圖4。場內(nèi)壁底部在挖掘成型后進(jìn)行夯實處理，內(nèi)壁表面由下到上分別布高密度聚乙烯（1.5 mm HDPE）土工膜、土工布（200 g/m2）及土工布上層再堆裝滿砂的口袋，堆砂袋的目的是為了防止堆棚內(nèi)進(jìn)行機(jī)械作業(yè)時損壞防滲膜。底平面四周設(shè)混凝土滲瀝液收集溝（0.4 m×0.4 m），溝內(nèi)鋪設(shè)d150 mm高密度聚乙烯管，管底開孔，溝內(nèi)以卵石填充。滲瀝液由污染土壤滲出，經(jīng)土工布過濾后沿高密度聚乙烯（HDPE）土工膜層流入滲瀝液收集溝，經(jīng)滲瀝液收集管道排入場外滲瀝液收集池內(nèi)，最后由專用潛水泵抽入污水運(yùn)送車運(yùn)走，然后利用窯的噴油點(diǎn)系統(tǒng)把收集液體噴入窯內(nèi)處理，做到污染土壤的徹底處理。

圖4 污染土壤儲庫剖面示意

貯存場上部設(shè)鋼結(jié)構(gòu)半密封廠房，廠房凈高9 m，跨度50.0 m，長度95.0 m，頂部標(biāo)高為336m。儲庫主體采用輕鋼結(jié)構(gòu)。柱為鋼管柱，屋架為鋼管組焊三肢格構(gòu)式弧形屋架。屋面為0.476 mm厚單層彩鋼板。檁條采用冷彎薄壁C140×50×20×2.0型鋼檁條。墻體1.2 m以下為磚砌體，1.2 m以上為0.376 mm厚Y×15-225-900型彩鋼板墻體。墻架梁采用冷彎薄壁C140×50×20×2.0型鋼檁條。四周設(shè)置M4045鋁合金卷簾2樘。設(shè)置高0.9 m一排塑鋼通窗，設(shè)置C3318塑鋼窗32樘。屋面排水為鋼板天溝有組織排水，落水為PVC塑料管。

1.6.4 土壤投加系統(tǒng)設(shè)計

經(jīng)理論計算并結(jié)合水泥廠的實際情況，污染土壤作為原材料，其替代率為1.6%。污染土用汽車從儲料堆棚轉(zhuǎn)運(yùn)存料斗，為避免卸料時產(chǎn)生的揚(yáng)塵造成二次污染，需對卸料點(diǎn)進(jìn)行密封，卸料進(jìn)口安裝1道閘門，卸料完成后，該門處于密封關(guān)閉狀態(tài)。卸料點(diǎn)旁安裝1臺收塵器，使之在卸料時保持負(fù)壓，收塵器主拉風(fēng)機(jī)出口接入窯尾煤風(fēng)機(jī)進(jìn)口，避免污染土粉塵外揚(yáng)，造成二次污染。在進(jìn)行酸化土喂料時，喂料量為2 t/h，入窯下料溜管上安裝1臺鎖風(fēng)閥，見圖5。

圖5 處理設(shè)備

1）卸料區(qū)和物料提升區(qū)實行全封閉，避免污染土壤在卸料時外揚(yáng)造成二次污染。

2）在全封閉的卸料和物料提升區(qū)頂部加安通風(fēng)管道與預(yù)熱器相連，利用窯尾收塵器進(jìn)行拉風(fēng)，并在通風(fēng)管上加安與中控聯(lián)網(wǎng)的鎖風(fēng)閥（原環(huán)評中此處需安裝袋收塵器，但公司出于節(jié)能、環(huán)保的角度考慮充分利用現(xiàn)有設(shè)備的富余能力進(jìn)行收塵，故做了調(diào)整）。

3）汽車卸料時整個區(qū)域半封閉，卸完料后整個區(qū)域全封閉，無論是半封閉或全封閉時均要保證整個土壤投加系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)。

4）通風(fēng)管道上的鎖風(fēng)閥開度可通過中控進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，確保生產(chǎn)期間整個土壤投加系統(tǒng)的負(fù)壓狀態(tài)。

2 投資與效益分析

2.1 投資估算

參照當(dāng)前國家及重慶市的地方估算指標(biāo)，本次工程估算投資為971.3萬元（見表4）。

表4 工程投資（總）估算

2.2 運(yùn)行費(fèi)用

項目建成投產(chǎn)后，根據(jù)窯的處理能力計算和污染土壤處理量的情況，系統(tǒng)運(yùn)行按2 a計。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需對從污染土壤儲存到投加的各個工序進(jìn)行操作和監(jiān)控及檢測，保證本系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要投入大量人力物力及財力。運(yùn)行費(fèi)用見表5。

表5 運(yùn)行費(fèi)用

2.3 預(yù)期收益測算

本項目的收益來自污染土壤轉(zhuǎn)化為水泥產(chǎn)品和政府的處理補(bǔ)助費(fèi)。

污染土壤含水率按17.5%計，水泥煅燒過程中，產(chǎn)量損失按5%計，則污染土壤完全處理，其有效轉(zhuǎn)化為水泥的量為50 000×（1-0.175）×（1-0.05）=39 187.5（t）。

根據(jù)當(dāng)前情況下，預(yù)期水泥單價為380元/t，每處理1 t污染土壤政府補(bǔ)助50元，則預(yù)期收益為39 187.5×（380+50）/10 000=1 685.062 5（萬元）。

因此，項目凈收益為1 685.062 5-971.3-163.76=550.002 5（萬元）。故從財務(wù)上分析，項目是可行的。

3 結(jié)論

根據(jù)污染土壤的實際情況，采用衛(wèi)生填埋儲存+水泥窯焚燒的組合工藝對污染土壤進(jìn)行無害化及資源化處理，從環(huán)保、技術(shù)及經(jīng)濟(jì)方面來看，項目都是可行的。項目總處理量為50 000 t污染土壤，水泥原材料替代率1.6%，土壤儲庫有效容積30 000 m3，項目運(yùn)行時間為2 a，項目總投資971.3萬元，運(yùn)行成本163.76萬元，凈收益550.002 5萬元。

[1]Leitgib L，Kálmán J，Gruiz K.Comparison of bioassays by testing whole soil and their water extract from contaminated sites[J].Chemosphere，2007，66 （3）：428-434.

[2]Jonsson S，Persson Y，F(xiàn)rankki S，et al.Comparison of Fenton’s reagent and ozone oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons in aged contaminated soils[J].JSoils Sediments，2006，6 （4）：208-214.

[3]Hartley W，Lepp N W.Effect of in situ soil amendments on arsenic uptake in successive harvests of ryegrass （Lolium perenne cv Elka）grown in amended As-polluted soils[J].Environ Pollut，2007，156（3）：1030-1040.

[4]Ragnvaldsson D，Berglind R，Tysklind M，et al.Environmental hazard screening of a metal-polluted site using pressurized liquid extraction and two in vitro bioassays[J].Ambio，2007，36 （6）：494-501.

[5]Reed L，Buchner V，Tchounwou P B.Environmental toxicology and health effects associated with hexachlorobenzene exposure[J].Rev Environ Health，2007，22（3）：213-243.

[6]Calace N，Campisi T，Iacondini A，et al.Metal-contaminated soil remediation by means of paper mill sludges addition：Chemical and ecotoxicological evaluation[J].Environ Pollut，2005，136 （3）：485-492.

[7]Pérez-Sirvent C，García-Lorenzo M L，Martínez-Sánchez M J，et al.Metal-contaminated soil remediation by using sludges of the marble industry：Toxicological evaluation[J].Environ Int，2007，33 （4）：502-504.

[8]范亞維，周啟星.BTEX的環(huán)境行為與生態(tài)毒理[J].生態(tài)學(xué)雜志，2008，27（4）：632-638.

[9]Hamzeh M A，Hasanzadeh R.Study of soil pollution in the Kerman Urban areas with trace toxic elements，using GIS-based approach[J].JEnviron Stud，2009，35（49）：41-52.

[10]李璐，黃啟飛，張增強(qiáng)，等.水泥窯共處置污染土壤的污染排放研究[J].環(huán)境工程學(xué)報，2009，3（5）：104-107.

[11]閆大海，李璐，黃啟飛，等.水泥窯共處置危險廢物過程中重金屬的分配[J].中國環(huán)境科學(xué)， 2009，29（9）：977-984.

[12]朱雪梅，劉建國，黃啟飛，等.固體廢物水泥窯共處置技術(shù)應(yīng)用及存在問題[J].中國水泥， 2006（4）：45-49.

[13]蒲貴兵，孫可偉，吳勇生.固體廢棄物減量化的界定[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2006，14（6）：50-53.